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        管道維修卡具力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        2013-09-07 10:36:44張傳濤田家林龐小林肖慧娜
        石油礦場機械 2013年10期
        關(guān)鍵詞:耳板卡具外殼

        張傳濤,田家林,范 哲,楊 琳,龐小林,李 友,肖慧娜

        (1.海洋石油工程股份有限公司 建造公司,天津300452;2.西南石油大學(xué) 機電工程學(xué)院,成都610500;3.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院,成都610031)①

        如果運行中的石油天然氣管道出現(xiàn)腐蝕穿孔泄漏,或外力致使管道泄漏,可以在管道不停輸?shù)那闆r下直接用卡具蓋住管道泄漏點。作為管道維修作業(yè)的關(guān)鍵部件,卡具的安全性能對現(xiàn)場生產(chǎn)具有重要意義。相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行的研究包括:卡具結(jié)構(gòu)設(shè)計中外殼直徑、直條耳板厚度、材料的選擇等[1-2],加工制造過程的熱壓成形力學(xué)性能計算[3-5],現(xiàn)場實施過程試驗壓力測試,以及生產(chǎn)運行過程考慮振動、腐蝕等因素對安全性能的影響[6-7]。關(guān)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,現(xiàn)有研究大多根據(jù)計算結(jié)果與現(xiàn)場經(jīng)驗進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選,這種處理方法雖然可以在滿足施工要求下,實現(xiàn)一定程度優(yōu)化,但理論深度不夠,不能確定最優(yōu)值以及為以后生產(chǎn)提供科學(xué)的設(shè)計方法。

        本文結(jié)合搶修過程的試驗壓力、接觸等問題,在完成卡具現(xiàn)場施工力學(xué)性能計算的基礎(chǔ)上,對計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,建立優(yōu)化函數(shù),進(jìn)行多設(shè)計變量優(yōu)化,實現(xiàn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計,并重新自動生成優(yōu)化模型,完成優(yōu)化模型力學(xué)性能計算與強度分析。研究方法與結(jié)果可用于管道施工的安全評價與優(yōu)化,對現(xiàn)場生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

        1 計算分析方法

        卡具主要由卡具殼體、螺栓、螺母組成。首先,根據(jù)力學(xué)性能計算結(jié)果,對卡具裝置進(jìn)行強度分析,需要確定強度標(biāo)準(zhǔn)。理論分析認(rèn)為形狀改變比能是引起材料流動破壞的主要因素。其相應(yīng)的破壞條件是:

        式中:uf為形狀改變比能;uf0為形狀改變比能的極限值。

        用應(yīng)力表示的強度校核條件是:

        式中:σ1,σ2,σ3為三向主應(yīng)力;[σ]為拉伸強度極限。

        根據(jù)庫倫定律,材料的抗剪強度由內(nèi)摩擦力和凝聚力2部分組成:

        其應(yīng)力表示式為

        式中:τf為材料的抗剪強度;σ為作用在剪切面上的正應(yīng)力;σc,σt分別為材料單向抗壓和抗拉強度極限。

        格列菲斯強度理論認(rèn)為材料體內(nèi)含有一系列張開的扁平橢圓裂縫,在材料受力時,該裂縫周邊將出現(xiàn)很高的拉應(yīng)力(應(yīng)力集中現(xiàn)象),當(dāng)它超過材料的局部抗拉強度時,材料即發(fā)生破壞,其破壞條件是:

        當(dāng)σ1+3σ3<0,危險方向與σ1方向一致,則有:

        當(dāng)σ1+3σ3≥0時,危險方向與σ1斜交,則有:

        2 算例與等效模型

        算例參數(shù):卡具外殼直徑為1 478mm,計算厚壁直條耳板厚度為265mm,上殼體質(zhì)量為3 345.9kg,總質(zhì)量為6 691.8kg。其中性能參數(shù)如表1所示。

        表1 材料性能參數(shù)

        為了能真實反應(yīng)卡具力學(xué)狀態(tài),建立裝配體模型,考慮材料性能、接觸等非線性問題進(jìn)行分析,載荷和約束施加后的模型,如圖1a所示。在內(nèi)壓15 MPa的條件下,其Von Mises最大應(yīng)力值為189.16 MPa,應(yīng)力分布如圖1b所示。根據(jù)ASME強度準(zhǔn)則,確定危險路徑上的Pm,Pm+Pb,Pm+Pb+Q 應(yīng)力值如圖1c所示。

        圖1 卡具計算模型與結(jié)果

        根據(jù)圖1的計算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,需要建立與原結(jié)構(gòu)等效的模型作為優(yōu)化模型。由于原裝配圖部件比較復(fù)雜,螺栓、殼體、密封圈等之間接觸面多,如果直接將裝配體帶入進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,計算量大,而且容易產(chǎn)生失真現(xiàn)象,需要對模型進(jìn)行等效處理,在保證計算準(zhǔn)確的情況下,減小計算量。

        根據(jù)以上準(zhǔn)則建立的等效模型以及其在內(nèi)壓15MP條件下的Von Mises應(yīng)力分布如圖2所示,可知其應(yīng)力分布與最大值與圖1相近,能真實反映原結(jié)構(gòu)特征。將其作為等效模型,優(yōu)化數(shù)據(jù)能用于原結(jié)構(gòu)。

        圖2 簡化模型的Von Mises應(yīng)力云圖

        3 優(yōu)化方法與結(jié)果

        卡具的優(yōu)化條件為在給定的類型、材料、布局和幾何外形的情況下,優(yōu)化各組成部件的尺寸,使得結(jié)構(gòu)的質(zhì)量最小或最經(jīng)濟(jì),這種優(yōu)化稱為尺寸優(yōu)化。本文針對卡具的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,優(yōu)化部件主要為外殼、直條耳板,需要建立最優(yōu)解的優(yōu)化方法,提出優(yōu)化方案。根據(jù)算例參數(shù),卡具的優(yōu)化分析數(shù)學(xué)模型[8]為:

        式中:k為應(yīng)力集中指數(shù),且k=(σ峰值-σ平均)/σ平均;δ為直條耳板厚度,mm;Sm為材料基本許用應(yīng)力強度;狀態(tài)變量SV1、SV2為支管和主管最大整體一次薄膜應(yīng)力強度值Pm。

        根據(jù)以上建立的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,先完成實驗設(shè)定和響應(yīng)面計算,再完成試驗、目標(biāo)設(shè)定和優(yōu)化。以卡具外殼直徑(1 478mm)、直條耳板厚度(265mm)為設(shè)計變量,以屈服極限(275MPa)、變形量(≤1mm)為約束條件,以最小質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化值設(shè)定如表2所示。

        表2 多設(shè)計變量夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)設(shè)定

        通過連續(xù)求解式(7)得到以外殼直徑、直條耳板厚度為設(shè)計變量,不同設(shè)計變量值對應(yīng)的質(zhì)量、應(yīng)力。通過比較,與質(zhì)量、應(yīng)力、變形關(guān)系如表3所示。

        表3 多設(shè)計變量的質(zhì)量、變形、應(yīng)力關(guān)系

        參考前面優(yōu)化過程,進(jìn)入優(yōu)化分析,先完成試驗設(shè)定和響應(yīng)面計算,再完成試驗、目標(biāo)設(shè)定和優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果如表4所示,優(yōu)化模型參數(shù)在外殼直徑為1 422.7mm,直 條 耳 板 厚 度 為239.06mm,質(zhì) 量2 760.2kg,變形量0.457 8mm,最大應(yīng)力272.6MPa附件區(qū)域,通過對該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)連續(xù)求解,得到設(shè)計點。

        根據(jù)上圖所示計算值,考慮卡具失效特征,確定優(yōu)化模型外殼直徑為1 410mm,直條耳板厚度為220mm。重新生成模型,完成優(yōu)化模型的變形、應(yīng)變、應(yīng)力計算。

        表4 多設(shè)計變量的設(shè)計點

        4 多變量優(yōu)化強度校核

        根據(jù)應(yīng)力值分布確定危險截面,最終確定校核路徑。根據(jù)路徑上應(yīng)力分布值,得到各曲線分布,如圖3~4所示。

        圖3 路徑上的S1,S2,S3,Von Mises Stress,Stress intensity應(yīng)力

        圖4 路徑上的Pm,Pm+Pb,Pm+Pb+Q應(yīng)力

        按照上面計算的結(jié)果,在定義的路徑上得到Pm(薄膜應(yīng)力,MPa),Pm+Pb(薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力,MPa),Pm+Pb+Q(總應(yīng)力,MPa)。在額定載荷下,按照ASME VIII強度要求,校核最大工作載荷強度。得到危險截面應(yīng)力狀態(tài),如表5。

        表5 危險截面的應(yīng)力值

        可知其強度滿足ASMEⅧ標(biāo)準(zhǔn)要求。需要指出的是,此優(yōu)化結(jié)構(gòu)頂部應(yīng)力值較大,需要多路徑進(jìn)行強度校核,確??煽啃浴,F(xiàn)有方案優(yōu)化結(jié)果如表6。

        表6 優(yōu)化結(jié)果

        5 結(jié)論

        1) 卡具在試驗壓力條件下,最大應(yīng)力小于連接材料屈服極限最小值,卡具屬于彈性變形區(qū)域,計算的變形、應(yīng)變、應(yīng)力與載荷變化呈正比例關(guān)系。

        2) 對比耳板內(nèi)側(cè)變形值與卡具裝配體變形量分布云圖可得:耳板內(nèi)側(cè)變形量值較小,以外殼直徑、直條耳板厚度為設(shè)計變量,以屈服極限、變形量為約束條件,以質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足ASME強度準(zhǔn)則。

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