王宇

摘要：液化天然氣架空管道的設(shè)計工作是液化天燃氣供應(yīng)站總體設(shè)計中不可或缺的一個組成部分，而相當一部分城市燃氣行業(yè)的設(shè)計人員對這種架空低溫介質(zhì)管道的設(shè)計工作比較陌生。在此種管道的設(shè)計工作中，管道的受力分析是設(shè)計工作能否成功的一個重要因素。本文就是采用有限元分析管道的受力機理和應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：天燃氣管道；受力分析

1 引言

對于液化天然氣供氣方案的城市，液化天燃氣供應(yīng)站是城市燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)的源頭，地位十分重要。液化天然氣供應(yīng)站的核心組成部分是工藝裝置區(qū)。在此一區(qū)域，經(jīng)卸車自增壓器輸入儲罐進行儲存的液化天然氣，將通過氣化器，調(diào)壓器等裝置氣化，調(diào)壓。成為普通的天然氣，輸送給城市地下管網(wǎng)。為方便檢修起見，連接這些裝置的工藝管道一般均為地上低位架空管道。由于液化天然氣是-168℃的低溫液體，造成架空管道內(nèi)的介質(zhì)溫度與管道安裝溫度存在較大差異，溫度應(yīng)力對管道的影響十分明顯。如果不對這種影響進行合理的解決，有可能造成管道與設(shè)備連接處發(fā)生泄漏，損壞?；蛘呤窃O(shè)備在推力的作用下產(chǎn)生過量變形，無法正常工作，乃至報廢。

本文主要討論由內(nèi)壓引起的管道環(huán)向應(yīng)力和正應(yīng)力。下面將從架空管道一次應(yīng)力的計算來對問題進行闡述。

2 輸氣管道受力分析

2.1 溫度應(yīng)力的計算理論

當管道成為帶拐點的平面管系后，計算將趨于復(fù)雜。我們以一個采用L行管為類說明，如圖1，兩端固定點或是固定支架分段點，或是裝置連接點，其他受力和穩(wěn)定問題暫不考慮。如果我們將一段的約束去掉，用等效力和力矩，在這些力和力矩作用下，此段變形量仍為零。然后利用變形協(xié)調(diào)方程，再加上力法或位移法，就可求的彈性推力，然后可求出各點的應(yīng)力。這就是計算溫度應(yīng)力的基本方法。

圖1 約束示意圖

3 輸氣管道有限元分析：

3.1問題描述

管道幾何參數(shù)：外徑 R1=O.6m；內(nèi)徑 R2=0.4mm；壁厚 t=0.2m。

管道材料參數(shù)：彈性模量E=200GP；泊松比v=0.26.載荷：P=1MPa

3.2問題分析

管道沿長度方向的尺寸遠大于管道的直徑，在計算過程中忽略管道的端面效應(yīng)，認為其長度的方向無應(yīng)變產(chǎn)生，即可將該問題簡化為平面應(yīng)變問題，選取管道橫截面建立幾何模型進行求解。

3.3 管道內(nèi)部受力分析，變形分析：

經(jīng)過ANSYS有限元計算后處理，將管道的應(yīng)力圖，變形圖匯總?cè)缦拢?/p>

圖2位移場等值線

圖3 等效應(yīng)力等值線圖

有圖2位移場等值線圖可以看出管道應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸減小，內(nèi)部最大，等效應(yīng)力為5.5MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)部，最小應(yīng)力出現(xiàn)在外部。由圖3等效應(yīng)力等值線圖管道應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸減小，最大應(yīng)力為3.13MPa，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)部。

結(jié)論：

天然氣輸氣管道的受力分析是一個很復(fù)雜的課題，本文通過運用ANSYS建立了輸氣管的模型，并利用ANSYS靜態(tài)分析法對輸氣管道進行加壓分析，并得出了應(yīng)力分布和變形規(guī)律，本文只是在國內(nèi)外現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，做了一些嘗試性的研究。與電力，熱力等行業(yè)相比，該行業(yè)涉及這個問題比較晚，經(jīng)驗太少，所以我們必須多學(xué)習(xí)，多實踐，摸索出一套適合我們自己的行業(yè)經(jīng)驗，為社會貢獻自己的一份力量。

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