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西北工業(yè)大學開展成品油長輸管道在線更換封堵裝置有限元分析

管道發(fā)生老化泄漏等情況，需要利用封堵裝置對管道損壞部分進行封堵更換。西安工業(yè)大學基于專用的封堵囊送入機構(gòu)，進行在線封堵更換用封堵裝置設計，以及可抗拒天候變化、地勢地形變化等因素引起的管道介質(zhì)壓力波動，實現(xiàn)自行泄壓，降低管道修復作業(yè)成本。

管道在線封堵更換的工作流程如圖5所示。關(guān)閉管道輸油閥門，并完成帶壓打孔．封堵裝置由專用的送入機構(gòu)送進，通過氣管對封堵囊充入高壓氣體從而使囊體徑向膨脹接觸管道，繼續(xù)提高氣體壓力，促使內(nèi)外接頭脫離，并隨之撤出。在依靠封堵裝置實現(xiàn)成功封堵后，便可按照預先設計的尺寸，在截取位置處用機械切割的手段將嚴重腐蝕的需更換的管段，連同封堵三通、夾板閥等元件一起截取，更換上新管道。焊接完成后即可實現(xiàn)管道壁無機械切口、坑道等破損點，有效預防管道沖蝕、應力腐蝕等其他封堵工藝無法避免的二次腐蝕。待更換結(jié)束，開啟管道輸油閥門，在油壓作用下，囊內(nèi)氣體釋放，當囊內(nèi)氣壓和油壓持平，活塞復位關(guān)閉泄氣通道，囊內(nèi)氣體泄漏，實現(xiàn)自行泄壓。封堵囊內(nèi)仍有部分氣壓，保持一定的形狀隨液體流至下一取出口取出。

在整個封堵裝置在線封堵更換的過程中，囊體是實現(xiàn)封堵的關(guān)鍵零部件，因此對囊體進行有限元分析。橡膠材料是各向同性，屬于超彈性體，而且其體積近似不可壓縮。Mooney-Rivlin模型基本上能夠模擬全部橡膠類力學行為。

圖5 封堵系統(tǒng)示意圖

囊體材料的彈性模量為6.106MPa，泊松比為0.499，采用Mooney-Rivlin模型．管道材料的彈性模量為2.09*105MPa，泊松比為0.269．在軟件ANSYS Workbench中單元類型是程序自動判斷并選擇的，管道及囊體選用PLANEE183單元、剛性體接觸面為CONTA172單元、柔性體目標面為TARGE169單元及SURF153表面效應單元建立有限元模型．囊體在管道中的網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 囊體三維模型

研究表明：（1）該管道封堵裝置利用封堵囊的充氣膨脹與管壁產(chǎn)生的摩擦力實現(xiàn)了對管道介質(zhì)殘余壓力不超過0.5MPa的封堵，可抗拒天候變化、地勢地形變化等因素引起的管道介質(zhì)壓力波動。（2）該管道封堵裝置實現(xiàn)了自行泄壓，且開孔少，降低了作業(yè)成本，且在修復的管道上不留機械切口。該裝置只能暫時封堵已泄壓管段，封堵壓力相對其他封堵裝置較小，需在此基礎(chǔ)上進一步就帶壓封堵方法進行改進。

吳超 摘編自《西安工業(yè)大學學報》雜志2016年6月

《成品油長輸管道在線更換封堵裝置的有限元分析》原作者程珊珊等