有限元法在管道擠壓變形分析中的應(yīng)用

尚 凱 王世煒 孟賢勇 馬希欽

（1、91133 部隊(duì) 2、78479 部隊(duì) 3.重慶大學(xué)）

1 緒論

管道輸送是目前油品輸送的主要方式，也是最經(jīng)濟(jì)、高效、安全的一種方式，我國(guó)輸油管道經(jīng)過50 多年的發(fā)展，截止2007年為止，我國(guó)也建成輸油管道2.9 萬(wàn)km，其中原油管道1.7 萬(wàn)km，成品油管道1.2 萬(wàn)km[1]，且每年都在以一定速度增加，輸油管道如果由于腐蝕、施工破壞、自然災(zāi)害等可能發(fā)生泄漏或斷裂。

為了解決管道斷裂處存在大落差或者處于大坡段這一難題，設(shè)想在輸油管道發(fā)生斷裂或大面積破裂時(shí)，在靠近斷裂或破裂的地方，使用一種特殊的管夾快速地將輸油管道壓扁，作為一種臨時(shí)措施，能夠盡量減少或止住油品的外泄，然后將管道里面的油品回收，再進(jìn)行換管等搶維修作業(yè)。夾壓裝置的設(shè)計(jì)，需要對(duì)管道進(jìn)行擠壓實(shí)驗(yàn)取得相關(guān)數(shù)據(jù)，由于大口徑管道擠壓實(shí)驗(yàn)中存在的不可預(yù)知因素比較多，并且多次實(shí)驗(yàn)的成本也比較高。隨著有限元數(shù)值分析方法的發(fā)展，可以利用有限元分析方法來(lái)模擬管道擠壓變形，獲得需要的數(shù)據(jù)，并和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，以指導(dǎo)夾壓截流裝置的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

2 管道擠壓試驗(yàn)

2.1 試樣

試樣為406×8×3200mm的 X60 管線鋼管，管道為直焊縫管，外裹有防腐層。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在1000 噸萬(wàn)能擠壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按要求將特定的上下壓頭安裝好后，將鋼管吊裝放入壓頭之間，調(diào)節(jié)鋼管焊縫線與水平面成一很小角度，鋼管兩端用支墩支撐，然后將上壓頭調(diào)節(jié)下移至接觸鋼管，隨后加載擠壓直到鋼管完全被壓扁。

2.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

在鋼管的擠壓過程中，在加載載荷較小階段，鋼管在擠壓處發(fā)生緩慢而微小的形變，隨著載荷的增加，擠壓處變形量越來(lái)越大，鋼管的兩端也發(fā)生一定程度的橢圓化，隨著擠壓變形量的增大，鋼管兩端的橢圓化也越來(lái)越大。在擠壓的最后階段，鋼管擠壓截面內(nèi)部的中間部位首先接觸，隨后兩邊逐漸被壓扁。壓扁后繼續(xù)加載，此時(shí)隨著載荷的增加位移形變量很小，壓扁卸載后，鋼管壓扁處出現(xiàn)一定量的回彈。

3 有限元分析

管道在擠壓變形過程中，局部存在大變形，不僅只存在線性變形關(guān)系，還有非線性變形關(guān)系。變形進(jìn)入塑性后，線彈性的關(guān)系理論就不再適用，這時(shí)需要采用非線性的理論關(guān)系，平衡方程也必須建立于變形后的狀態(tài)以考慮變形對(duì)平衡的影響[2]。

3.1 基本過程

有限元分析的過程可分為以下3個(gè)階段：前處理，包括材料性質(zhì)參數(shù)、幾何形狀定義、單元網(wǎng)格劃分及加邊界和載荷條件等；分析計(jì)算；后處理，即分析處理計(jì)算得到的數(shù)據(jù)。

3.2 分析建模過程

鋼管受擠壓實(shí)際過程簡(jiǎn)化成合適的有限元軟件模擬的力學(xué)模型是有限元模擬的關(guān)鍵所在，雖然在簡(jiǎn)化的過程中要求實(shí)際過程與模型的力學(xué)特性一致，但為了使模型達(dá)到既便于分析又可得到想要的精確值，可以重點(diǎn)突出所關(guān)心的部分，淡化或者忽略所不關(guān)心的部分。對(duì)于管道擠壓情況，重點(diǎn)關(guān)心的是管道加載擠壓的塑性變形過程和壓扁后的變形情況，由于鋼管的壁厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管徑，在建模時(shí)使用殼單元；而壓頭的變化情況則可以不去考慮，在建模時(shí)將壓頭設(shè)定為剛體。在對(duì)管道進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將變形較大的中間部分區(qū)域采用四邊形網(wǎng)格劃分得很細(xì)，而變形較小的端頭附近劃分得相對(duì)比較粗略一些，同樣也采用四邊形網(wǎng)格劃分，而在兩種粗細(xì)不同的網(wǎng)格中間，使用三角形網(wǎng)格連接過渡，如圖1 所示。

3.3 結(jié)論分析

通過前面對(duì)管道受擠壓的有限元的分析，模擬計(jì)算了406×8×3200mm 的管道受擠壓變形情況，從模擬的結(jié)果來(lái)看，離壓頭越近的區(qū)域，變形越大，應(yīng)力也越大；離壓頭越遠(yuǎn)的區(qū)域，變形也越小，應(yīng)力值也相對(duì)較小。鋼管擠壓過程的應(yīng)力云圖如圖2 所示，從圖中可以看出，在壓扁過程中，應(yīng)力集中在被壓扁的位置。對(duì)于管道的擠壓，有限元模擬和實(shí)驗(yàn)得到位移載荷曲線圖3 所示，模擬得到的曲線和實(shí)驗(yàn)曲線比較吻合，在一個(gè)合理的誤差范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過管道擠壓實(shí)驗(yàn)和有限元模擬結(jié)果的分析比較，模擬和實(shí)驗(yàn)得到的位移載荷曲線非常吻合，變形和壓扁過程也非常近似，說明建立的模型是正確的，可以將此模型推廣到到其他不同管徑管線的擠壓模擬，以得到夾壓截流裝置設(shè)計(jì)和生產(chǎn)需要的數(shù)據(jù)。

[1]中國(guó)油氣管道分析發(fā)展報(bào)告.

[2]王勖成，劭敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華大學(xué)出版社,1997.