雙層管單層連接管道溫度應(yīng)力分析

黨學(xué)博,李懷印,馬華偉

(中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京100083) *

雙層管單層連接管道溫度應(yīng)力分析

黨學(xué)博,李懷印,馬華偉

(中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京100083)*

為了提高海底管道的鋪設(shè)效率,提出了雙層管單層連接管道結(jié)構(gòu),并研究了其在正常運行時的溫度應(yīng)力。從理論推導(dǎo)出管道內(nèi)溫度分布的計算公式,與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。采用有限元方法模擬了管道連接處的溫度應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)最大VonMises應(yīng)力出現(xiàn)在變徑管與單層連接管的焊接處,且內(nèi)管溫度變化越大,壁厚越厚,單接管長度越短,管內(nèi)VonMises應(yīng)力越大。研究結(jié)果對雙層管單層連接管道結(jié)構(gòu)設(shè)計有指導(dǎo)意義。

海底管道;雙層管單接法;溫度分布;應(yīng)力

海底管道是海洋油氣資源開發(fā)的重要組成部分,目前主要有單層和雙層2種形式。單層管主要用于等溫輸油;雙層管用于加熱保溫輸油[1]。由于我國近海海上油田生產(chǎn)的原油多為高黏度稠油,海底管道宜采用雙層保溫管結(jié)構(gòu)形式[2]。雙層管在海上施工過程中焊接工藝復(fù)雜,施工速度緩慢,費用較高。本文提出了一種改進(jìn)的管道連接形式——雙層管單層連接結(jié)構(gòu)[3],施工時只需要焊接1道焊縫就能把2個預(yù)制管段連接起來,簡化了海上作業(yè)程序,縮短了焊接和檢測時間,鋪管速度較快。本文研究了這種管道結(jié)構(gòu)在正常運行期間的溫度分布和溫度應(yīng)力。

1 結(jié)構(gòu)形式

雙層管單層連接結(jié)構(gòu)以雙層鋼管為主,內(nèi)管比外管略長,在每段雙層管的兩端利用變徑管將內(nèi)、外管連接起來,內(nèi)、外管之間填充保溫材料[4],海上施工時只需將管道兩端凸出來的單層管焊接起來。雙層管單層連接結(jié)構(gòu)如圖1,圖中陰影部分為保溫材料,為了減少溫降在單層連接管和變徑管外面也填充保溫材料,對整個連接部分進(jìn)行保溫。L1為外管軸向長度,L2為變徑管軸向長度,2L3為單層連接管長度。d1和 d2分別為外管和內(nèi)管的外直徑,t1為外管和變徑管的壁厚,t2為內(nèi)管和單層連接管的壁厚,變徑管斜度為1∶n。

圖1 雙層管單層連接管道結(jié)構(gòu)

2 管道內(nèi)溫度分布

管道內(nèi)溫度分布如圖2。假設(shè)外管溫度與環(huán)境溫度相同,均為 T1,管道正常運行后內(nèi)管溫度由 T1升高至 T2,則內(nèi)管的溫度變化量為ΔT2=T2-T1。變徑管處于內(nèi)、外管之間,其溫度分布和厚壁管道徑向上的溫度分布相似,從 T1逐漸變化到 T2。管道的傳熱計算公式[5]為

式中,x為沿管線軸向坐標(biāo);y為管道導(dǎo)熱系數(shù);ΔT為管道內(nèi)的溫度變化;S為形狀系數(shù)。

式中,A2為內(nèi)管的橫截面積;Ax為變徑管上任意橫截面面積,Ax=π[d2+x(d1-d2)/L2-t1]t1。

圖2 管道內(nèi)溫度分布

變徑管兩端溫度分別為 T1和 T2,則變徑管內(nèi)溫度的分布為

式中,x∈(0,L2),A1為外管的橫截面積,A1= π(d1-t1)t1。

3 數(shù)值模擬

為了驗證理論分析的合理性,并分析管道內(nèi)溫度應(yīng)力分布,采用ANSYS有限元軟件對單層連接雙層管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,管道幾何模型數(shù)據(jù)如表1。

表1 管道幾何模型參數(shù)

假設(shè)某單層連接雙層管道的外管長度為12 m,單層連接管長度為0.76 m,變徑管斜度為1∶4,管道材料彈性模量為200 GPa,泊松比為0.3,熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5(℃)-1。管道幾何尺寸和鋼材等級均按API規(guī)范選取[6]。

3.1 穩(wěn)態(tài)溫度場模擬

ANSYS中的Solid 90單元是一種有20個節(jié)點的高等三維單元,能很好地模擬物體內(nèi)的溫度分布并能適應(yīng)復(fù)雜的邊界條件,因此選用Solid 90單元劃分管道模型,根據(jù)管道的對稱性,橫截面內(nèi)只截取1/4圓進(jìn)行建模。沿管道壁厚劃分3層單元,環(huán)向劃分為30個微段。焊縫附近由于存在幾何突變,單元劃分較密,普通雙層管內(nèi)單元劃分比較稀疏。圖2給出了管道內(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度場,內(nèi)、外管上的溫度與施加的溫度荷載相同,分別為80℃和15℃?？梢钥闯?溫度只沿管道軸向變化,在任意橫截面內(nèi)沿環(huán)向和徑向基本不變,變徑管溫度從15℃逐漸增加到80℃,而且管道直徑越小,溫度變化越快,這與式(2)的計算結(jié)果相同。

3.2 溫度應(yīng)力

因為Solid 90單元只能模擬管道的溫度分布,所以在分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力之前應(yīng)先把Solid 90單元轉(zhuǎn)化為與其形狀和節(jié)點數(shù)相同并能進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析的Solid 95單元。管道兩端橫截面取對稱約束,縱截面上與截面垂直的位移為零。導(dǎo)入穩(wěn)態(tài)溫度分析結(jié)果,對模型進(jìn)行重新求解,得到管道內(nèi)各點的溫度應(yīng)力和應(yīng)變。

由溫度變化引起的軸向應(yīng)力在單層連接管內(nèi)最大為161.89 MPa;內(nèi)管次之,約為155.70 MPa;外管最小,僅為3.36 MPa。由于溫度變化,使變徑管產(chǎn)生軸向和徑向位移壓縮相鄰的單層連接管,產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力,加上單層連接管自身的熱膨脹,導(dǎo)致焊縫與單層管連接的地方VonMises應(yīng)力最大。但是焊縫附近存在幾何突變和應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力比其他地方更大而且分布復(fù)雜,很難得到理論解,通常采用有限元法進(jìn)行分析[7-8]。

3.3 參數(shù)敏感性分析

以管道幾何模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),用數(shù)值模擬方法分析內(nèi)、外管溫度和管道幾何尺寸等參數(shù)對管道內(nèi)最大VonMises應(yīng)力的影響規(guī)律。

3.3.1 溫度變化的影響

外管溫度不變時,管道上的最大VonMises應(yīng)力隨內(nèi)管溫度升高而變大,且二者基本為線性關(guān)系。例如,外管溫度為15℃,內(nèi)管溫度從15℃逐漸增加到90℃時,管道內(nèi)最大VonMises應(yīng)力如圖3。

圖3 不同溫度對應(yīng)的最大VonMises應(yīng)力

3.3.2 幾何尺寸的影響

1) 變徑管斜度分別為1∶2、1∶4、1∶6時,最大VonMises應(yīng)力如圖4。由圖4可知,變徑管斜度變化對最大VonMises應(yīng)力的影響并不明顯,只是斜度為4°時應(yīng)力較小,應(yīng)力曲線在中間略微下凹。

2) 按API 5L規(guī)范,假設(shè)外管壁厚為15.88 mm(0.625英寸),內(nèi)管壁厚分別為9.53(0.375英寸)、12.7(0.5英寸)、14.33 mm(0.564英寸)時,或者內(nèi)管壁厚為9.53 mm(0.375英寸),外管壁厚分別為11.13(0.438英寸)、14.33(0.564英寸)、15.88 mm(0.625英寸)時,管內(nèi)最大VonMises應(yīng)力值如圖5?？梢钥闯?最大應(yīng)力隨內(nèi)管壁厚的增大而變大,隨外管壁厚的增大而減小。

3) 單層連接管長度分別為0.38、0.76、1.14 m時,最大VonMises應(yīng)力如圖6。可以發(fā)現(xiàn),單接管長度越長,管道內(nèi)最大VonMises應(yīng)力越小。因此適當(dāng)增加單接管的長度有助于減小管內(nèi)最大應(yīng)力。

圖4 不同變徑管斜度對應(yīng)的最大VonMises應(yīng)力

圖5 不同徑厚比對應(yīng)的最大VonMises應(yīng)力

圖6 不同單接管長度對應(yīng)的最大VonMises應(yīng)力

4 結(jié)論

1) 從理論上推導(dǎo)出了外管、內(nèi)管和單層連接管上溫度分布計算公式,計算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較接近。

2) 單層連接管內(nèi)的溫度應(yīng)力較大,內(nèi)管次之,外管應(yīng)力最小。最大VonMises應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫附近,且隨著內(nèi)管溫度的增加而變大,二者基本成線性關(guān)系。

3) 內(nèi)管壁厚越大、外管壁厚越小或者單接管長度越短,最大VonMises應(yīng)力越大。變徑管斜度不同時,最大VonMises應(yīng)力略有差別,斜度為4°時應(yīng)力最小。

[1] Dixon M.Analysis methods for pipe-in-pipe systems [C].London:Offshore pipelines conference,1996: 1-15.

[2] 閆澍旺,肖智旺,田英輝.單重保溫管海底管線在鋪設(shè)狀態(tài)的層間剪力分析[J].海洋技術(shù),2005,24(2): 89-92.

[3] 黨學(xué)博,龔順風(fēng),金偉良,等.雙層管單層連接管道結(jié)構(gòu)的受力分析[J].海洋工程,2008,26(4):70-76.

[4] Bokaian A.Thermal expansion of pipe-in-pipe systems [J].Marine Structures,2004(17):475-500.

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[7] 張宗峰,袁 姍,張立平.隔水管快速接頭有限元分析[J].石油礦場機械,2009,38(6):42-44.

[8] 謝麗婉,陳國明,鞠少棟,等.基于管土耦合的海底管跨渦激疲勞分析程序[J].石油礦場機械,2011,40(2): 1-4.

Temperature Stress Analysis of Double-walled Pipe with Single-walled Connection

DAN G Xue-bo,LI Huai-yin,MA Hua-wei
(Petroleum Ex ploration and Production Research Institute of Sinopec,Beijing100083,China)

For the purpose of improving efficiency of pipe-laying,double-walled pipe with singlewalled connection structure is presented.Temperature distribution of such pipe in normal service is investigated in theory.The analytic solution agrees very well with numerical results.Then the finite element method(FEM)is adopted to simulate the temperature stress near the connection segment of pipeline.It is found from the numerical solutions that maximal VonMises stress appears in the weld between inner and tapered pipe.The maximal VonMises stress increases as the wall thickness and temperature of inner pipe increase or the length of single-walled-connection pipe decreases.The research is helpful for the design of double-walled pipe with single-walled connection structure.

submarine pipeline;double-walled pipe with single-walled connection;temperature distribution;stress

1001-3482(2011)07-0001-04

TE973.1

A

2011-01-14

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2006AA09A105-1)

黨學(xué)博(1982-),男,河北邯鄲人,工程師,博士,2010年畢業(yè)于浙江大學(xué)土木系,目前從事海底管道方面的研究,E-mail:dangxb@pepris.com。