基于ANSYS的某一高壓調(diào)壓站管線應(yīng)力分析*

李世龍 姜 亢 白永強(qiáng)

1 首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 2 北京市勞動保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究所

北京冬季，調(diào)壓站地上管線上移，距離有的多達(dá)十厘米，導(dǎo)致燃?xì)夤芫€變形嚴(yán)重，加上調(diào)壓站管線內(nèi)壓強(qiáng)大，一旦管線變形失效破裂，極易引發(fā)爆炸事故。因此對高壓調(diào)壓站管線進(jìn)行力學(xué)分析，對發(fā)現(xiàn)調(diào)壓站的安全隱患，維護(hù)調(diào)壓站的安全運(yùn)營具有重要作用。

國內(nèi)學(xué)者對調(diào)壓站管線的力學(xué)分析研究較少，尤其是對管線受凍脹位移載荷影響下上移的研究就更少。本文主要運(yùn)用ANSYS軟件根據(jù)某一高壓調(diào)壓站管線進(jìn)行建模，模擬管線受力環(huán)境，施加位移載荷，計算管線在上移情況下，各部位的受力狀況，找出管線上應(yīng)力集中區(qū)域和最大應(yīng)力點(diǎn)，為調(diào)壓站的安全管理工作提供技術(shù)依據(jù)。

1 高壓調(diào)壓站管線特點(diǎn)

一是與居民生活和工業(yè)生產(chǎn)關(guān)系密切。北京的天然氣用量很大，每個郊區(qū)縣基本都配有高壓調(diào)壓站。

二是管道壓力大。調(diào)壓站管線內(nèi)壓一般都是幾十個大氣壓，一旦管線破裂發(fā)生泄漏，燃?xì)鈱⒀杆俪錆M有限空間，極易引發(fā)爆炸事故。

三是管線季節(jié)性上移。調(diào)壓站將高壓燃?xì)饨党傻蛪喝細(xì)?，降壓后，燃?xì)鉁囟冉档?，造成管道周圍水分結(jié)冰體積膨脹抬升管道，管線上移。

2 管線模型簡化

由于管線上調(diào)壓閥、變徑管段等處簡化成通徑管后，在位移端受力情況下，對兩端彎頭處應(yīng)力值影響不大（兩端彎頭處為應(yīng)力集中區(qū)域和最大應(yīng)力點(diǎn)位置），且調(diào)壓閥、變徑管段建圖復(fù)雜，因此將管線上部簡化為通徑管段。簡化模型，如圖1。

圖1 管線簡化圖

管線模型簡化后成為簡支梁結(jié)構(gòu)，低壓端端固定，高壓端端受向上位移載荷，等同于抬升管線50～70mm的推力。由于管線采用的是A20號鋼，鋼的彈性模量E=2.06GPa，管線每抬升10mm，外界都要施加很大的推力。所以當(dāng)管線處于抬升50～70mm 時，凍脹對管線的推力已經(jīng)非常巨大，在管線上形成了很大的軸向應(yīng)力、切應(yīng)力和扭矩。而鋼管能夠承受的應(yīng)力是有限的，不能無限施加，當(dāng)施加的應(yīng)力超過了鋼管的許用極限應(yīng)力，那么鋼管就會失效斷裂，造成天然氣泄漏。

3 ANSYS建模分析

有限元分析可以有效的解決結(jié)構(gòu)分析問題。在進(jìn)行調(diào)壓站燃?xì)夤艿懒W(xué)分析時，完全可以利用ANSYS有限元軟件建立起管線完善的有限元模型，分析管道受力狀況，找出管線的安全隱患位置。

（1）選擇單元類型，材料屬性，建立有限元模型，具體參數(shù)，見下表。

表 單元材料屬性

管線模型的直徑為400mm，壁厚為10mm，跨度為6m。

（2）劃分網(wǎng)格和施加約束和載荷。采用meshtool進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)定為0.02，采用四面體進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。

管道高壓端底部截面施加全約束（A l l DOF），低壓端底部施加Z方向位移載荷60mm。另外管線內(nèi)部有2.5MPa的內(nèi)壓，所以在管線內(nèi)部施加2.5MPa的面力。施加載荷和約束情況，如圖2。

（3）計算結(jié)果應(yīng)力分析。應(yīng)力云圖，如圖3。

圖2 模型載荷圖

圖3 模型等效應(yīng)力云圖

通過觀察等效云圖，可以發(fā)現(xiàn)，管線上最大受力點(diǎn)出現(xiàn)在管線固定端（高壓端）彎頭的內(nèi)側(cè)內(nèi)表面，由于高壓端管壁為常溫，20號鋼鋼材的最大許用應(yīng)力為204MPa。對比上面表格中的最大應(yīng)力值，可以發(fā)現(xiàn)，管線的最大應(yīng)力為197MPa，已接近許用應(yīng)力，這時管線已經(jīng)臨近危險狀態(tài)，有必要采取應(yīng)對措施。

模型的應(yīng)力集中區(qū)域均出現(xiàn)在兩個彎頭的內(nèi)側(cè)部位和左右兩邊部位。高壓端應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在彎頭的內(nèi)側(cè)，內(nèi)、外表面均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在其內(nèi)表面；低壓端的應(yīng)力集中部位發(fā)生在彎頭的左右兩側(cè)，且低壓端溫度較低，許用應(yīng)力較大，此集中部位的應(yīng)力值小于最大許用應(yīng)力，低壓端內(nèi)外兩側(cè)應(yīng)力值比較小，所以低壓端彎頭對管線的安全運(yùn)營無影響。

4 結(jié)論

根據(jù)某一高壓調(diào)壓站管線實體的模擬分析，得出以下結(jié)論：管線在受凍脹位移載荷影響下上移時，管線所受應(yīng)力分布不均，管線在位移載荷影響下，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在管道兩端彎頭處，固定端與地面接觸部分的外側(cè)也為應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力最大點(diǎn)即脆弱點(diǎn)在固定端彎頭的內(nèi)側(cè)，也有可能分布在固定端與地面接觸部分的外側(cè)，應(yīng)當(dāng)對這兩個區(qū)域加強(qiáng)預(yù)警監(jiān)測。

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