轴向穿透裂纹管道套管止裂性能分析.pdf

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1、第 3 9 卷第 1 期 2 O】 0年 1月 石油化工设备 PE TRO CHEMI CAL EQUI PMENT Vol _ 3 9 No 1 J a n 2 0 1 0 文章编号 ：1 0 0 0 7 4 6 6 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 3 2 0 4 轴 向穿透裂纹管道套管止裂性能分析 喻健 良，李 一 丁 秦 磊 ，董 硕 ( 大连理工大学 化 工过程机械学院 ，辽宁大连 1 1 6 0 2 3 ) 摘 要 ：管道缺 陷严 重影 响 着管道 的安全 使 用 ， 而缺 陷管道 修 复 中最 常见 的 方 法是套 管修 复 。对轴 向 穿透 裂纹 管道 裂纹 区域 内套管

2、 止 裂方 法进 行 了分析 ， 利 用有 限元 分 析 方 法 ， 通过 止 裂 系数 厂衡 量套管的止裂效果 ， 并对其影响因素进行 了研 究。结果表 明， 厂与管道壁厚 、 裂纹半长 a 、 套管位 置 L 、 套 管壁厚 及 套管 长度 L。 有 关 ， 与 裂纹 管道 的管径 D 无 关 。 同时给 出了不 同形 式 下套 管 修复裂纹管道的推荐参数以及止裂 系数 厂的拟合公式。 关 键词 ：压力管道；套管；有限元分析；轴向穿透裂纹；止裂系数 中图分 类号 ：TE 9 7 3 文献标 志码 ：A An a l y s i s o n Cr a c k Ar r e s t Pe r

3、f o r m a nc e o f Ax i a l Th r o u g h wa l l Cr a c k Pi pe Re p a i r e d b y S l e e v e YU J i a n l i a n g ，LI Ni n g ，QI N L e i ，DONG S h u o ( Ch e mi c a l Pr o c e s s Ma c h i n e r y，Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，Da l i a n 1 1 6 0 2 3 ，Ch i n a ) Abs t r a c t

4、：Pi pe l i ne de f e c t s s e r i ous l y a f f e c t t he us i ng o f pi pe l i ne s a f e l y， t he s l e e v e r e pa i r i s t he mo s t c ommon me t ho d f o r t he pi p e l i n e d e f e c t s r e pa i r Ana l y s i s f o r s l e e v e r e pa i r t e c hno l o gy t o a n a x i a l t h r o ug

5、hwa l l c r a c k pi p e wi t hi n c r a c k a r e a wa s p r e s e nt e d by us i n g f i ni t e e l e me nt me t h od Th r o u g h t h e c r a c k a r r e s t c o e f f i c i e n t ， t h e c r a c k a r r e s t e f f e c t wa s e v a l u a t e d F a c t o r s wh i c h a f f e c t e d t h e c r a c

6、 k a r r e s t c o e f f i c i e n t f we r e s t u d i e d Th e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t_厂h a d a r e l a t i o n wi t h wa l l t h i c kne s s o f pi pe ， c r a c k h a l f l e ng t h a， l o c a t i on o f s l e e v e L ， wa l l t hi c kne s s of s l e e ve 。 ， l e n gt h of s l e e

7、 v e L， a n d f wa s i n s i g n i f i c a n t e f f e c t wi t h d i a me t e r o f p i p e D。 Re c o mme n d e d p a r a me t e r s o f s l e e v e i n d i f f e r e n t f o r ms we r e g i v e n， a n d t h e e x p r e s s i o n s o f t h e c r a c k a r r e s t c o e f f i c i e n t f we r e f i

8、t t e d K e y wo r ds： p r e s s u r e p i p e； s l e e ve ； f i ni t e e l e m e nt a na l y s i s； a xi a l t h r o ug hwa l l c r a c k； c r a c k a r r e s t c oe f f i C j e nt 流体 输 送管道 在 服 役 过 程 中会 因腐 蚀 、 机 械 损 伤等原因产生缺陷， 这些缺陷的存在与发展将会降 低 管道 运行 的安 全 性 。针 对 含 缺 陷 旧管 道 的 修 复 ， 目前已经开发出多种方法 ， 其中， 焊接

9、补疤 、 作套袖 或更换管 段 等传 统 的修 复补 强 方法 使 用 十分 普 遍 。套 管修 复 作 为 一 种 常 见 的修 复方 式 ， 在 工 程实际中大量应用 ， 但对其修复效果的理论分析较 少 ， 对其 影 响 因素 的研 究也很 少 。 很 多管 道 缺 陷可 以规则 化 为 穿透 裂 纹 ， 其表 征 尺 寸为穿 透裂 纹长 度 2 。 ， 轴 向穿 透裂 纹是 承 受 内压 管道比较危险的一种缺陷形式 。文献 6 对轴 向 穿透裂纹管道采用加强筋止裂的性能进行 了研究 ， 但 在现有 的研 究 中 ， 对其 进 行 套 管 止裂 的理 论分 析 不多。为此 ， 文中采用有限

10、元分析方法 ， 对裂纹区域 内套管修复轴 向穿透裂纹的止裂性能及其影响因素 进行 了分 析 。 收稿 日期 ：2 0 0 9 0 7 2 8 作者简介 ：喻健 良( 1 9 6 3) ， 男 ， 湖南益 阳人 ， 教授 ， 顾士 ， 主要从事 压力容器 安全 及燃烧爆 炸抑 制工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 1期 喻健 良 ， 等 ： 轴 向穿 透裂纹管道套管止裂性能分析 1 有限元模拟方法 1 1 有限元模型的建立 裂纹区域内套管轴向穿透裂纹管道几何模型见 图 1 。套管采用对称布置 ， 裂纹管道受 内压 载荷作 用 ， 仅 仅考 虑线 弹性状 态

11、 ， 选用 断裂参 量 为应 力强 度 因子 K。止 裂 系数 厂是 衡 量 套 管 止 裂 效 果 的 物 理 量 ， 定 义为含 套管 裂纹 管道 的 应力 强 度 因子 K 与 不 含 套管 的应力 强度 因子 K。的 比值 。各 参 量 含 义 如 下 ， a为穿透 裂 纹 半 长 ， 为 裂 纹 管 道 壁 厚 ， D。为 裂纹 管道 外径 ， L 为裂 纹 中心 到 套 管 的距 离 ， L 为 套 管长度 ， 为套 管壁 厚 ， mm。 有 限元 分 析 软 件 选 用 ANS YS ， 裂 纹 尖 端 采 用 S O L I D 9 5退 化 奇异 单元 ， 外 围采 用 S

12、OI I D4 5单 元 。 套管 与裂 纹管道 紧 密贴合 ， 保 持变 形一 致 ， 耦 合 套管 侧边与裂纹管道接触的节点， 使其具有相 同的 自由 度 。 由于 几何模 型 和载荷 对称 ， 仅 建 1 4模 型 ， 在边 界施加对称边界条件 。采用 ANS Ys自带的模块求 解应力 强度 因子 值 。 J r f l I I 口 J 一 L g 图 1 套 管 裂 纹 管 道 几 何 模 型 1 2 有限元模型的验证 建 立 穿 透裂 纹 管 道模 型 ， 计 算 内压 作 用下 不 同 管径 、 不 同壁厚 、 不 同裂纹 长度 的穿 透裂 纹管 道 的应 力强度 因子 K值并与文

13、献E s 理论公式计算值进行 比较 ， 结 果 见表 1 。 表 1应 力 强 度 因 子 K值 结 果 比较P am 由表 1可 知 ， 利 用 ANS YS计 算 得 到 的数 值 与 理论值非常接近 ， 说 明了用有限元方法模拟穿透裂 纹是可 行 的 。 2 套管止裂 性能分析 选取输送 流体 用 03 2 5 mm8 mm 裂 纹管 道 为 研 究对象 ， 裂 纹长度 6 5 mm， 内压 p 一1 6 MP a 。利 用 ANS YS的 AP D L语 言 ， 以套管 位 置 ， J “ 、 套 管 长 度 比 L 。 、 套管壁厚 比 、 裂纹长霞比 a D 。和管道 厚径比 D。

14、 为参数 ， 对止裂 系数 ，进行 了计算和分 析 。套管裂 纹模型 见 图 2 。 裂 纹尖 端位 置套 管结 构 比 较 复杂 ， 不在本 文讨论范 围之 内 ， 根据 图 2 b有 限元模 型 几何条件 ， 有 L a +L “ O 7 5 。 一 ( a ) L a = O ( b ) L x a = O 2 8 图 2 套 管裂纹模型示 圈 2 1 套 管位 置 L n对 影 响 选套 管长 度 比 L a = 0 1 2 5 ， 裂 纹 长度 “ D。 一 0 2为基本参数 ， 在不 同的 a、 L “条件下 的 计 算值 见 表 2 ， 变化关 系 见 图 3 。 表 2 套 管

15、长度一定时止裂 系数 ，值 _ 02 o 4 0 6 0 8 1 o 1 2 1 5 7 L a 图 3 套管长度 定时止裂系数 l厂与L n关 系 由图 3可 看 出， _厂值 随 L n增 大而 变化 ， 当 L n在 0 1 2 5 0 2 5时， 厂有极小值 ， 当 L a0 5 后 ， _厂明显增大。即当厚度 比相同时， 在套管长度较 小的条件下 ， 套管位置靠近裂纹中心时止裂效果好 于靠近裂纹尖端 ， 其最佳位置位于 L n 一0 2 处 ， 且 5 3 4 0 3 2 2 3 6 2 2 5 2 9 4 9 5 1 7 4 9 8 7 7 7 6 6 5 0 O O 0 0 O

16、0 5 5 7 5 2 8 5 7 2 O 2 8 7 8 6 2 8 4 0 7 3 7 7 6 6 6 5 5 O 0 0 O O O 0 2 l 5 7】3 O 3 0 O 4 3 5 0 2 8 4 0 7 4 1 7 6 6 6 5 5 5 O O O 0 O O 0 4 4 3 7 5 2 5 2 0 2 8 9 4 2 O 6 2 8 5 3 0 7 6 6一b 5 5 5 O O O O O O O 5 8 4 4 3 2 8 9 6 9 7 O 7 8 9 5 l 8 6 3 0 6 6 6 5 5 5 5 O 0 O O O O 0 3 8 O 4 7 O 1 6 1 5

17、4 8 7 0 1 7 3 O 7 5 3 7 6 6 6 5 5 5 O 0 O O O 0 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m3 4 石油化工设备 2 0 1 0年第 3 9卷 随着套管厚度 比 的增大， 值减小 ， 套 管壁厚 越大 ， 止裂 效果越 好 。 固定套管厚度 比， 取 一0 4 ， a D。 一0 2 ， 计 算在 不 同 的套 管 长度 L a 、 套 管 位 置 L 条 件 下 -厂的值 ， 计算结果见表 3 。 表 3套 管 壁 厚 一 定 时 止 裂 系数 厂值 L a L。 4 0 0 1 2 5 0 25 0 3 7 5 0 5

18、0 6 2 5 0 1 2 5 0 6 7 1 8 0 6 5 6 8 0 6 6 0 4 0 6 8 0 1 0 7 2 2 5 0 7 9 6 3 0 2 5 0 0 5 8 9 2 0 5 8 0 9 0 5 8 7 2 0 6 1 0 7 0 6 5 9 9 0 3 7 5 0 5 3 4 0 0 5 2 9 3 0 5 3 9 2 0 5 6 8 7 0 5 0 0 0 4 9 2 8 0 4 9 l 6 0 5 0 7 0 一 一 一 一 0 6 2 5 0 4 6 1 1 0 46 4 8 一 一 一 0 7 5 0 0 4 3 7 4 由表 3可 看 出 ， 相 同 的 L n

19、条 件 下 ， 厂随 着 L n的增 大而 减 小 ， 即 在 套 管 厚 度 相 同的 情 况 下 ， 对于相同的套管起始位置 ， 套管长度越长 ， 止裂效果 越好 ， 但止裂系数的变化率逐渐减小 ， 厂趋于稳定 。 综合上述两部分 ， 对于长裂纹 ， 需要采用如图 1 所示的结构， 将长度较短的套管对称施加在裂纹 区 域进 行止 裂时 ， 套管 的起 始 位 置位 于 距 离 裂纹 中心 1 5 裂 纹 半 长 时 能 够 获 得 最 佳 的 止 裂 效 果 ， 亦 即 L a 一0 2 处 。套管厚度越厚， 长度越长 ， 止裂效果 越好 ， 但 厚度 和长 度增 加 带 来 的 止裂 效

20、 果 是 逐渐 减 小并趋于稳定的 ， 实际套管修复操作 中需要综合考 虑 成本 、 施工 等 因素 的影 响 。 2 2 长度比 L 。 a对 ，的影响 在实际套管修复中， 运用较多的形式是包覆裂 纹 中心 的套管 结构 ， 即 L 一0的结构 ， 如 图 2 a所示 。 文 中以 L 一0 ， D。 一 3 2 5 mlT l ， 一 8 i n m， a 一6 5 i T l m 为基本 参数 ， 计 算 不 同壁 厚 比 条 件 下 ， 长 度 比 L 口对 厂 的影 响 ， 计算 结果见 图 4 。 L a 图 4 不同壁厚条件下止裂系数 厂与套管长度 比 L 。 n关系 由图 4可

21、 知 ， 止 裂系 数 _ 厂随着 长度 比L n的增 加而减小 ， 套管越长 ， 止裂效果越好 ， 即采用全套管 包 覆裂 纹 区域 的止 裂效 果好 于部 分套管 修复 。 2 3 壁厚比 对 _ 厂的影响 止裂 系数 与壁厚 比 的关 系见 图 5 。 由图 5可知 ， 止裂系数 _厂随着套管壁厚 比 的增加而不断减小 ， 两者成对数关 系， 套管壁厚越 厚 ， 止裂 效果 越好 。在 实际应 用 中 ， 从简 便应用 的角 度 考虑 ， 推荐 采用壁 厚 比 一1的 套管 形 式 ， 即采 用 等壁 厚修 复 。 图 5不同套管长度下止裂系数 f 与壁厚 比 占 关系 2 4 裂纹管径

22、 D。 对 厂的影响 采用等 壁厚 全套 管结 构修 复裂纹 管道 能获得 良 好 的止裂效 果 ， 在参数 L a 一0 7 5 ， 。 一1 0 ， L 一 0条件下 ， 保 持 裂 纹 管 道 厚径 比 D。 不 变 ， 计 算 不 同管 径 D。 和不 同裂纹 长度 a D。下 的止裂 系 数 -厂 ， 结果 见表 4 。 表 4 D。 、 a D 。变化 时 厂值 2 1 9 0 3 7 8 5 1 0 2 8 5 5 7 0 2 2 8 7 4 0 1 8 8 5 3 0 1 6 6 2 1 0 1 4 6 0 0 2 7 3 0 3 7 9 0 0 0 2 8 5 8 9 0 2

23、 2 8 9 3 0 1 9 1 5 9 0 1 6 5 5 3 0 1 4 6 3 8 3 2 5 0 3 7 9 3 3 0 2 8 6 1 1 0 2 2 9 0 7 0 1 9 1 6 8 0 1 6 5 6 0 0 1 4 6 4 2 3 5 6 0 3 7 9 4 6 0 2 8 6 2 0 0 2 2 8 4 0 0 1 9 1 7 2 0 1 6 5 6 2 0 1 4 6 4 4 4 0 6 0 3 7 9 6 2 0 2 8 6 3 0 0 2 2 4 8 2 0 1 8 9 3 1 0 1 6 5 6 5 0 1 4 6 4 6 最 大 0 2 9 0 2 6 l _ 8

24、 9 1 6 9 0 4 1 0 3 2 偏差 由表 4可知 ， 止裂系数 _厂受 D。 变化 的影响最 大为 1 8 9 ， 说 明管径对 止裂 系数 的影 响可 以忽 略， 采用 D 。 一3 2 5 mI i 1 获得的结论具有普遍意义 。 与 a D。 成 指 数 关 系 ， 随 着 n D。的增 大 而减 小 ， 且趋于稳定 ， 即在管道壁厚与管径一定的条件下 ， 裂 纹越长， 采用全套管修复的效果越好。 2 5 厂的计算方法 固定参 数 L。 a 一0 7 5 、 一1 、 L 一0不变 ， 取 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 3 9卷第 1期 2

25、 0 1 0年 1月 石油化工设备 PETR0一 CHE M I C AL EQUI PMENT 文 章 编 号 ：1 0 0 0 7 4 6 6 ( 2 0 1 0 ) O 1 0 0 3 5 0 4 液化石油气储 罐 的可靠性分析 肖 冰 ，江 楠 ( 华南理工 大学 机械 与汽车工程学 院，广 东 广州 5 1 0 6 4 0 ) 摘要：研 究了采取统计试验法对液化石油气储罐进行可靠性分析的基本原理， 并结合 可视化程序 设计 语 言 VB编制钢 瓶 可靠性 分析 程序 ， 实现 了对 液 化 石 油 气储 罐 进行 定量 评 价 并预 测 储罐 实际 D。 一3 2 5 mm， 计算

26、不 问的厚 径 比 a D。 及 裂纹 长 度 n D。 条件 下 的止裂 系数 ， 其关 系 曲线见 图 6 。 图 6 裂 纹 管 道 参 数 对 止 裂 系数 的影 响 由图 6可知 ， 止 裂 系数 -厂随 着壁 厚 的减 小 而 减 小 ， 随着裂 纹长度 的增 大 而减小 ， 即采 用 上述参 数进 行套管止裂修复时， 壁厚较薄 、 裂纹长度较长的管道 能够获得 更好 的止 裂效 果 。 对 穿 透裂 纹 管道 采 用 套 管修 复 法 止裂 ， 在上 述 条 件下 的止裂 系数 - 厂可 由下 式计算 得 出 ： 一( 1 2 56 7 D o+ 0 O 2 5 ) ( ) (

27、1 ) 其 中 B = 1 8 3 e s ( ) 一 s 2 0 ( ) 。 + 5 3 5 6 e ( ) 2 8 3 1 ( o ) _ o e 3 公 式 ( 1 ) 的 适 用 范 围 为 0 0 2 8 D。 0 1 、 0 1 a D。 0 6 。 3 结 语 采用 有 限元 分 析方法 ， 对 套管 止裂 性能 进行 了 + +一+ - 4 -”+”- 4-”+”+“+ ” + 分 析计 算 ， 并 以止裂 参 数 _厂作 为衡 量 套 管止 裂 效 果 的物理 量进 行讨 论 ， 对 于 2 种 不 同 的套 管形 式 ， 给 出 了各 自的推 荐条 件 。 ( 1 ) 对

28、于长度 较 长 的裂 纹 ， 可 以采用 靠近 裂纹 中 心 位置对 称施 加 套 管 法 改 善管 道 性 能 ， 套 管 的 起 始 位 置位 于距 离裂纹 中心 5裂 纹半 长时 能够 获得 最 佳的止裂效果 ， 套管厚度与 长度越大 ， 止裂性能越 好， 实际操作需要考虑成本、 施工等因素。 ( 2 ) 对 于包 覆裂 纹 中心 的全 套管结 构 ， 推荐 采用 与裂 纹管 道 等 壁 厚 套 管 完 全 包 覆 裂 纹 区域 进 行 止 裂。在推荐条件下 ， 止裂参数与裂纹管道管径无关 ， 与裂纹 管 道壁厚 和 裂 纹 长度 有 关 ， 其 值 可 以用 -厂拟 合 公式 进行 计

29、算 。 参考文 献： 1 白真权 ， 王献垄 ， 孔杰 含缺陷管道补强修 复技术发展及应用 现状分析 J 石油矿场机械 ， 2 0 0 4 ， 3 3 ( 1 ) ： 4 1 4 3 C 2 陈秀玲 ， 陈亚伟 石 油埋地 旧管道 修复技术 刀 管道技术 与设 备 ， 1 9 9 9 ， 3 ： 2 6 3 0 3 J o h n F Ki e f n e r C o mp o s i t e R e i n f o r c e me n t S l e e v e s S p e e d P i p e l i n e Re p a i r s J P i p e l i n e Di g

30、e s t ， 1 9 9 5 ， 1 ( 6 ) ： 6 7 4 陈艳芳 ， 李 国胜 ， 张红兵 ， 等 管道 修复技术 在 中原油 田的研究 与应用l J 管道技术 与设备 ， 2 0 0 3 ， 3 ： 2 8 3 O 5 GB T 1 9 6 2 4 2 0 0 4 ， 在用含缺陷压力容器安全评定I s 6 闫兴清 加强筋止裂性能研究及管件极限载荷计 算 D 大连 ： 大连理工大学化工学院 ， 2 0 0 8 E 7 喻健 良， 闫兴清 加强筋对 含裂纹 平板 的止裂性能研 究 J 石 油化 工设备 ， 2 0 0 8 ， 3 7 ( 5 ) ： 1 2 - 1 6 r 8 El e

31、 c t r i c Po we r Re s e a r c h I n s t i t ut e Du c t i l e Fr a c t ur e Ha n d b oo k ( Vo 1 2 ) M C a l i f o r n i a ： R e a e a r c h R e p o r t s C e n t e r P r e s s ， 1 9 9 0 ( 许编 ) 收稿 日期 ：2 0 0 9 0 7 2 8 作者简介 ：肖 冰( 1 9 8 4 一 ) ， 女 ， 福建 南平 人 ， 硕士研究 生 ， 主要从事油气储运工程加 注技 术与装备工作 。 O 1 O O N 2 O V O 9 8 7 6 5 4 3 2 1 L n n n n n n n n n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m