考虑基础沉降的油气输送管道数值模拟分析.pdf

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1、研究与分析 2 0 1 5 年 第4 期( 第2 8 卷， 总 第1 3 8 期 ) 机械研究 与应用 考虑基础沉降的油气输送管道数值模拟分析 刘金梅 ， 邵 ( 1 东北石油大 学 机械 科学与工程 学院， 黑龙 江 大庆 婷 ， 张国威 ， 周国强 1 6 3 3 1 8 ； 2 大庆化工有限公司轻烃分公 司， 黑龙江 大庆1 6 3 3 1 8 ) 摘要 ： 为确保整套 系统 的安全 运行 ， 以某输 气管道 为研 究对 象进行 三维数值模 拟方 法的研 究。依据 经典力 学理 论 ， 分析 了在均匀内压作用下管道的应力特征 ， 总结对比了管道的失效准则。在此基础上建立了管道的三维数值模

2、型， 考虑基础沉降的影响对管道变形与力学状态进行 了数值模拟 ， 分析并得到管道应力随基础沉降量的变化规律。结果 表明： 应用该方法可以比较真实地模拟出管道的应力和变形分布规律， 确定管道基础沉降的敏感位置和沉降临界值， 为管道的现场施工、 实时监测和安全性分析提供有价值的参考意见。 关键 词 ： 油气输送 ； 管道 ； 失效准则 ； 数值模拟 ； 基础沉降 中图分类号： T P 2 7 7 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 7 4 4 1 4 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 0 6 0 3 Nume r i c a l S i mul a t i O n O f oi l a

3、 n d Ga s Tr a ns m i s s i o n Pi p e l i ne unde r Fo un da t i o n S e t t l e m e nt L I U J i n - me i ，S HAO T i n g ，Z HANG Gu o we i ，Z HOU G u o - q i a n g ( J Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n iv e r s i t

4、y ， D a q i n g H e i l o n g j i a n g 1 6 3 3 1 8 ，C h i n a ； 2 L i g h t H y d r o c a r b o n B r a nch C o m p a n y o fD a q i n g C h e m i c a l C o ， L t d ， D a q i n g H e i l o n g j i a n g 1 6 3 3 1 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T o e n s u r e t h e s a f e o p e r a t i o n o f t

5、h e e n t i r e s y s t e m ，r e s e a r c h o n 3 D n u me r i c a l s i mu l a t i o n of a g a s p i p e l i n e i s c a r r i e d o u t i n t h i s a r t i c l e Ac c o r d i n g t o t h e c l a s s i c a l me c h a n i c s t h e o r y ，t h e s t r e s s c h a r a c t e ri s t i c o f p i p e l

6、i n e u n d e r u n i f o r m i n t e r n a l p r e s s u r e i s a n a l y z e d，a n d t h e f a i l u r e c r i t e r i o n o f p i p e l i n e i s s u mma ri z e d a n d c o mp a r e d On t h i s b a s i s ， 3 D n u me ri c a l mo d e l i s e s t a b l i s h e d，a n d t h e d e f o r ma t i o n a

7、 n d me c h a n i c s s t a t e o f p i p e l i n e u n d e r f o u n d a t i o n s e t t l e me n t are s i mu l a t e d T h e c h a n g e r u l e o f s t r e s s v a ryi n g w i t hu n d a t i o n s e t t l e me n t i s t h e n o b t a i n e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p i p e l i n

8、 e s t r e s s a n d d e f o rm a t i o n d i s t r i b u t i o n a r e r e a l l y s i mu l a t e d，t h e n t h e s e n s i t i v e p o s i t i o n a n d c ri t i c a l v a l u e o f t h e f o u n d a t i o n s e t t l e me n t of p i p e l i n e a r e d e t e rm i n e d Th u s i t c o u l d p r o

9、v i d e v a l u a b l e r e f e r e n c e o p i n i o n s f o r s i t e c o n s t r u c t i o n，r e a l - t i me mo n i t o rin g a n d s afe t y a n aly s i s o f p i p e l i n e Ke y wo r d s ：o i l a n d g a s t r a n s mi s s i o n；p i p e l i n e ；f a i l u r e c ri t e r i o n；n u me ri c a l

10、s i mu l a t i o n；f o u n d a t i o n s e t t l e me n t O 引 言 输气管道作为一种特殊的运载工具 ， 输送的介质 通 常易燃 、 易爆或具有毒性 ， 并 常常伴有高温高压 ， 一 旦发生意外事故 ， 将可能引起燃烧、 爆炸、 环境污染等 恶性后果。同时 由于受到工 程实际 、 地质条件 的限 制 ， 许多管道敷设在软土地基上 ， 而软土地基承载力 低 ， 承载后变形较大， 容易致使敷设在其上的管道由 于沉降而遭到破坏 J 。为保障整套 系统 的安 全运 行 ， 研究油气输送管道在基础沉降下 的结构性 能， 在 事故可能发生前给出安全

11、预警是十分必要 的 。 以某输气管道为研究对象， 借助数值分析的方法 建立管道三维模型来研究基础沉降下 管道 的结构性 能 ， 旨在为今后的管道施工、 检测和安全性分析提供 参考。 1 管道应力分析 1 1 基本假设 在进行管道应力分析时 ， 忽略管道材料的物理特 质和构成等细微的影响， 作如下假设 ： ( 1 )管道物质结构是连续 的， 即假设管道内部完 全 由连续的介质充满 ， 没有间隙 ， 则应力 、 应变 、 位移 等在管道内的分布也视为连续 。 ( 2 )管道的物质结构是均匀且各向同性的， 即整 体管道是由相同材料构成 ， 介质的物理特质如弹性模 量 、 泊松比等为常数。 ( 3 )

12、管道在弹性变形范围内是完全 弹性 ， 即作用 于管道 的外力撤去之后 ， 物体能够完全恢复到原来的 形状而且没有任何的变形残余 。 ( 4 )管道 内没有原始 的应力。管道在外加荷载 或者温度作用之前 ， 是处于 自然状态。 ( 5 )管道的位移 和变形是微小的。即在外力作 用下 ， 管道 由于变形 而引起 的各点位移 ， 远远小于物 体 自身的尺寸， 因此在建立受力作用 的平衡方程 时 ， 可以不考虑管道的尺寸变化 。 ( 6)管道 内的流体 流动是定 常流 动 的。 即管 道 内流 体 是 不 可 压 缩 流 体 ， 且 流 动 参 数 与 时 间 无 关 收稿 日期 ： 2 0 1 5

13、0 6 1 9 基 金项目 ： 中国石油科技创新基金 ( 编号 ： 2 0 1 3 D一 5 0 0 6 0 6 0 4 ) 黑龙江省 自然科学基金 ( 编号 ： E 2 0 1 4 0 8 ) 联合资助。 作者简介 ： 刘金梅 ( 1 9 7 5 一 ) ， 女 ， 黑龙江安达人 ， 博士 ， 副教授 ， 硕士研究生导师 ， 主要从 事油气 田地面工程方面的工作 。 6 杌械研究与应用 2 0 1 5 年 第4 期( 第2 8 卷， 总 第1 3 8 期) 研究与分析 1 2应力分析 基于经典理论 ， 管道在均匀 内压的作用下 ， 管 壁将产生三个应力分量 ， 即 ： 轴 向应力 、 周向应

14、力和径 向应力 ， 具体分析时截取其 中一扇形六面体微元 ， 如 图 l所示 。 图 1 三维管道单元 ( 1 )轴 向应力是作用于平行管子轴线的正应力 ， 其 中包括 ： 由作用 于管道的轴力引起 的轴 向应力 ； 由作用于管道的内压引起的轴向应力； 由管道弯 曲引起的轴 向应力 ， 简称弯曲应力。弯曲应力在管道 中轴线上为零 ， 从顶面线受最大压应力沿截面线性变 化到底面线受最大拉应力 。弯曲应 力与管道截面 到 中性轴的距离成线性 比例。 轴 向应力计算公式如式 ( 1 ) ： FA xP R0 M ， 1 、 z + + ll 式 中： 是轴 向应 力 ； F 是界 面上 的内力 ；

15、A 是管 壁截面面积 ； P是 内压 ； R 。是管道外半径 ； R 是管道 内半径 ； 是作用在截面上 的弯矩 ； Z是管道抗弯截 面系数 。 ( 2 )周向应力 由内压引起 ， 方 向是垂直于管道轴 向且平行于管壁圆周切线。计算公式如式( 2 ) 。 P R 0 ( 2 ) 式 中： 盯 。 是周向应力 。 ( 3 )径 向应力 由内压 引起 ， 方 向与管道 半径平 行 。径 向应力的变化范 围从等于管道 内壁表 面上 的 内压到等于管子外壁表 面上的大气压之 间。计算公 式如式 ( 3 ) 。 P i ( + T 2 ) l + 一J ( 3 ) 式 中： or 是径向应力 ； K是管

16、道内外径之 比； r 是管道 计算点 的径 向半径。 2 管道失效准则 管道在三 向应力作用下 ， 径 向应力远小于其它两 个方向的应力， 因此管道的失效主要表现为屈服， 采 用 T r e s c a理 论 和 y o n Mi s e s理 论进 行 校 核是 合 适 的 。 2 1 T r e s c a屈服 理论 T r e s c a屈服理论即最大剪应力理论 ， 假设材料的 破坏和失效取决于最大剪应力 ， 如式( 4 ) ： d=or 一 i 【 】 ( 4) 式 中： 是等效应力 O m a 是 为材料 中某点 ( 某处 ) 最 大主应力 ； or i 是最小主应力 ； 为材料许用

17、应力。 2 2 v o n Mi s e s屈服理论 v o n Mi s e s 屈服理论 即变形 能理论 ， 该理论认 为 形状改变比能是引起屈服破坏的主要 因素， 不论材料 处于什么应力状态， 只要形状改变比能达到单向拉伸 屈服时的形状改变 比能 ， 材料就会产生屈服破坏 ， 材 料 的破坏取决于应力与应变的综合 ， 如式 ( 5 ) ： ( 1 一 2 ) +( 2 一 3 ) +( 3 一 1 ) Or d 一 【 ( 5 ) 式 中： 、 、 ， 分别为第一 、 第二、 第三主应力 。 3 管道的数值模拟分析 以某干气压缩机进口 输气管道为例进行分析。 3 1 管道结构参数 管道外

18、径 0 4 5 7 m， 内径 0 4 3 2 m， 壁厚 0 0 1 2 5 m， 管道设计参数如表 1所列。 表 1 管道设计参数 根据上述参数 ， 不考虑动载荷和由温差引起 的热 载荷 ， 管道所受 的静载荷主要包括 重力载荷、 由管道 内外压力不平衡引起的压力载荷和 由基础沉降引起 的沉降载荷 ， 其 中压力载荷是引起管道形变的主要 因 素。所采用的材质为 2 0 # 无缝钢管 ， 其弹性模量为 2 06x1 0”Pa，泊松 比为 0 3 ， 材料密度为 7 8 3 0 k g m 。 2 0 # 钢的材料性能如表 2所列。 表 2 Z 0 # f 在 不同温度下的许用应力 3 2 管

19、道数值模型的建立 考虑到分析精度 、 管道的结构特点 ， 数值分析时 采用 S o l i d 4 5空间六面体单元。S o l i d 4 5单元用于构 造三维结构 ， 单元通过 8个节点来定义 ， 每个节点有 7 研究与分析 2 0 1 5 年 第4 期( 第2 8 卷， 总 第1 3 8 期) 杌械 研究 与应 用 沿着 x y z 方 向平移的 3个 自由度 ， 单元 由 8个节点和 各 向同性的材料参数来定义 。 采用映射网格划分方法按照外疏 内密的原则划 分网格m ， 该管道模型共划分 1 2 5 2 8个节点 ， 6 1 9 2 个单元 。所建立 的管道有 限元模型如图 2所示。

20、 图 2 管道有限元模型 3 3 管道在内压作用下的数值模拟 首先不考虑基础沉降 ， 对管道在重力和内压共 同 作用进行数值模拟 ， 分析结果 如图 3所示 。分析知 ： 最大位移 出现在管道 直管 中间部位处 ， 最大位 移为 0 6 7 8 m m； 最大等效应力出现在管道下部弯 曲处 ， 最 大应力为 9 1 1 MP a 。经校核 ， 管道是安全 的。 ( a ) 位移云图 ( b ) 应力云 图 图3 管道数值分析云图 3 4 管道在基础沉降下的数值模拟 根据现场情况 和实际受力 特点 ， 管道 的位置 A 通过法兰在地面上与另一管道相连 ， 假设其环面为刚 性 区域 ； 位置 A和

21、 B处通过支墩支撑在地面上 ， 地基 沉降将致位置 A和 B发生位移沉降； 位置 C通过法 兰与机器刚性连接 ， 假设其无沉降 ， 刚体位移和转动 均为零 ， 其沉降模拟示意图如图4所示。 具体分析时模拟以下两种沉降形式： 工况 1 ： 位置 A无沉降， 位置 B沉降 ； 工况 2 ： 位置 A和位置 B同时沉降。 通过沉降模拟 ， 得到沉降后管道的最大等效应力 8 值如表 3所列 ， 应力随沉 降量变化 曲线如图 5所示。 位 图4 管道沉降模拟示意图 表 3沉降模拟数值分析结果 沉降量 垦 ! ! ! 望笠塾堕 工况 1 工况 2 2 0 0 垒 1 8 0 1 6 0 1 40 斗 1

22、O 0 喇 臣8 0 6 0 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 4 0 嘲8 0 6 0 图5 等效应力随地基沉降量的变化曲线 由图 5可知 ： 沉 降量逐渐加大 ， 管道所 受到的最 大等效应力也会相应变大 ， 当沉降量达 到一定数值 时， 使得管道的最大等效应力最接近且不超过 2 0号 钢 的许用应力 ， 此时的沉降量数值为管道不受破坏的 临界值 。管道对位置 B处 的沉 降 比较敏感 ， 且 当位 置 B沉降到 1 8 5 mm时 ， 管道处于危险临界状态 。 4 结论 ( 1 )采用数值模拟的方法可较精确地模拟出管 道的应力和变形分布规律 ， 确定管道在重力及工作 内 压等静载作

23、用下的薄弱部位， 为现场施工提供参考。 ( 下转第 l 1 页 ) 机械研究 与应用 2 0 1 5 年 第4 期( 第2 8 卷， 总 第1 3 8 期) 研究与分析 驱动。电机驱动控制响应快 ， 驱动效率高 ， 控制精度 易于保证 ， 维护使用方便 ， 成本低廉 ， 但要实现较大动 力的驱动 ， 选取电机的体积会较大 ， 与机构 的灵活轻 巧性要求产生矛盾 ； 液压驱动具有稳定和承受转矩大 的特点 ， 而且人脚摆动落地时与地面之间会产生冲击 力 ， 液压驱动会消除这种振动对人体产生的不 良影响， 这正好符合下肢外骨骼承柔性关节驱动的特点 ， 但液 压驱动有它的缺点 ， 这种驱动方式需要油缸

24、及液压管 路 ， 这就给外骨骼增加 了质量 ， 同时限制了外骨骼行走 时的抬腿高度及下蹲的幅度值 ； 气缸驱动使用安全 ， 容 易达到高速， 工作压力低 ， 介质无污染 ， 制造要求 比液 压元件低 ， 但是空气可压缩 的特点导致其运动速度稳 定性差 ， 位置控制不精准 ； 气动人工肌 肉驱动具有柔 顺 、 功率 质量比大、 在力 长度特性上与人类肌肉类似 等优点 ， 但是人工 肌肉具有高度非线性 ， 伴有迟滞现 象， 使得肌肉建模和高精度控制困难； 凸轮驱动能够实 现特定的步态模式行走运动 ， 极大地简化 了外 骨骼设 计的控制策略 ， 降低 了控制难度和成本但 凸轮驱动不 能根据使用者的步

25、态进行实时调整 。 图 4 关节驱 动示 意图 良好的驱动机构能够减小外骨骼 的重量 ， 提高输 出的稳定性 ， 增加运动 的安全性 ， 减小振动给穿戴者 带来舒适感 。所 以在选择 、 设计驱动机构时 ， 不仅要 求有足够的输出功率来对外骨骼进行加速 、 减速并带 动负载 ， 同时在满足功能 的基础上 既要有较轻 的重 量 ， 较小的体积 ， 又要有良好 的散热性能 ， 以实现可穿 戴式的外骨骼柔性关节系统的要求。 5 结语 康复机器人外骨骼柔性关节舒适性研究本着贯 彻仿生学拟人化 的原则 ， 设计不仅要轻巧 、 穿戴方便 、 操作柔顺， 满足穿戴者舒适和安全的要求， 还要使患 者获得正确行

26、走步态训练 。从机构设计角度来看 ， 太 过于简单的人体运动关节模 型无法满足系统设计的 要求 ， 而过于复杂的人体运动关节结构模型也将成倍 地增加外骨骼结构设计的难度 ， 合理地选择人体运动 关节模型， 以最简洁的结构形式实现所需 的全部功 能 ， 是外骨骼柔性关节舒适设计的基本思想 ， 从生理 学角度合理选择地人机压力接触承受点 、 从仿生学角 度为外骨骼柔性关节设计活动范围， 从拟人化角度科 学地选择关节驱动系统 ， 为下一步柔性关节机构设计 奠定基础。 参考文献 ： 邢学彬 下肢康复柔性关节机器人 的研究 D 沈 阳 ： 沈 阳工业 大学 ， 2 0 1 1 张佳 帆 基于柔性外骨骼人

27、机智能 系统基 础理论及应 用技术研 究 D 杭州 ： 浙江大学 ， 2 0 0 9 王树海 ， 刘西侠 ， 金毅 ， 等 四足步行 机器人稳 定性 分析 J 机 械研究 与应用 ， 2 1 1 2 ( 5 ) ： 1 9 2 1 陈占伏 ， 杨 秀霞 ， 顾 文锦 下肢外 骨骼 机械 结构 的 分析 与设 计 J 计算机仿真 ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 8 ) ： 2 3 8 2 4 1 何旅洋 ， 张志强 ， 郑百林 外骨骼框架 生物力学设计 及强度分 析 J 医用生物学 ， 2 0 1 4 ， 2 9 ( 6 ) ： 5 0 4 5 1 0 刘会 勇， 赵青 下 肢外骨骼助 行机

28、器 人驱动 系统分 析 J 机 床与液压 ， 2 0 1 3( 4 1 ) 3 ： 1 6 8 1 7 1 张峻霞， 杨喜 飞， 王新 亭 ， 等 凸轮在下 肢外骨 骼纸动 中 的应 用 与分析 J 机械设计与制造 ， 2 0 1 2 ( 6 )： 6 8 7 0 一 - | “ | I 一 。 ” | _ 一 -” “ J j I l l 一 - “ 。 l - l 。 l 。 。 | _。 l l | 1 ， | _“ _ l l | _ 。 。 。 -。 - _ ” ! l I 0 ( 上接 第 8页 ) ( 2 )通过模拟几种地基沉降工况 ， 得到管道应力 随地基沉降量的变化关系曲线

29、， 确定管道基础沉降的 敏感位置和沉降临界值 ， 为实时监测提供理论依据 。 参考文献 ： 1 顾军 综述地面沉 降对埋地燃气管道 的影响研究 J 上海煤 气 ， 2 0 1 2 ( 3 )： 3 9 4 2 2 魏东 吼 ， 郑贤斌 油气 长输 管道结 构损 伤检测 与健 康诊 断研究 初探 J 石油工程建设 ， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 4 ) ： 1 - 5 3 童华 ， 祝效 华 ， 练 章华 ， 等 坍 塌和 冲沟作用 下埋 地管道 大变 形分 析 J 石油机械 ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 1 1 ) ： 2 9 3 2 4 张国威， 周国强 ， 刘金 梅 基于热 一

30、结构耦 合 的干气压 缩机 出 口 输气 管道应力分析 J 流体机 械， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 1 2 ) ： 4 3 4 6， l 7 5 张国威 基于地基沉降 的输气 管道应力分 析与监测 D 大庆 ： 东北石油 大学 ， 2 0 1 2 6 唐永 进 压力管道应力分析 M 北京 ： 中国石化 出版社 ， 2 0 0 9 7 G B 5 0 2 5 3 9 4输油管道工程设计规范 s 北京 ： 中国石 油天然 气 总公司 ， 1 9 9 4 8 王树 立， 赵会军 输气管道设计与管理 M 北京 ： 化学工业出版 社 ， 2 0 0 5 9 刘金 梅 ， 张国威 ， 周 国强 荷载作用下 膨胀 压缩机 组用输气管 道 三维数值模拟研究 J 化工机械， 2 0 1 3 ， 4 0 ( 3 ) ： 3 6 5 3 6 8 1 O 尹宝 昌， 白驹 ， 崔 宇佳 管线 三维建 模及可视 化分 析 J 交 通科技 与经济 ， 2 0 1 0， 1 2 ( 1 ) ： 1 1 9 1 2 1 1 2 3 4 5 6 7 rr L