埋地热油管道弯管处应力破坏研究.pdf

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1、第4 4卷第 7期 2 0 1 5年 7月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 4 4N O 7 J u l y，2 0 1 5 埋地热油管道弯管处应力破坏研究 李雷雷，姜文全，刘 洋，任建民，李依 ( 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ) 摘 要：近年来，埋地热油管道弯管漏油事件时有发生，反映出管道的原始设计 、施工等方面存在不足。 为使埋地热油管道安全稳定运行，在给定位移载荷的作用下，对弯管各部位的应力的变化情况进行模拟分析 ， 得出了导致弯管失效漏油的过大应力位置和弯管

2、角度对应力的影响，并提出了改进措施 ， 从而为防止发生埋地 管道泄漏事故的研究奠定基础。 关键词：埋地管线；弯头 ；应力 ；有限元方法；失效 中图分类号：T E 8 3 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 5)0 7 1 5 1 9 0 3 S t ud y o n S t r e s s Fa i l ur e o f El bo w o f Bu r i e d He a t e d Oi l Pi pe l i ne LILe i l e i ， J I ANG We n qu a n， LI U ， REN Ji an mi n， LI (

3、 Li a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y , Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： I n r e c e n t y e a r s ， t h e l e a k a g e a c c i d e n t o f e l b o w o f b u r i e d o i l p i p e l i n e o i l o c c u r s f r e q u e n t l y , wh i c h r e f l e c t s t

4、 h a t t h e o r i g i n a l d e s i g n ， c o n s t r u c t i o n a n d o t h e r a s p e c t s o f p i p e l i n e a r e d e f e c t i v e I n t h i s p a p e i n o r d e r t o e n s u r e s a f e a n d s t a b l e o p e r a t i o n o f b u r i e d o i l p i p e l i n e ， u n d e r t h e a c t i o

5、 n o f a g i v e n d i s p l a c e me n t l o a d ， t h e c h a n g e o f t h e s t r e s s o f e a c h p a r t o n t h e e l b o w wa s s i mu l a t e d ， t h e e x c e s s i v e s t r e s s p o s i t i o n t o c a u s e f a i l u r e o f o i l p i p e wa s d e t e r mi n e d a s we l l a s e ffe c

6、 t o f b e n d a n g l e o n t h e s t r e s s ， a n d i mp r o v e m e n t me a s u r e s we r e p u t f o r wa r d s o a s t o p r e v e n t t h e b u r i e d p i p le l i n e l e a k a g e a c c i d e n t s Ke y wo r d s ： Bu r i e d p i p e ； El b o w； S t r e s s ； F i n i t e e l e me n t me t

7、 h o d ； F a i l ure 近几年 ，埋地输油管线泄漏事故时有发生 ，反 映出该管道的原始设计 、施工等方面存在某些薄弱 环节。为使埋地热油管道安全稳定运行，必须对 该管道的应力状态进行评估【 2 。 结合现场条件， 对 弯头在给定位移载荷 ( 应变载荷 ) 的作用下，对不 同截面位置处的应力 应变进行 了测试 ，同时采用 A NS Y S模拟手段对弯管各部位的应力的变化情况 进行 了分析 ， 得 出了导致弯管失效漏油的可能原因 ， 从而达到防止类似事故的再次发生。 1 热应力理论基础 1 1 传热理论 由热力学第一定律得 ： QW =A U+A KE+ 式中：9一热量 ； 一作

8、功 ； u 一系统内能 ； 一系统动能 ； 尸 r一 系统势能。 热 油管道系统 中： 尸 0 W=0 ，则 ： ， O=A U；对于稳态热分析 ：p：A U：0 ， 即流人系 统的热量等于流出的热量。 热传导遵循付里叶定律： 一 ： 一 k d! ， 式中q 为 热流密度 ( W m ) ，k为导热系数 ( 、 v m一 ) ，“ 一 ” 表示热量流向温度降低的方向。 1 2 管道应 力理论 在极坐标系中，应力平衡方程为： + 孥： 。 I 。 + = 。 【 对于各 向同性 的管道材料 ， 平面应力条件下的 物理方程为 ： I， 、 i 吖 J 1 、 i 。 r J s 坩= ( 1 +

9、 r 基金项 目：2 0 1 4辽宁省大学生创新创业计划项目，项 目号 ：2 0 1 4 1 0 1 4 8 0 1 2 。 收稿 日期： 2 0 1 4 - I O - 1 1 作者简介 ：李雷雷 (1 9 9 2 一) ，男，河南安阳人。 E - m a i l ：l 9 3 5 3 7 9 3 0 3 q q C O N 通讯作者 ：姜文全 ( 1 9 7 9 一) ，男，讲师，博士在读，研究方 向：压力容器及管道安全技术研究。E - m a i l ： j w en q u a n l 2 6 c 0 m。 1 5 2 0 当 代 化 工 2 0 1 5年 7月 3 热膨胀推力对不同角

10、度弯管的应力 几 何方 程为： 相容方程 ： d “ s ， - = d r s ： 盟 + 葡 + 一1 0 u， 。0 u 日“ 。 棚一 丽 十 一 了 a 。 e t 1 8 r_2 a s e 1 a s r a r 2 r 2 ae 2 r 8 r r 8 r =2I1 02sreOrOO一+ l a l 热油管道及保温层的应力状态满足以上四个平 面弹性问题基本方程 7 c 2 整段管道热应力分析 应用 A N S YS 软件， 对图 1 ( a ) 中埋地管道进行结 构热应力耦合分析。其中锚固墩简化成固定约束， 管线内表面温度为 8 O， 其热膨胀系数为 1 2 x 1 0 ；保

11、温层外表面温度为 1 0，其热膨胀系数为 1 8 x 1 0 ；管道与保温层之间主要以热传导传热， 土壤影响简化为保温层外表面约束。施加以上边界 条件对该段管道模拟得到应力分布云图( 见图 l ( 1) ) ) ， 结果表明： 在热 结构耦合作用下，埋地热油管道弯 管出应力值偏高， 最高应力值达到2 6 2 MP a ， 小于管 材的屈服极限 3 2 0 MP a ，理论上弯管不会泄漏 。 ( a) 埋地热油管道施工图 ( b)热油管道模拟图 图 1埋地热油管道图 F i g 1 Gr a p h o f b u r i e d h o t o i l p i p e l i n e 影 响

12、通过以上对整段管道进行应力分析及结合管道 破坏现场资料可知， 在弯管上的应力大于管道其他 位置的应力，并且管道现场小角度弯管偶有漏油现 象发生 。为找到弯管泄漏真实应力 ，在热膨胀推力 作用下对不同角度弯管模拟分析。 3 1 弯管应力分析模型 依据现场实测弯管的结构尺寸进行建模 ，采用 s o l i d 4 5号单元 ，沿壁厚方 向分成 3个单元 ，长度方 向单元长度为 1 0 ml n，环向方向单元长度为 5 mm， 单个管 线大约划分 了 3 5 0 0 0个单 元 ，节点大约 5 0 0 0 0个。其边界条件为下端面固定 ，在上端面施 加位移载荷。在划分网格之前在前述测应变的弯管 位置

13、预先设置截面，方便后续提取数据。为进行模 拟管道热膨胀所产生 的推力对弯管应力的影响，分 别模拟 9 0 。 、 1 2 0 。 、1 5 0 。 弯管铅直压缩过程， 总压缩 量为 1 0 0 IT kr n ，将总载荷分成 6步进行计算；求得 1 、2 jfi 、3 抖 位置的轴 向和周向应力分布状态及最大 应力值 。( 见图 2) 。 ( a )9 0 。 弯管 ( b)1 2 0 。弯 管 ( c)1 5 0 。弯管 图 2 模型网格划分 Fi g 2 Gr i d mo d e l d i v i s i o n 3 2 弯管应力分析结果及讨论 对 9 0 。 、1 2 0 。 、l

14、5 0 。 弯管施加载荷及边界条件， 模拟加载到 1 、3 、6 步时，分别提取不同角度弯管 上个截面的轴向和轴 向应力 ( 见表 1 ) 。 通过以上数据分析可知 ，弯管上的轴向应力总 大于周 向应力 ， 最大应力出现在弯管的肘部 ( 即 2 截面处 ) ， 其外表面为最大拉应力 ， 内表面为最大压 应力 ；在弹性范围内对不 同角度弯管间每一步的应 力 比较得 出，9 O 。 弯管上的肘 部应力值最大 ，其次 1 2 0 。 弯管，1 5 0 。 弯管最小。可见，在热膨胀所产生 的推力作用下 ，弯管肘部出现最大弯曲应力 ，弯曲 应力随弯管角度的增加而减小。 4 改进措施 4 1小急弯改大慢弯

15、 当管道走向发生改变时 ， 在场地允许 的情况下 ， 曲 K ， 辨斡 ” ”n 抖一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 “ 难 制 札 n 4 0 ， 嚣 一 墨 罄 譬 第 4 4卷第 7期 李雷雷，等：埋地热油管道弯管处应力破坏研究 1 5 2 1 采用大曲率半径弯管 ( 相当于同一曲率下的多个大 应力。 角度弯管构成 的小角度弯管 )来改变管道走向，从 而降低弯管肘部最大应力值 ， 即改小急弯为大慢弯。 表 I 不同角度弯管各截面最大应力值 T a b l e 1 Th e m a x i m u m s t r e s s v a l u e o f e a c h c r o s

16、 s - s e c t i o n o f e l bo w wi t h di ffe r e nt ang l e 4 2 弯管肘部局部加强 为减小弯管上的应力 ，将图 1 中的弯管外用等 壁厚弯管加强， 模拟得到图 3埋地管道弯管处加强 后的应力分布云。比较图 l 和图 3 的弯管被加强前 后应力分布， 弯管上的应力有明显的减小， 1 2 0 。弯 管上的最大应力由原来的 2 0 3 M P a 减小为 1 1 6 MP a ， 1 5 0 。弯管上的最大应力 由原来的 2 6 2 MP a减小为 1 4 5 M P a 。由此可见通过对弯管肘部厚度的增加， 可以提高该位置的强度，从而

17、降低弯管肘部的应力 值。 4 3 合理改变锚 固墩位置 通过合理地改变锚固墩的位置可改变锚固墩对 管道及弯管所产生的推力，从而降低弯管处的弯曲 。 图3 埋地管道弯管处加强后的应力分布云图 Fi g 3 S t r e n g t h e n e d s t r e s s c l o u d p i c t u r e o f b u r i e d p i p e l i n e e l bO W 5 结 论 通过埋地热油管道整体及弯管部位应力分析， 得出如下结论 ： ( 1 ) 管道在设计之初总体应力水平并不超标， 到在弯管部位应力值偏高。 ( 2)在热膨胀所产生的管道推力作用下 ，同

18、一曲率半径下的不同角度弯管肘部的大应力值明显 不同，小角度的弯管肘部的应力值大。 ( 3)通过改变弯管角度 ，使“ 小急弯” 改成“ 大 慢弯” ， 增加弯管厚度及合理布置锚 固墩等措施 ， 可 降低弯管处的应力极值，从而减少或避免管道中弯 管处泄漏的可能。 参考文献： 1 刘晓晴，胡玮用安全系统工程法解决储罐出入口管线应力问题 当代化工，2 0 1 4 ， 3 3 ( 1 ) ： 4 0 4 2 2 杨武埋地油气管线应力腐蚀破裂研究的一些新进展 J 腐 蚀与防 护，2 0 0 3 ，2 4( 1 】 ) ：4 6 1 4 5 7 3 柳春光，冯晓波连续埋地管线沉陷情况下可靠度分析 J 】 大

19、连理 工大学学报，2 0 1 1 ， 5 1 ( 4 ) ：5 8 1 - 5 8 6 4 刘鹏飞 ，郑津洋 ，孙国有内 压和振动载荷联合作用下埋地管线疲 劳寿命评估 J 肌 械强度，2 0 1 0 ，3 2( 1 ) ：1 2 5 1 2 9 5 余伟炜 ，高炳军等 AN S YS在机械与化工装备中的应用tM 北京 ， 中国水利水电出版社 ，2 0 0 6 ：2 7 7 3 0 5 6 刘国庆 ， 杨庆东AN S Y S工程应用教程 M】 北京：中国铁道出版 ， 2 0 0 3 ： 2 1 3 - 2 3 3 7 刘玉岚 ，王彪 ，王殿富塑料封装集成电路结构热应力分布的解 析解 J 1 应用数学和力学 ，2 0 0 3 ，2 4( 2 ) ：1 3 8 1 4 5