程珊珊，朱育權(quán)

(西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710021)

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成品油長輸管道在線更換封堵裝置的有限元分析*

程珊珊，朱育權(quán)

(西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710021)

摘要：為了實現(xiàn)成品油長輸管道在線封堵更換，降低更換作業(yè)成本,文中基于專用的封堵囊送進(jìn)機構(gòu),利用封堵囊體充氣膨脹與管道接觸產(chǎn)生的摩擦力平衡管道內(nèi)殘存介質(zhì)壓力，提出了一種在線更換封堵裝置.通過彈簧的移位和復(fù)位實現(xiàn)了自行泄壓.結(jié)果表明:該封堵裝置可抗拒氣候變化、地勢地形變化等因素引起的管道介質(zhì)壓力波動，承受壓力范圍為0～0.5 MPa較傳統(tǒng)封堵工藝，該裝置在修復(fù)的管道上不留機械切口,修復(fù)缺陷減少，作業(yè)成本降低.

關(guān)鍵詞：成品油；長輸管道；封堵囊；摩擦力

管道運輸是成品油較為經(jīng)濟合理的運輸方法.隨著管道使用時間的不斷增長，就會經(jīng)常發(fā)生老化泄漏等情況，這就需要利用封堵裝置對管道損壞部分進(jìn)行封堵更換[1-2].國外對管道在線封堵更換技術(shù)的研究較早，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟.雖然國內(nèi)管道封堵?lián)屝藜夹g(shù)研究起步較晚，但是經(jīng)過多年的探索取得了一定進(jìn)展.文獻(xiàn)[3-5]采用擋板囊式封堵，是將法蘭、擋板及送取囊裝置安裝于破損管段兩側(cè)，將一個剛性擋板安裝在氣囊的下游,擋板主要用于平衡管壓對氣囊的推力，而氣囊則用于防止管內(nèi)液體泄露;文獻(xiàn)[6]的雙級式封堵器對于懸掛式封堵器做了改進(jìn)，可實現(xiàn)9.186 MPa的成功封堵;文獻(xiàn)[7]提出了一種球狀雙封封堵器,主要利用球體內(nèi)液壓缸壓縮，膠筒密封實現(xiàn)對管道的主動封堵,膠筒的最大封堵能力可達(dá) 13.93 MPa.這幾種封堵方式需開置入孔，封堵結(jié)束后管道壁上留有法蘭，使管道的強度受到影響;文獻(xiàn)[8]給出了管道內(nèi)高壓智能封堵系統(tǒng)的構(gòu)造及工作原理,指出智能封堵器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,封堵壓力、密封性能、微型液壓系統(tǒng)設(shè)計和液壓系統(tǒng)工作過程的建模分析等是研發(fā)管內(nèi)高壓智能堵塞的關(guān)鍵所在，闡述了我國當(dāng)前加速研發(fā)管內(nèi)高壓智能封堵系統(tǒng)的迫切性.

本文基于專用的封堵囊送入機構(gòu)，進(jìn)行在線封堵更換用封堵裝置設(shè)計，以期可抗拒天候變化、地勢地形變化等因素引起的管道介質(zhì)壓力波動，實現(xiàn)自行泄壓，降低管道修復(fù)作業(yè)成本.

1管道在線封堵更換原理

管道在線封堵更換的工作流程如圖1所示.關(guān)閉管道輸油閥門，并完成帶壓打孔[9-12].封堵裝置由專用的送入機構(gòu)送進(jìn)，通過氣管對封堵囊充入高壓氣體從而使囊體徑向膨脹接觸管道,繼續(xù)提高氣體壓力，促使內(nèi)外接頭脫離，并隨之撤出.在依靠封堵裝置實現(xiàn)成功封堵后，便可按照預(yù)先設(shè)計的尺寸，在截取位置處用機械切割的手段將嚴(yán)重腐蝕的需更換的管段，連同封堵三通、夾板閥等元件一起截取，更換上新管道.焊接完成后即可實現(xiàn)管道壁無機械切口、坑道等破損點，有效預(yù)防管道沖蝕、應(yīng)力腐蝕等其他封堵工藝無法避免的二次腐蝕.待更換結(jié)束，開啟管道輸油閥門，在油壓作用下，囊內(nèi)氣體釋放，當(dāng)囊內(nèi)氣壓和油壓持平，活塞復(fù)位關(guān)閉泄氣通道,囊內(nèi)氣體泄漏，實現(xiàn)自行泄壓.封堵囊內(nèi)仍有部分氣壓，保持一定的形狀隨液體流至下一取出口取出.

封堵裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由囊體、護(hù)板、夾板、活塞和彈簧等零部件組成.其中夾板與護(hù)板通過開槽沉頭螺釘連接，利用活塞的移位和復(fù)位實現(xiàn)封堵囊的充氣和泄氣.囊體是封堵最關(guān)鍵的部件，選用耐油、耐磨性和良好化學(xué)穩(wěn)定性的丁腈橡膠[13].

開始封堵時，把充氣管線與內(nèi)接頭中心孔相連，充入帶壓氣體，使得活塞7向左移動，帶壓氣體通過活塞7和護(hù)板17之間的間隙充入囊體中，繼續(xù)提高充氣壓力，活塞接著向左移動直到和護(hù)板右壁接觸，關(guān)閉進(jìn)氣通道，此刻囊體內(nèi)壓達(dá)到0.55 MPa.徑向膨脹封堵管道，軸向膨脹至一定長度與管壁接觸產(chǎn)生的摩擦力為136.629 kN來平衡管道內(nèi)殘余介質(zhì)壓力，如圖3所示.

圖1　封堵系統(tǒng)示意圖Fig.1　Diagram of plugging system

1,7—活塞；2，8—彈簧；3，9，13—螺釘； 4—夾板；5,17—護(hù)板；6—囊體；10—內(nèi)接頭； 11—小彈簧；12—連桿；14—連接板； 15—外接頭；16—楔塊圖2　封堵裝置示意圖Fig.2　Diagram of plugging device

圖3　囊體充氣完成示意圖Fig.3　Diagram of inflated plugging capsule

此時，楔塊16在氣體壓力作用下向上移動，克服小彈簧11的作用力直到退出內(nèi)接頭，內(nèi)外接頭相互脫離，外接頭隨送入機構(gòu)退出管道.隨著內(nèi)外接頭的脫離，在活塞上的作用力消失，在彈簧的彈簧力下復(fù)位，保證封堵囊內(nèi)部壓力不變.

泄壓解封時，活塞1在液體壓力下向右移動，此時囊內(nèi)氣體在活塞1和護(hù)板5之間縫釋放.囊內(nèi)氣壓與管道液體壓力平衡后促使活塞復(fù)位.此時囊內(nèi)氣體減少，徑向尺寸變小，不再進(jìn)行封堵，完成了自動泄壓[14].

2囊體有限元模型的建立

在整個封堵裝置在線封堵更換的過程中，囊體是實現(xiàn)封堵的關(guān)鍵零部件，因此對囊體進(jìn)行有限元分析.橡膠材料是各向同性，屬于超彈性體，而且其體積近似不可壓縮.

2.1本構(gòu)模型的建立

Mooney-Rivlin模型基本上能夠模擬全部橡膠類力學(xué)行為,其應(yīng)變能密度函數(shù)模型為

(1)式中：W為應(yīng)變能密度函數(shù);N,Cij和dk為材料常數(shù),I1，I2和I3為變形張量不變量.

其二項三階展開式為

(2)

式中：C10,C01和d為材料常數(shù);J為變形張量不變量.對于不可壓縮材料,J=1.

橡膠材料的主應(yīng)力與主伸長比之間的關(guān)系為

(3)

式中：t1,t2和t3為主應(yīng)力;λ1,λ2和λ3為主伸長比.

對單軸拉伸試驗簡化，t3=t2=0,有

(4)

(5)

(6)

結(jié)合式(4)～(6)，有

(7)

2.2有限元模型的建立

囊體材料的彈性模量為6.106 MPa,泊松比為0.499,采用Mooney-Rivlin模型.管道材料的彈性模量為2.09×105MPa,泊松比為0.269.在軟件ANSYS Workbench中單元類型是程序自動判斷并選擇的,管道及囊體選用PLANE183單元、剛性體接觸面為CONTA172單元、柔性體目標(biāo)面為TARGE169單元及SURF153表面效應(yīng)單元建立有限元模型.囊體在管道中的網(wǎng)格劃分如圖4所示.

圖4　囊體三維模型Fig.4　3D model of plugging capsule

3結(jié)果與分析

根據(jù)囊體的幾何形狀，簡化認(rèn)為囊體在管道內(nèi)的變形是二維平面內(nèi)的平面應(yīng)變問題.囊體在初始狀態(tài)下認(rèn)為是一個圓柱體，由其對稱性對它的二分之一進(jìn)行分析.由于囊體材料為橡膠，變形是非線性的，忽略囊體變形中由于內(nèi)部空氣壓縮引起的壓力變化，認(rèn)為對囊體施加恒定壓力0.55 MPa.圖5(a)～(b)分別為囊體在充氣完成后及頂面受到0.5 MPa壓力下的變形云圖.

由圖5可知，囊體的最大單側(cè)變形位移為493.26 mm，囊內(nèi)氣壓從0 MPa增加到0.55 MPa，囊體從760 mm增長到1 746 mm,與管壁產(chǎn)生的摩擦力為142.324 kN，大于管道內(nèi)殘余介質(zhì)壓力136.629 kN,可知囊體可以實現(xiàn)壓力不超過0.5 MPa的封堵.

圖6(a)～(b)分別為囊體在充氣完成后及頂面受到0.5 MPa壓力下的應(yīng)力云圖.由圖6可知,在囊體完成充氣后應(yīng)力主要集中在囊體兩端,而囊體中間段應(yīng)力相對較小.頂面受到0.5 MPa壓力后，頂面逐漸恢復(fù)到變形前的形狀，應(yīng)力集中現(xiàn)象消失，而底面仍然存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但不影響整個封堵過程.因此，囊體可以實現(xiàn)0～0.5 MPa內(nèi)介質(zhì)壓力波動的封堵.

圖5　囊體總變形云圖(m)Fig.5　Total deformation of plugging capsule (m)

圖6 囊體等效應(yīng)力云圖(Pa)Fig.6　Equivalent(Von-Mises) stress of plugging capsule (Pa)

4結(jié) 論

1) 該管道封堵裝置利用封堵囊的充氣膨脹與管壁產(chǎn)生的摩擦力實現(xiàn)了對管道介質(zhì)殘余壓力不超過0.5 MPa的封堵，可抗拒天候變化、地勢地形變化等因素引起的管道介質(zhì)壓力波動.

2) 該管道封堵裝置實現(xiàn)了自行泄壓，且開孔少，降低了作業(yè)成本，且在修復(fù)的管道上不留機械切口.該裝置只能暫時封堵已泄壓管段，封堵壓力相對其他封堵裝置較小，需在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步就帶壓封堵方法進(jìn)行改進(jìn).

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(責(zé)任編輯、校對潘秋岑)

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.06.004

*收稿日期：2015-10-18

作者簡介：程珊珊(1992-)，女，西安工業(yè)大學(xué)碩士研究生. 通訊作者：朱育權(quán)(1962-)，男，西安工業(yè)大學(xué)教授,主要研究方向為精密機械設(shè)計及理論、機械強度分析及現(xiàn)代設(shè)計方法.E-mail：2583971099@qq.com.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:中圖號：TE97A

文章編號：1673-9965(2016)06-0451-05

Finite Element Analysis of Online Replacement of Plugging Capsule for Long Distance Pipeline of Refined Oil

CHENGShanshan，ZHUYuquan

(School of Mechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

Abstract:In order to achieve the on line replacement of plugging capsule for long distance transportation pipeline of refined oil,and reduce the costs of repair operation,a kind of device is put forward.A dedicated pipeline feed mechanism is used,and the residual medium pressure is balanced by the friction force generated by the contacting of the expanded capsule body and the pipe wall.The device is self-relieved by the shifting and resetting of the spring.The results show:The device is able to resist pipeline medium pressure fluctuations caused by changes of weather and pipeline medium pressure fluctuations for terrain topography or other factors.The bearable pressure range is 0～0.5 MPa.Compared with traditional sealing process,this device leaves no mechanical incision on the pipe wall after the replacement ,reduces the repair defects and lows the costs of operation.

Key words:refined oil;long distance transportation pipeline;plugging capsule;force of friction