楊澤林，張世富，李 洪，胡永攀，楊東宇

(1.中國人民解放軍后勤工程學院 軍事供油工程系， 重慶 401331；2.中國人民解放軍后勤工程學院 國家救災應急裝備工程技術(shù)研究中心， 重慶 401331；3.中國人民解放軍駐中石化茂名分公司軍事代表室， 廣東 茂名 525011)

海上裝配式輸油管道連接處強度分析

楊澤林1，張世富2，李 洪3，胡永攀2，楊東宇1

(1.中國人民解放軍后勤工程學院 軍事供油工程系， 重慶 401331；2.中國人民解放軍后勤工程學院 國家救災應急裝備工程技術(shù)研究中心， 重慶 401331；3.中國人民解放軍駐中石化茂名分公司軍事代表室， 廣東 茂名 525011)

海上裝配式輸油管道通常是用連接器將各管段連接而成，其連接器的抗彎、抗拉能力與管道本體有很大的差異。通過SolidWorks建立管道連接處的分析模型，計算管道能夠承受的最大正應力和最大彎矩，利用有限元分析軟件SolidWorks Simulation分析管道連接處的抗彎強度和抗拉強度，為管道連接器的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，為工程設(shè)計提供參考。分析結(jié)果表明：加強連接器的強度不低于管道本體強度，整個管道系統(tǒng)沒有出現(xiàn)強度薄弱的地方，滿足安全要求。

裝配式輸油管道；管道連接器；抗彎強度；抗拉強度

Abstract: Maritime assembled oil pipelines are usually composed of pipes connected by connectors. Bending resistance and tensile capacity of connectors are different from the pipes. In this paper, analysis model of connectors was established through SolidWorks, and the maximum normal stress and maximum bending moment of the pipe bore were calculated. By using finite element analysis software SolidWorks Simulation, bending resistance and tensile capacity of pipe connectors were analyzed, providing the basis for the optimization of pipe connector design and reference for engineering design. The analysis results showed that the strength of designed connectors is not lower than that of pipes and the whole pipeline system has no weak strength place, meeting the requirements of the safety.

Keywords: assembled oil pipelines; pipe connectors; bending strength; tensile strength

裝配式輸油管道作為一種重要的海上石油運輸途徑，具有實施難度小、造價低的特點，且其敷設(shè)、維護和撤收都方便簡單[1]。由于海面環(huán)境特殊復雜，管道受到波浪力、海流力、風力、浮力等力的作用，容易彎曲變形，甚至出現(xiàn)斷裂，影響運輸任務[2]。本文研究的裝配式輸油管道系統(tǒng)采用DN150槽頭管道，通過連接器將各管段連接起來。管道連接處是管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)之一，研究了解連接處的失效情況對保證整個管道系統(tǒng)的安全和平穩(wěn)運行有著重要的意義。

為了整個管道系統(tǒng)在海上的安全，必須對管道連接處的強度進行研究[3]。通過對管道進行有限元應力分析，得出管道連接器處能承受的最大應力，為整個管道系統(tǒng)的穩(wěn)固方案提供設(shè)計依據(jù)[4]。同時采用應力分析可以找出應力較小的區(qū)域和應力最大的區(qū)域，在對連接器優(yōu)化設(shè)計時可以對應力較小的區(qū)域減小厚度，從而節(jié)約材料、減輕質(zhì)量；對應力較大的區(qū)域加大尺寸，從而提高強度，防止應力過大而被破壞。

1 連接器的結(jié)構(gòu)

管道系統(tǒng)漂浮鋪設(shè)在海面上時，由于受到的應力情況復雜，容易出現(xiàn)較大的彎曲變形，因此要求其連接器有較高的強度，在出現(xiàn)較大的彎曲應力和拉伸應力時不會發(fā)生連接器失效[5]。管道系統(tǒng)的撤收是利用牽引車牽引管道的一端，將整個管道從海上牽引至岸灘。撤收過程中會出現(xiàn)較大的拉伸應力，要求連接器有較強的抗拉能力。一般裝配式輸油管道是基于陸地鋪設(shè)設(shè)計的，其連接器抗彎、抗拉強度相對較差，不能滿足海上復雜情況的要求，因此需要設(shè)計一種能夠承受較大彎矩和拉伸應力的加強連接器[6,7]。本文以加強連接器為對象進行分析。

加強連接器的原理和內(nèi)部尺寸與普通連接器相同，不同之處主要是連接器的外部尺寸、外在形狀、采用的材料以及制造的方法。

1) 外在形狀

一是由于加大了加強連接器的尺寸，從而加大了連接器的質(zhì)量，而笨重的連接器不僅會增加制造成本、浪費資源，而且不利于管道連接、影響工作效率，因此在外在結(jié)構(gòu)中采用了加強筋的結(jié)構(gòu)形式，這樣不僅能滿足強度的要求，還減輕了連接器的質(zhì)量。二是為了錨固時錨繩能夠方便地系在管道上，在連接器上增加了2個耳環(huán)。

2) 采用的材料

加強連接器采用強度更高的40Cr鋼材，從而增加連接器的強度。

3) 制造的方法

普通連接器采用鑄造的方法制造，而加強連接器采用鍛造的方法制造。

加強連接器的結(jié)構(gòu)和三維圖如圖1、2所示。

圖1 加強連接器的結(jié)構(gòu)

圖2 加強連接器的三維圖

2 理論分析

由于管道本體強度是既定的，故可以將管道連接處的強度與管道本體的強度進行對比，從而得出兩者之間的大小。通過對管道強度的計算，可以推算出添加在模型上的載荷。

根據(jù)材料力學和結(jié)構(gòu)力學知識可知，管道的最大正應力發(fā)生在最大彎矩所在橫截面上，且離中心最遠點處[8-9]。即最大正應力為

(1)

式中:Mmax為最大彎矩(N·m)；Wz為抗彎模量(mm3)。

管道的抗彎截面模量的計算公式為

(2)

式中：D為管道外徑(mm)；d為管道內(nèi)徑(mm)。

由于管道的外徑為159 mm，內(nèi)徑為154.4 mm，則有

Wz=43 702 mm3

為了保證管道能夠安全工作，應使管道橫截面上的最大正應力σmax不超過材料的許用應力[σ]，即管道的正應力強度條件為

(3)

對式(3)進行變換，則可得出管道能承受的最大彎矩為

Mmax≤[σ] ·W

從管道參數(shù)可知其應力極限為[σ]=448 MPa，則管道能承受的最大彎矩為

Mmax≤[σ] ·Wz=19 578 496 N ·mm=

19 578.496 N·m

在分析模型中，假定在連接器處加載F，使連接器處產(chǎn)生管道能承受的最大彎矩，從而推出模型中加載的載荷為

式中：l表示單根管道模型的長度(m)，本文所建模型的單根管道長度為0.5 m，單根管道實際長度為6 m。

當以這個載荷加載在分析模型中時，如果分析結(jié)果表明管道連接處將失效，即管道連接處的抗彎強度小于管道本體的強度，則可以通過減小分析載荷重新分析，從而得出管道連接處的抗彎強度；如果分析結(jié)果表明管道連接處安全，則說明管道連接處的抗彎強度大于或等于管道本體的強度。

3 有限元求解與結(jié)果分析

3.1 抗彎強度分析

3.1.1 模型建立

為了直觀地分析管道連接器處在受彎曲變形時的實際情況，以管道和連接器的實際尺寸進行模擬分析。由于裝配式管道系統(tǒng)的每根管道長達6 m，為了簡化模型、減少計算量，在本文以2根0.5 m長的管道連接組成分析模型，如圖3所示。分析時，把模型看成兩端受支撐的簡支梁模型，以集中載荷加載到連接器上，方向與管道軸平面垂直。

圖3 強度分析模型

圖3中1#箭頭方向為模型加載的方向，1#箭頭所指的面為載荷作用的面；2#箭頭所在的面為模型添加的約束面，2#箭頭所指的方向為約束的方向。

3.1.2 網(wǎng)格劃分

對模型進行網(wǎng)格劃分，由于連接器的結(jié)構(gòu)比管道的結(jié)構(gòu)復雜，而管道又比較薄，因此網(wǎng)格劃分比較細。網(wǎng)格的節(jié)點總數(shù)為1 093 059個，單元總數(shù)為728 419個。模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格劃分

3.1.3 有限元結(jié)果分析

數(shù)值模擬得出的應力、應變以及安全系數(shù)圖解如圖5～7所示。

圖5 管道連接處的應力

圖6 管道連接處的應變

圖7 管道連接處的安全系數(shù)圖解

通常，在某一位置的安全系數(shù)小于1.0，就表示該位置上的材料已失效；如果安全系數(shù)等于1.0，則表示該位置上的材料即將失效；倘若安全系數(shù)大于1.0，那就說明該位置上的材料是安全的。通常在設(shè)計中要求安全系數(shù)為1.5～3.0。從圖5可知，管道連接器處產(chǎn)生的最大應力沒有超過材料的許用應力；從圖6可得到，管道連接處應變沒有超過最大應變范圍；從圖7可知，分析模型中的安全系數(shù)在合理的范圍。即管道系統(tǒng)中，連接器處的強度與管道本身的最大強度相當，連接器能滿足管道系統(tǒng)的設(shè)計要求。

3.2 抗拉強度分析

3.2.1 模型建立

為了分析管道在工作時的安全性，同樣需要對管道系統(tǒng)的抗拉強度進行分析?？梢杂脠D3、4所示的模型進行分析，也可以分別對管道和連接器進行分析。由于連接器和管道所需的網(wǎng)格大小不一樣，為了減少計算量，對管道和連接器分開進行分析，分析模型如圖8所示。

圖8 抗拉強度分析模型

圖8中1#箭頭方向表示模型的加載方向，1#箭頭所指的面為載荷作用的面；2#箭頭所在的面為模型添加的約束面，2#箭頭所指的方向為約束的方向。

3.2.2 網(wǎng)格劃分

分別對連接器和管道進行網(wǎng)格劃分，連接器的節(jié)點總數(shù)為126 192，單元總數(shù)為82 623個。管道的節(jié)點總數(shù)為16 509個，單元總數(shù)為8 149個。網(wǎng)格劃分如圖9所示。

圖9 網(wǎng)格劃分

3.2.3 有限元結(jié)果分析

數(shù)值模擬得出的應力、變形以及安全系數(shù)圖解如圖10～12所示。

圖10 連接器和管道的應力分布

圖11 連接器和管道的變形

圖12 連接器和管道的安全系數(shù)分布

圖12中的紅色區(qū)域為連接器和管道最易發(fā)生破壞的區(qū)域，在設(shè)計中要適當加大該區(qū)域的厚度，從而提高整體的強度。

在分析模型中對連接器和管道加載了400 kN的拉力。從應力分布結(jié)果圖中可以得出：連接器的最大應力為286 MPa，管道的最大應力為413 MPa,均沒有超過材料的最大許用應力。從圖11中可以看出：連接器和管道的變形非常小，不會影響管道系統(tǒng)的安全。從圖12可知：連接器的最小安全系數(shù)為2.89，管道的最小安全系數(shù)為1.5，符合安全系數(shù)的取值范圍。

4 結(jié)束語

通過對管道連接處進行抗彎強度和抗拉強度的分析，得出了管道連接處的抗彎能力和抗拉能力。分析結(jié)果表明，連接器和管道能承受400 kN的拉力，且變形程度小，在允許范圍之內(nèi)，因此管道系統(tǒng)在鋪設(shè)和撤收過程中，能夠保證管道系統(tǒng)的安全。

[1] 宋花平，張婭，孫鵬，等.裝配式輸油管線的抗碾壓能力分析[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2010(5):1-3.

[2] 楊澤林，張世富，胡永攀，等.海底輸油管線線路問題與保護方法研究[J].當代化工,2017(2):261-264.

[3] 張立松，閆相禎，楊秀娟.長輸油氣管道強度與優(yōu)化設(shè)計軟件[J].油氣儲運,2009,28(12):25-27.

[4] 白路遙，譚東杰，李亮亮，等.黃土地區(qū)穿河管道失效風險[J].油氣儲運,2015,34(6):599-603.

[5] 倫冠德.海洋管道海上對接關(guān)鍵技術(shù)研究[D].青島:中國石油大學(華東),2012.

[6] 石東兵.海底油氣水平管道連接器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2010.

[7] 王茁，王志軍，張建勇，等.深海管道連接器密封特性分析與同步控制研究[J].機床與液壓,2014(11):27-31.

[8] 羅固源.材料力學[M].重慶：重慶大學出版社，2001．

[9] 劉金春.結(jié)構(gòu)力學[M].武漢：華中科技大學出版社，2008．

(責任編輯林 芳)

StrengthAnalysisofJointofMaritimeAssembledOilPipelines

YANG Zelin1， ZHANG Shifu2， LI Hong3， HU Yongpan2， YANG Dongyu1

(1.Military Department of Petroleum Supply Engineering, Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China; 2.NERC for Disaster and Emergency Rescue Equipment, Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China; 3.The Military Representative Office of the Chinese People’s Liberation Army in Sinopec Maoming Branch, Maoming 525011, China)

2017-05-15

國家科技支撐計劃項目(2014BAK05B08)；解放軍后勤工程學院青年科研基金資助項目(X2050225)

楊澤林(1993—)，男，天津?qū)幒尤?，碩士研究生，主要從事石油與天然氣管道方面的研究，E-mail：qxiaodian813500@163.com。

楊澤林，張世富，李洪，等.海上裝配式輸油管道連接處強度分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(9):68-72.

formatYANG Zelin，ZHANG Shifu，LI Hong,et al.Strength Analysis of Joint of Maritime Assembled Oil Pipelines[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):68-72.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.011

TE835

A

1674-8425(2017)09-0068-05