陶偉莉 袁會(huì)贊 劉金寶 程志杰

中國(guó)石油管道局工程有限公司維搶修分公司

摘要：管道泄漏搶修卡具是專門針對(duì)管道腐蝕或裂紋泄漏的快速搶修機(jī)具，在管道運(yùn)行過程中直接覆蓋管道泄漏點(diǎn)，快速安裝完成后立即恢復(fù)管道的正常運(yùn)行。為確保搶修卡具結(jié)構(gòu)合理，需對(duì)其初步設(shè)計(jì)整體建模，通過有限元應(yīng)力、位移模擬分析，提出優(yōu)化建議并據(jù)此確定最終加工圖紙。優(yōu)化設(shè)計(jì)的卡具結(jié)構(gòu)更合理，重量更輕。

關(guān)鍵詞：油氣管道；泄漏；搶修卡具；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

管道泄漏搶修卡具用于在役油氣管道突發(fā)泄漏事故的快速搶修。通過對(duì)卡具進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)，可確保卡具承壓堵漏密封效果，最大限度優(yōu)化卡具殼體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)卡具的輕量化設(shè)計(jì)，便于現(xiàn)場(chǎng)的快速安裝，降低制造成本。

1  有限元分析基本原理

非線性有限元分析數(shù)值求解方法主要有直接迭代法、簡(jiǎn)單增量法及自校正增量法、牛頓－拉普森（N-R）方法三種。對(duì)比三種數(shù)值求解方法，牛頓－拉普森（N-R）法在自校正增量法的基礎(chǔ)上，對(duì)每一級(jí)增量過程進(jìn)行多次校正，以此消除不平衡力，使得計(jì)算結(jié)果滿足給定的精度要求。通過使用平衡迭代，迫使在每一個(gè)載荷增量結(jié)束時(shí)，在某個(gè)容限范圍內(nèi)求解并最終達(dá)到平衡收斂。其收斂速度為二階，對(duì)于正定二次函數(shù)一步迭代即達(dá)最優(yōu)解，收斂速度快，優(yōu)選此方法進(jìn)行計(jì)算。

2  卡具分析模型的建立和約束

根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析。以設(shè)計(jì)壓力10 MPa、1016 mm對(duì)開式泄漏搶修卡具的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)于應(yīng)力集中、接觸面處受力的關(guān)鍵部位進(jìn)行了加密、細(xì)化，如細(xì)化圓弧過渡處、上下殼體的接觸面、螺栓孔及螺栓孔與殼體連接周圍，從而使計(jì)算精度得以提高。

在軸向方向使用參考幾何體，使模型在軸向方向位移為零，在周向可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)，這種模型約束方式更接近卡具的實(shí)際使用情況。

3  卡具受壓分析結(jié)果

沒有管路約束時(shí)卡具的應(yīng)力分析結(jié)果。通過分析卡具殼體Y向位移，在弧頂處最大位移為6.8 mm，耳板內(nèi)側(cè)的張口為2.04 mm（圖 1）。變形量已經(jīng)超出密封允許范圍，肯定無法實(shí)現(xiàn)承壓密封。根據(jù)分析結(jié)果多方查找原因，最終認(rèn)為沒加管路約束進(jìn)行有限元分析，有悖于卡具的實(shí)際使用情況，卡具殼體失去管路約束，自然會(huì)產(chǎn)生較大變形。

圖 1 僅受預(yù)緊力時(shí)Y向位移分布

增加管路約束后卡具有限元分析。上下耳板接觸內(nèi)側(cè)張口1.66 mm，弧頂處最大位移為3.1 mm（圖 2、圖 3）。弧頂處位移偏大，可能會(huì)出現(xiàn)承壓泄漏的情況。

圖 2 卡具整體應(yīng)力分布情況

圖 3 卡具Y向位移分布

4  優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過變化不同卡具殼體環(huán)形厚度和耳板厚度，查找影響卡具應(yīng)力分布和位移大小的關(guān)鍵因素。

圖 4所示為不同卡具殼體環(huán)形厚度與卡具殼體位移張口的尺寸，可以看出，卡具殼體環(huán)形厚度越厚，卡具張口變形越小。如圖 5所示，隨著卡具殼體環(huán)形厚度越厚，卡緊螺栓的應(yīng)力有所降低。卡具張口變形與螺栓應(yīng)力變化見表 1。

圖 4 卡具殼體環(huán)形厚度和張口尺寸的關(guān)系

圖 5 卡具殼體環(huán)形厚度和螺栓應(yīng)力的關(guān)系

表 1 不同耳板厚度卡具張口變形尺寸與螺栓應(yīng)力關(guān)系

從表 1可以看出，卡具耳板的厚度對(duì)卡具張口變形影響很小，但耳板越厚卡具螺栓的應(yīng)力越小。

如表 2所示，優(yōu)化后卡具殼體的最大應(yīng)力有所降低，殼體弧頂?shù)奈灰泼黠@減小，開口位移減小了34%，螺栓應(yīng)力有所增高，這是由于殼體壁厚減小后，液壓載荷的作用使螺栓承受較大的拉力，但應(yīng)力仍小于ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范VIII》規(guī)定的屈服強(qiáng)度。卡具變形張口滿足密封承壓要求，可達(dá)到承壓10 MPa不泄漏的預(yù)期指標(biāo)。

表 2 優(yōu)化后卡具殼體的應(yīng)力和位移情況

5  結(jié)語

綜合考慮卡具殼體和耳板厚度對(duì)卡具位移和應(yīng)力的影響，建議有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)在確保螺栓應(yīng)力滿足條件的前提下，適當(dāng)降低殼體厚度和耳板厚度以有效降低卡具重量，達(dá)到更好的承壓密封效果。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的搶修卡具結(jié)構(gòu)更為合理，重量相對(duì)較輕，便于快速安裝。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的10 MPa、1016 mm對(duì)開式泄漏搶修卡具經(jīng)應(yīng)用測(cè)試，承壓10 MPa無泄漏，實(shí)測(cè)耳板內(nèi)側(cè)最大開口變形1.16 mm，實(shí)現(xiàn)預(yù)期指標(biāo)，與有限元分析結(jié)果吻合。

作者簡(jiǎn)介：陶偉莉，1978年生，高級(jí)工程師，畢業(yè)于西安石油學(xué)院，現(xiàn)從事管道維搶修技術(shù)研發(fā)工作。聯(lián)系方式：13785605625，158179575@qq.com。