張皓 楊鋒平 張良 吳峰

中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司

 

摘要：為確定輸油氣管道異型B型套筒可修復(fù)缺陷的合理尺寸范圍，并確定B形套筒的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)方案，采用有限元方法，針對Φ508 mm管道分析并建立了四種異型套筒構(gòu)型，采用數(shù)值模擬方法驗證不同構(gòu)型設(shè)計的適用性，并基于應(yīng)力分析結(jié)果給出了異型B型套筒優(yōu)選方案。結(jié)果表明直線導(dǎo)角型和橢圓曲線型異型套筒應(yīng)力分布結(jié)果最優(yōu)，考慮到加工精度及參數(shù)檢測難度，優(yōu)先推薦直線導(dǎo)角型異型套筒工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：異型B型套筒；構(gòu)型設(shè)計；應(yīng)力分析

 

輸油氣管道作為長距離輸送原油和天然氣的專用設(shè)施，是全球能源基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，然而，管道在受到外載荷或腐蝕等影響時，可能形成服役安全隱患。在缺陷修復(fù)方面，目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定其永久修復(fù)方式為B型套筒或換管。相比成本巨大的換管，B型套筒無疑是經(jīng)濟(jì)性與安全性的首選[1]。SY/T 7666―2022《油氣管道缺陷修復(fù)用B型套筒》介紹，B型套筒修復(fù)技術(shù)是利用兩個由鋼板（或短節(jié)）制成的半圓柱外殼覆蓋在管道缺陷處，且待修復(fù)管道缺陷軸向長度中心位于套筒長度的二分之一位置，兩片套筒通過側(cè)焊縫焊接在一起，套筒端部采用角焊的方式焊接在輸送管道上。B型套筒的設(shè)計對其修復(fù)可靠性至關(guān)重要，套筒通常被設(shè)計成緊密地配合在管道的周圍，提供安全穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)[2]。對于外載荷引起的管道大變形缺陷，如管體屈曲及褶皺缺陷，異型B型套筒是一種行之有效的修復(fù)方法，然而其結(jié)構(gòu)形式及相關(guān)參數(shù)確定方法目前鮮有研究分析。基于異形B型套筒的基本結(jié)構(gòu)特征，本文設(shè)計了4種異型套筒構(gòu)型，基于應(yīng)力分析結(jié)果給出了異型B型套筒優(yōu)選方案。

1  套筒構(gòu)型設(shè)計

1.1  套筒設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)

為了修復(fù)管體屈曲、褶皺等大變形缺陷，異型B型套筒的基本結(jié)構(gòu)為中間粗、兩端細(xì)的圓筒狀構(gòu)型。根據(jù)變徑段曲線不同形式，異型B型套筒基于4種構(gòu)型進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計，研究中采用三個長度參數(shù)（600 mm、800 mm、1000 mm）和五個可修復(fù)缺陷高度參數(shù)（5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、37 mm）來分析均勻載荷下的應(yīng)力分布。分析采用的被修復(fù)管道外徑為508 mm。

變徑段的曲線設(shè)計是本文研究的重點(diǎn)之一，根據(jù)曲線表達(dá)函數(shù)的不同，研究中將變徑段分為一次曲線型、二次曲線型和高次曲線型。基于該思路，本研究設(shè)計了4種異型套筒構(gòu)型：直線導(dǎo)角型、橢圓曲線型、拋物線型和Sigmond曲線型。以直線導(dǎo)角型異型套筒為例，套筒的截面形狀被定義為幾個不同的元素，即：直線段L1和L2；圓弧段R1和R2。每種異型套筒構(gòu)型及關(guān)鍵尺寸等的詳細(xì)說明見圖 1～圖 4。

圖 1 直線導(dǎo)角型套筒結(jié)構(gòu)

圖 2 橢圓曲線型套筒結(jié)構(gòu)

圖 3 拋物線導(dǎo)角型套筒結(jié)構(gòu)

圖 4 Sigmond曲線型套筒結(jié)構(gòu)

圖中根據(jù)套筒構(gòu)型的不同分別設(shè)置一個初始的優(yōu)化參數(shù)，即指定大徑段、小徑段的長度和各導(dǎo)角的半徑。初始值的設(shè)置不影響最終的優(yōu)化結(jié)果。

在獲得4種套筒結(jié)構(gòu)形式后，使用參數(shù)化建模工具Cero3.0軟件生成四種不同套筒構(gòu)型的分析模型，以便對這些模型進(jìn)行有限元分析。計算及分析目的是優(yōu)化各構(gòu)型B型套筒的關(guān)鍵參數(shù)，最大限度地減少應(yīng)力集中。

1.2  有限元模型

以直線導(dǎo)角型B型套筒為例，為了避免異形套筒的端部效應(yīng)，套筒端部的長度延長到2.5 m。邊界條件為遠(yuǎn)端兩端面固結(jié)，管道及套筒內(nèi)壓載荷條件為8 MPa法向均壓。結(jié)構(gòu)評估以L長度上的應(yīng)力集中水平為優(yōu)化對象。以直線導(dǎo)角型B型套筒為例，優(yōu)化前設(shè)置的初始尺寸如表 1所示。

表 1 直線導(dǎo)角型B型套筒優(yōu)化初始參數(shù)

1.3  優(yōu)化目標(biāo)

本文的主要目標(biāo)是找到滿足以下條件的最佳套筒輪廓及其結(jié)構(gòu)尺寸，計算中應(yīng)滿足以下條件：

應(yīng)力集中系數(shù)小于2；異形B型套筒的最大應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的72%。

對于套筒的應(yīng)力集中優(yōu)化，選擇四個目標(biāo)函數(shù)，即：σRatio為應(yīng)力集中系數(shù)=最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之比；σmax為套筒段最大VonMises應(yīng)力；σavg為套筒段的平均VonMises應(yīng)力；σmin為套筒段最小VonMises應(yīng)力。

2  應(yīng)力計算與結(jié)果分析

2.1  設(shè)計空間

以直線導(dǎo)角型B型套筒為例，存在四個設(shè)計變量（L1、L2、R1、R2），每個變量取4個因子的初始設(shè)置值，以形成設(shè)計空間。本研究中涉及的異形B型套筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計考慮了各種因素對計算結(jié)果的影響，包括大徑段長度L1、大徑段與變徑段導(dǎo)角R1、小徑段長度L2和小徑段與變徑段導(dǎo)角R2。計算中采用控制變量法和正交實(shí)驗法來減少模擬次數(shù)，通過對單個因素的模擬和數(shù)學(xué)模型的建立，研究了不同因素的影響規(guī)律，進(jìn)而綜合分析了多因素的影響，建立了統(tǒng)一的影響面和參數(shù)影響水平相關(guān)矩陣。利用不同參數(shù)組合的仿真結(jié)果對預(yù)測模型進(jìn)行驗證和改進(jìn)，確保優(yōu)化模型的可靠性。

在優(yōu)化計算過程中，目標(biāo)函數(shù)收斂誤差小于0.1%。采樣點(diǎn)選擇使用中心復(fù)合設(shè)計方法，其中采樣點(diǎn)由中心點(diǎn)、輸入變量軸的端點(diǎn)和水平因子點(diǎn)組成。通過這種方法形成的部分因子樣本點(diǎn)的數(shù)量隨著設(shè)計變量的增加而增加，根據(jù)N=1+2n+（2n-f）計算（其中f是部分因子的數(shù)量，n是輸入?yún)��?shù)的數(shù)量，N是形成的樣本點(diǎn)的數(shù)目）。總共需要計算25個模型。

根據(jù)相關(guān)修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)中的推薦尺寸條件，其約束條件為：L1>110、L2>80、R1>60、R2>36。此外，空間幾何圖形約束的限制如下：

2.2  不同缺陷高度和套筒長度的異型套筒優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)有限元計算分析，得出了各構(gòu)型套筒的優(yōu)化后參數(shù)。限于篇幅，本文給出了直線導(dǎo)角型和Sigmond曲線型的最終優(yōu)化結(jié)果。

直線導(dǎo)角型套筒優(yōu)化結(jié)果見表 2，優(yōu)化結(jié)果表明，缺陷高度越大，應(yīng)力集中系數(shù)越大，套筒應(yīng)力儲備裕度越小。表 3所示的計算結(jié)果表明，異型套筒可修復(fù)缺陷高度越大，套筒長度越小，應(yīng)力集中系數(shù)越大，相應(yīng)的套筒應(yīng)力儲備裕度越小。

表 2 直線導(dǎo)角型套筒優(yōu)化結(jié)果

表 3 直線導(dǎo)角型套筒應(yīng)力集中系數(shù)優(yōu)化結(jié)果

圖 5說明了缺陷高度與套筒應(yīng)力集中系數(shù)之間的關(guān)系。圖中x軸表示以毫米為單位的缺陷高度，而y軸表示套筒應(yīng)力集中系數(shù)。相同參數(shù)水平下的套筒應(yīng)力分布結(jié)果比較表明，缺陷高度與套筒應(yīng)力集中因子呈正相關(guān)，套筒長度與套筒應(yīng)力集中因子負(fù)相關(guān)。此外，缺陷高度與套筒的最大VonMises應(yīng)力呈正相關(guān)，而套筒長度則呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)缺陷高度保持不變時，較大的套筒長度下套筒應(yīng)力集中系數(shù)較小，相應(yīng)的應(yīng)力儲備裕度越大，反之亦然。

圖 5 直線導(dǎo)角型套筒尺寸參數(shù)對應(yīng)力集中系數(shù)的影響

Sigmond曲線型套筒優(yōu)化結(jié)果，其結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)相關(guān)修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的尺寸條件及其約束條件，確定設(shè)計變量L1>110、L2>80。此外，空間幾何圖形約束的限制如下：

L1+L2<L/2

最終優(yōu)化結(jié)果匯編見表 4。

表 4 Sigmond曲線型套筒優(yōu)化結(jié)果（套筒長度 L=600 mm）

計算結(jié)果與直線導(dǎo)角型套筒類似，即缺陷高度越大，應(yīng)力集中系數(shù)越大，套筒應(yīng)力儲備裕度越小。表 5所示的計算結(jié)果表明，Sigmond曲線型套筒可修復(fù)缺陷高度越大，套筒長度越小，應(yīng)力集中系數(shù)越大，相應(yīng)的套筒應(yīng)力儲備裕度越小。

表 5 Sigmond曲線型套筒應(yīng)力集中系數(shù)優(yōu)化結(jié)果

此外，圖 6中所示的計算結(jié)果表明，應(yīng)力集中因子隨著缺陷高度的增加而增大，而隨著套筒長度的增加而減小。此外，套筒的最大VonMises應(yīng)力與缺陷高度呈正相關(guān)，與套筒長度負(fù)相關(guān)。

圖 6 Sigmond曲線型套筒尺寸參數(shù)對應(yīng)力集中系數(shù)的影響

綜上，缺陷高度和套筒長度在決定套筒的應(yīng)力集中系數(shù)、套筒應(yīng)力儲備裕度和最大VonMises應(yīng)力方面起著重要作用。這項研究的結(jié)果表明了關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對異形套筒性能的影響，并為該類異型套筒選擇合適的結(jié)構(gòu)和可修復(fù)缺陷尺寸參數(shù)方案提供參考。

2.3  不同構(gòu)型異型B型套筒優(yōu)化結(jié)果

表 6中，1表示直線導(dǎo)角型套筒，2表示橢圓曲線型套筒，3表示拋物線導(dǎo)角型套筒，4表示Sigmond曲線型套筒。計算結(jié)果表明，當(dāng)套筒長度為600/800mm時，橢圓曲線型應(yīng)力集中因子最小，而當(dāng)套筒長度為1000 mm時，直線導(dǎo)角型套筒應(yīng)力集中因子最小。此外，橢圓曲線型在套筒長度為600/800 mm計算得到的最大應(yīng)力值最小，而當(dāng)套筒長度為1000 mm時，直線導(dǎo)角型/Sigmond曲線型套筒計算得到的最大應(yīng)力值最小。

表 6 不同構(gòu)型異型套筒優(yōu)化結(jié)果及優(yōu)選方案

3  結(jié)論

（1）基于變徑段曲線不同形式，設(shè)計了4種不同構(gòu)型的異型B型套筒，分別為直線導(dǎo)角型、橢圓曲線型、拋物線導(dǎo)角型和Sigmond曲線型。

（2）采用全參數(shù)化建模方法開展了各構(gòu)型的異型套筒有限元計算，采用多目標(biāo)遺傳優(yōu)化方法，對具有特定缺陷高度和套筒長度的異型B形套筒的設(shè)計變量參數(shù)進(jìn)行了初始設(shè)置和邊界條件限制，得到了合適的結(jié)構(gòu)尺寸組合，以便提高計算效率并選出最優(yōu)構(gòu)型。

（3）設(shè)計了一系列可修復(fù)缺陷高度和套筒長度以進(jìn)行對比分析，每種構(gòu)型的異型套筒均計算了5種缺陷高度和3個套筒長度下的應(yīng)力分布。結(jié)果表明，當(dāng)套筒長度為600/800 mm時，橢圓曲線型套筒應(yīng)力分布結(jié)果最優(yōu)；當(dāng)套筒長度為1000 mm時，直線導(dǎo)角型套筒應(yīng)力分布結(jié)果最優(yōu)。

（4）從工程應(yīng)用方面考慮，建議異型套筒加工時優(yōu)先選用直線導(dǎo)角型套筒，加工難度相對較小，且關(guān)鍵尺寸更易控制和檢測；可將橢圓曲線型套筒作為備選方案，待加工及測量條件允許時再行應(yīng)用。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]Wang, Y., Zhang, Y., Zhang, J., & Li, X. A study of the mechanical behavior of B-type sleeves for oil pipelines. Journal of Petroleum Science and Engineering, 145, 20-28. 2016.

[2]Li, X., Wang, Y., Zhang, Y., & Zhang, J. A review of B-type sleeves for oil pipelines. Journal of Pipeline Engineering, 17(1), 1-10. 2018.

作者簡介：張皓，1990年生，畢業(yè)于西安交通大學(xué)航天學(xué)院，高級工程師，現(xiàn)從事油氣輸送管道及站場設(shè)備安全評價及失效分析研究。聯(lián)系方式：15829616623，zhanghao6@cnpc.com.cn。