陶偉莉 袁會(huì )贊 劉金寶 程志杰

中國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(zhuān)門(mén)針對管道腐蝕或裂紋泄漏的快速搶修機具，在管道運行過(guò)程中直接覆蓋管道泄漏點(diǎn)，快速安裝完成后立即恢復管道的正常運行。為確保搶修卡具結構合理，需對其初步設計整體建模，通過(guò)有限元應力、位移模擬分析，提出優(yōu)化建議并據此確定最終加工圖紙。優(yōu)化設計的卡具結構更合理，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)化設計

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(guò)對卡具進(jìn)行結構有限元優(yōu)化設計，可確�？ň叱袎憾侣┟芊庑Ч�，最大限度優(yōu)化卡具殼體結構實(shí)現卡具的輕量化設計，便于現場(chǎng)的快速安裝，降低制造成本。

1  有限元分析基本原理

非線(xiàn)性有限元分析數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。對比三種數值求解方法，牛頓－拉普森（N-R）法在自校正增量法的基礎上，對每一級增量過(guò)程進(jìn)行多次校正，以此消除不平衡力，使得計算結果滿(mǎn)足給定的精度要求。通過(guò)使用平衡迭代，迫使在每一個(gè)載荷增量結束時(shí)，在某個(gè)容限范圍內求解并最終達到平衡收斂。其收斂速度為二階，對于正定二次函數一步迭代即達最優(yōu)解，收斂速度快，優(yōu)選此方法進(jìn)行計算。

2  卡具分析模型的建立和約束

根據工程應用實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析。以設計壓力10 MPa、1016 mm對開(kāi)式泄漏搶修卡具的優(yōu)化設計為例。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對于應力集中、接觸面處受力的關(guān)鍵部位進(jìn)行了加密、細化，如細化圓弧過(guò)渡處、上下殼體的接觸面、螺栓孔及螺栓孔與殼體連接周?chē)�，從而使計算精度得以提高�?o:p>

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  卡具受壓分析結果

沒(méi)有管路約束時(shí)卡具的應力分析結果。通過(guò)分析卡具殼體Y向位移，在弧頂處最大位移為6.8 mm，耳板內側的張口為2.04 mm（圖 1）。變形量已經(jīng)超出密封允許范圍，肯定無(wú)法實(shí)現承壓密封。根據分析結果多方查找原因，最終認為沒(méi)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。上下耳板接觸內側張口1.66 mm，弧頂處最大位移為3.1 mm（圖 2、圖 3）�；№斕幬灰破�大，可能會(huì )出現承壓泄漏的情況。

圖 2 卡具整體應力分布情況

圖 3 卡具Y向位移分布

4  優(yōu)化設計

通過(guò)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(zhù)卡具殼體環(huán)形厚度越厚，卡緊螺栓的應力有所降低�？ň邚埧谧冃闻c螺栓應力變化見(jiàn)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力關(guān)系

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

如表 2所示，優(yōu)化后卡具殼體的最大應力有所降低，殼體弧頂的位移明顯減小，開(kāi)口位移減小了34%，螺栓應力有所增高，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，但應力仍小于A(yíng)SME《鍋爐及壓力容器規范VIII》規定的屈服強度�？ň咦冃螐埧跐M(mǎn)足密封承壓要求，可達到承壓10 MPa不泄漏的預期指標。

表 2 優(yōu)化后卡具殼體的應力和位移情況

5  結語(yǔ)

綜合考慮卡具殼體和耳板厚度對卡具位移和應力的影響，建議有限元優(yōu)化設計時(shí)在確保螺栓應力滿(mǎn)足條件的前提下，適當降低殼體厚度和耳板厚度以有效降低卡具重量，達到更好的承壓密封效果。優(yōu)化設計后的搶修卡具結構更為合理，重量相對較輕，便于快速安裝。優(yōu)化設計后的10 MPa、1016 mm對開(kāi)式泄漏搶修卡具經(jīng)應用測試，承壓10 MPa無(wú)泄漏，實(shí)測耳板內側最大開(kāi)口變形1.16 mm，實(shí)現預期指標，與有限元分析結果吻合。

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