轴向穿透裂纹管道套管止裂性能分析.pdf
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1、第 3 9 卷第 1 期 2 O】 0年 1月 石油化工设备 PE TRO CHEMI CAL EQUI PMENT Vol _ 3 9 No 1 J a n 2 0 1 0 文章编号 :1 0 0 0 7 4 6 6 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 3 2 0 4 轴 向穿透裂纹管道套管止裂性能分析 喻健 良,李 一 丁 秦 磊 ,董 硕 ( 大连理工大学 化 工过程机械学院 ,辽宁大连 1 1 6 0 2 3 ) 摘 要 :管道缺 陷严 重影 响 着管道 的安全 使 用 , 而缺 陷管道 修 复 中最 常见 的 方 法是套 管修 复 。对轴 向 穿透 裂纹 管道 裂纹 区域 内套管
2、 止 裂方 法进 行 了分析 , 利 用有 限元 分 析 方 法 , 通过 止 裂 系数 厂衡 量套管的止裂效果 , 并对其影响因素进行 了研 究。结果表 明, 厂与管道壁厚 、 裂纹半长 a 、 套管位 置 L 、 套 管壁厚 及 套管 长度 L。 有 关 , 与 裂纹 管道 的管径 D 无 关 。 同时给 出了不 同形 式 下套 管 修复裂纹管道的推荐参数以及止裂 系数 厂的拟合公式。 关 键词 :压力管道;套管;有限元分析;轴向穿透裂纹;止裂系数 中图分 类号 :TE 9 7 3 文献标 志码 :A An a l y s i s o n Cr a c k Ar r e s t Pe r
3、f o r m a nc e o f Ax i a l Th r o u g h wa l l Cr a c k Pi pe Re p a i r e d b y S l e e v e YU J i a n l i a n g ,LI Ni n g ,QI N L e i ,DONG S h u o ( Ch e mi c a l Pr o c e s s Ma c h i n e r y,Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ,Da l i a n 1 1 6 0 2 3 ,Ch i n a ) Abs t r a c t
4、:Pi pe l i ne de f e c t s s e r i ous l y a f f e c t t he us i ng o f pi pe l i ne s a f e l y, t he s l e e v e r e pa i r i s t he mo s t c ommon me t ho d f o r t he pi p e l i n e d e f e c t s r e pa i r Ana l y s i s f o r s l e e v e r e pa i r t e c hno l o gy t o a n a x i a l t h r o ug
5、hwa l l c r a c k pi p e wi t hi n c r a c k a r e a wa s p r e s e nt e d by us i n g f i ni t e e l e me nt me t h od Th r o u g h t h e c r a c k a r r e s t c o e f f i c i e n t , t h e c r a c k a r r e s t e f f e c t wa s e v a l u a t e d F a c t o r s wh i c h a f f e c t e d t h e c r a c
6、 k a r r e s t c o e f f i c i e n t f we r e s t u d i e d Th e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t_厂h a d a r e l a t i o n wi t h wa l l t h i c kne s s o f pi pe , c r a c k h a l f l e ng t h a, l o c a t i on o f s l e e v e L , wa l l t hi c kne s s of s l e e ve 。 , l e n gt h of s l e e
7、 v e L, a n d f wa s i n s i g n i f i c a n t e f f e c t wi t h d i a me t e r o f p i p e D。 Re c o mme n d e d p a r a me t e r s o f s l e e v e i n d i f f e r e n t f o r ms we r e g i v e n, a n d t h e e x p r e s s i o n s o f t h e c r a c k a r r e s t c o e f f i c i e n t f we r e f i
8、t t e d K e y wo r ds: p r e s s u r e p i p e; s l e e ve ; f i ni t e e l e m e nt a na l y s i s; a xi a l t h r o ug hwa l l c r a c k; c r a c k a r r e s t c oe f f i C j e nt 流体 输 送管道 在 服 役 过 程 中会 因腐 蚀 、 机 械 损 伤等原因产生缺陷, 这些缺陷的存在与发展将会降 低 管道 运行 的安 全 性 。针 对 含 缺 陷 旧管 道 的 修 复 , 目前已经开发出多种方法 , 其中, 焊接
9、补疤 、 作套袖 或更换管 段 等传 统 的修 复补 强 方法 使 用 十分 普 遍 。套 管修 复 作 为 一 种 常 见 的修 复方 式 , 在 工 程实际中大量应用 , 但对其修复效果的理论分析较 少 , 对其 影 响 因素 的研 究也很 少 。 很 多管 道 缺 陷可 以规则 化 为 穿透 裂 纹 , 其表 征 尺 寸为穿 透裂 纹长 度 2 。 , 轴 向穿 透裂 纹是 承 受 内压 管道比较危险的一种缺陷形式 。文献 6 对轴 向 穿透裂纹管道采用加强筋止裂的性能进行 了研究 , 但 在现有 的研 究 中 , 对其 进 行 套 管 止裂 的理 论分 析 不多。为此 , 文中采用有限
10、元分析方法 , 对裂纹区域 内套管修复轴 向穿透裂纹的止裂性能及其影响因素 进行 了分 析 。 收稿 日期 :2 0 0 9 0 7 2 8 作者简介 :喻健 良( 1 9 6 3) , 男 , 湖南益 阳人 , 教授 , 顾士 , 主要从事 压力容器 安全 及燃烧爆 炸抑 制工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 1期 喻健 良 , 等 : 轴 向穿 透裂纹管道套管止裂性能分析 1 有限元模拟方法 1 1 有限元模型的建立 裂纹区域内套管轴向穿透裂纹管道几何模型见 图 1 。套管采用对称布置 , 裂纹管道受 内压 载荷作 用 , 仅 仅考 虑线 弹性状 态
11、 , 选用 断裂参 量 为应 力强 度 因子 K。止 裂 系数 厂是 衡 量 套 管 止 裂 效 果 的 物 理 量 , 定 义为含 套管 裂纹 管道 的 应力 强 度 因子 K 与 不 含 套管 的应力 强度 因子 K。的 比值 。各 参 量 含 义 如 下 , a为穿透 裂 纹 半 长 , 为 裂 纹 管 道 壁 厚 , D。为 裂纹 管道 外径 , L 为裂 纹 中心 到 套 管 的距 离 , L 为 套 管长度 , 为套 管壁 厚 , mm。 有 限元 分 析 软 件 选 用 ANS YS , 裂 纹 尖 端 采 用 S O L I D 9 5退 化 奇异 单元 , 外 围采 用 S
12、OI I D4 5单 元 。 套管 与裂 纹管道 紧 密贴合 , 保 持变 形一 致 , 耦 合 套管 侧边与裂纹管道接触的节点, 使其具有相 同的 自由 度 。 由于 几何模 型 和载荷 对称 , 仅 建 1 4模 型 , 在边 界施加对称边界条件 。采用 ANS Ys自带的模块求 解应力 强度 因子 值 。 J r f l I I 口 J 一 L g 图 1 套 管 裂 纹 管 道 几 何 模 型 1 2 有限元模型的验证 建 立 穿 透裂 纹 管 道模 型 , 计 算 内压 作 用下 不 同 管径 、 不 同壁厚 、 不 同裂纹 长度 的穿 透裂 纹管 道 的应 力强度 因子 K值并与文
13、献E s 理论公式计算值进行 比较 , 结 果 见表 1 。 表 1应 力 强 度 因 子 K值 结 果 比较P am 由表 1可 知 , 利 用 ANS YS计 算 得 到 的数 值 与 理论值非常接近 , 说 明了用有限元方法模拟穿透裂 纹是可 行 的 。 2 套管止裂 性能分析 选取输送 流体 用 03 2 5 mm8 mm 裂 纹管 道 为 研 究对象 , 裂 纹长度 6 5 mm, 内压 p 一1 6 MP a 。利 用 ANS YS的 AP D L语 言 , 以套管 位 置 , J “ 、 套 管 长 度 比 L 。 、 套管壁厚 比 、 裂纹长霞比 a D 。和管道 厚径比 D。
14、 为参数 , 对止裂 系数 ,进行 了计算和分 析 。套管裂 纹模型 见 图 2 。 裂 纹尖 端位 置套 管结 构 比 较 复杂 , 不在本 文讨论范 围之 内 , 根据 图 2 b有 限元模 型 几何条件 , 有 L a +L “ O 7 5 。 一 ( a ) L a = O ( b ) L x a = O 2 8 图 2 套 管裂纹模型示 圈 2 1 套 管位 置 L n对 影 响 选套 管长 度 比 L a = 0 1 2 5 , 裂 纹 长度 “ D。 一 0 2为基本参数 , 在不 同的 a、 L “条件下 的 计 算值 见 表 2 , 变化关 系 见 图 3 。 表 2 套 管
15、长度一定时止裂 系数 ,值 _ 02 o 4 0 6 0 8 1 o 1 2 1 5 7 L a 图 3 套管长度 定时止裂系数 l厂与L n关 系 由图 3可 看 出, _厂值 随 L n增 大而 变化 , 当 L n在 0 1 2 5 0 2 5时, 厂有极小值 , 当 L a0 5 后 , _厂明显增大。即当厚度 比相同时, 在套管长度较 小的条件下 , 套管位置靠近裂纹中心时止裂效果好 于靠近裂纹尖端 , 其最佳位置位于 L n 一0 2 处 , 且 5 3 4 0 3 2 2 3 6 2 2 5 2 9 4 9 5 1 7 4 9 8 7 7 7 6 6 5 0 O O 0 0 O
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- 轴向 穿透 裂纹 管道 套管 性能 分析
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