考虑基础沉降的油气输送管道数值模拟分析.pdf
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1、研究与分析 2 0 1 5 年 第4 期( 第2 8 卷, 总 第1 3 8 期 ) 机械研究 与应用 考虑基础沉降的油气输送管道数值模拟分析 刘金梅 , 邵 ( 1 东北石油大 学 机械 科学与工程 学院, 黑龙 江 大庆 婷 , 张国威 , 周国强 1 6 3 3 1 8 ; 2 大庆化工有限公司轻烃分公 司, 黑龙江 大庆1 6 3 3 1 8 ) 摘要 : 为确保整套 系统 的安全 运行 , 以某输 气管道 为研 究对 象进行 三维数值模 拟方 法的研 究。依据 经典力 学理 论 , 分析 了在均匀内压作用下管道的应力特征 , 总结对比了管道的失效准则。在此基础上建立了管道的三维数值模
2、型, 考虑基础沉降的影响对管道变形与力学状态进行 了数值模拟 , 分析并得到管道应力随基础沉降量的变化规律。结果 表明: 应用该方法可以比较真实地模拟出管道的应力和变形分布规律, 确定管道基础沉降的敏感位置和沉降临界值, 为管道的现场施工、 实时监测和安全性分析提供有价值的参考意见。 关键 词 : 油气输送 ; 管道 ; 失效准则 ; 数值模拟 ; 基础沉降 中图分类号: T P 2 7 7 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 7 4 4 1 4 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 0 6 0 3 Nume r i c a l S i mul a t i O n O f oi l a
3、 n d Ga s Tr a ns m i s s i o n Pi p e l i ne unde r Fo un da t i o n S e t t l e m e nt L I U J i n - me i ,S HAO T i n g ,Z HANG Gu o we i ,Z HOU G u o - q i a n g ( J Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g C o l l e g e , N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n iv e r s i t
4、y , D a q i n g H e i l o n g j i a n g 1 6 3 3 1 8 ,C h i n a ; 2 L i g h t H y d r o c a r b o n B r a nch C o m p a n y o fD a q i n g C h e m i c a l C o , L t d , D a q i n g H e i l o n g j i a n g 1 6 3 3 1 8 , C h i n a ) Ab s t r a c t :T o e n s u r e t h e s a f e o p e r a t i o n o f t
5、h e e n t i r e s y s t e m ,r e s e a r c h o n 3 D n u me r i c a l s i mu l a t i o n of a g a s p i p e l i n e i s c a r r i e d o u t i n t h i s a r t i c l e Ac c o r d i n g t o t h e c l a s s i c a l me c h a n i c s t h e o r y ,t h e s t r e s s c h a r a c t e ri s t i c o f p i p e l
6、i n e u n d e r u n i f o r m i n t e r n a l p r e s s u r e i s a n a l y z e d,a n d t h e f a i l u r e c r i t e r i o n o f p i p e l i n e i s s u mma ri z e d a n d c o mp a r e d On t h i s b a s i s , 3 D n u me ri c a l mo d e l i s e s t a b l i s h e d,a n d t h e d e f o r ma t i o n a
7、 n d me c h a n i c s s t a t e o f p i p e l i n e u n d e r f o u n d a t i o n s e t t l e me n t are s i mu l a t e d T h e c h a n g e r u l e o f s t r e s s v a ryi n g w i t hu n d a t i o n s e t t l e me n t i s t h e n o b t a i n e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p i p e l i n
8、 e s t r e s s a n d d e f o rm a t i o n d i s t r i b u t i o n a r e r e a l l y s i mu l a t e d,t h e n t h e s e n s i t i v e p o s i t i o n a n d c ri t i c a l v a l u e o f t h e f o u n d a t i o n s e t t l e me n t of p i p e l i n e a r e d e t e rm i n e d Th u s i t c o u l d p r o
9、v i d e v a l u a b l e r e f e r e n c e o p i n i o n s f o r s i t e c o n s t r u c t i o n,r e a l - t i me mo n i t o rin g a n d s afe t y a n aly s i s o f p i p e l i n e Ke y wo r d s :o i l a n d g a s t r a n s mi s s i o n;p i p e l i n e ;f a i l u r e c ri t e r i o n;n u me ri c a l
10、s i mu l a t i o n;f o u n d a t i o n s e t t l e me n t O 引 言 输气管道作为一种特殊的运载工具 , 输送的介质 通 常易燃 、 易爆或具有毒性 , 并 常常伴有高温高压 , 一 旦发生意外事故 , 将可能引起燃烧、 爆炸、 环境污染等 恶性后果。同时 由于受到工 程实际 、 地质条件 的限 制 , 许多管道敷设在软土地基上 , 而软土地基承载力 低 , 承载后变形较大, 容易致使敷设在其上的管道由 于沉降而遭到破坏 J 。为保障整套 系统 的安 全运 行 , 研究油气输送管道在基础沉降下 的结构性 能, 在 事故可能发生前给出安全
11、预警是十分必要 的 。 以某输气管道为研究对象, 借助数值分析的方法 建立管道三维模型来研究基础沉降下 管道 的结构性 能 , 旨在为今后的管道施工、 检测和安全性分析提供 参考。 1 管道应力分析 1 1 基本假设 在进行管道应力分析时 , 忽略管道材料的物理特 质和构成等细微的影响, 作如下假设 : ( 1 )管道物质结构是连续 的, 即假设管道内部完 全 由连续的介质充满 , 没有间隙 , 则应力 、 应变 、 位移 等在管道内的分布也视为连续 。 ( 2 )管道的物质结构是均匀且各向同性的, 即整 体管道是由相同材料构成 , 介质的物理特质如弹性模 量 、 泊松比等为常数。 ( 3 )
12、管道在弹性变形范围内是完全 弹性 , 即作用 于管道 的外力撤去之后 , 物体能够完全恢复到原来的 形状而且没有任何的变形残余 。 ( 4 )管道 内没有原始 的应力。管道在外加荷载 或者温度作用之前 , 是处于 自然状态。 ( 5 )管道的位移 和变形是微小的。即在外力作 用下 , 管道 由于变形 而引起 的各点位移 , 远远小于物 体 自身的尺寸, 因此在建立受力作用 的平衡方程 时 , 可以不考虑管道的尺寸变化 。 ( 6)管道 内的流体 流动是定 常流 动 的。 即管 道 内流 体 是 不 可 压 缩 流 体 , 且 流 动 参 数 与 时 间 无 关 收稿 日期 : 2 0 1 5
13、0 6 1 9 基 金项目 : 中国石油科技创新基金 ( 编号 : 2 0 1 3 D一 5 0 0 6 0 6 0 4 ) 黑龙江省 自然科学基金 ( 编号 : E 2 0 1 4 0 8 ) 联合资助。 作者简介 : 刘金梅 ( 1 9 7 5 一 ) , 女 , 黑龙江安达人 , 博士 , 副教授 , 硕士研究生导师 , 主要从 事油气 田地面工程方面的工作 。 6 杌械研究与应用 2 0 1 5 年 第4 期( 第2 8 卷, 总 第1 3 8 期) 研究与分析 1 2应力分析 基于经典理论 , 管道在均匀 内压的作用下 , 管 壁将产生三个应力分量 , 即 : 轴 向应力 、 周向应
14、力和径 向应力 , 具体分析时截取其 中一扇形六面体微元 , 如 图 l所示 。 图 1 三维管道单元 ( 1 )轴 向应力是作用于平行管子轴线的正应力 , 其 中包括 : 由作用 于管道的轴力引起 的轴 向应力 ; 由作用于管道的内压引起的轴向应力; 由管道弯 曲引起的轴 向应力 , 简称弯曲应力。弯曲应力在管道 中轴线上为零 , 从顶面线受最大压应力沿截面线性变 化到底面线受最大拉应力 。弯曲应 力与管道截面 到 中性轴的距离成线性 比例。 轴 向应力计算公式如式 ( 1 ) : FA xP R0 M , 1 、 z + + ll 式 中: 是轴 向应 力 ; F 是界 面上 的内力 ;
15、A 是管 壁截面面积 ; P是 内压 ; R 。是管道外半径 ; R 是管道 内半径 ; 是作用在截面上 的弯矩 ; Z是管道抗弯截 面系数 。 ( 2 )周向应力 由内压引起 , 方 向是垂直于管道轴 向且平行于管壁圆周切线。计算公式如式( 2 ) 。 P R 0 ( 2 ) 式 中: 盯 。 是周向应力 。 ( 3 )径 向应力 由内压 引起 , 方 向与管道 半径平 行 。径 向应力的变化范 围从等于管道 内壁表 面上 的 内压到等于管子外壁表 面上的大气压之 间。计算公 式如式 ( 3 ) 。 P i ( + T 2 ) l + 一J ( 3 ) 式 中: or 是径向应力 ; K是管
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- 关 键 词:
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