天然气管道用汇气管大开孔有限元分析及评定.pdf

第 4 2 卷增 刊 1 2 0 1 3年 8月 石油化工设备 P ETRO- CHEMI CAL EQUI P M E NT Vo 1 ． 42 Supp l e m e nt 1 Au g． 20 13 文章 编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 3 增 刊 1 - 0 0 2 9 0 4 天然气管道用汇气管大开孑 L 有限元分析及评定 杜 亮坡 ，郭 磊 ，东志红 ，高 枫 ，耿 正 ，李恒 东 中国石油天然气管 道工程有限公司 ，河北 廊坊0 6 5 0 0 0 摘要 建立了天然气管道用汇气管的几何模型和有限元模型， 对汇气管进行了有限元分析及强度校核， 评定了汇气管正常操作工况下的疲劳寿命， 认为有限元分析设计能解决常规设计不能解决的问题。 关键 词 天然气管道；汇气管；大开孑 L ； 有限元分析 中图分 类号 T E 9 7 3 ；TQ 0 5 5 ． 8 文献标 志码 B d o i I O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 3 ． s 1 ． 0 0 8 Fi n i t e El e m e n t Ana l y s i s a n d Ev a l u a t i o n o f He a d’ S t h e La r g e Op e n i n g Re i nf o r c e me n t i n t h e Na t u r a l Ga s Pi p e l i n e En g i n e e r i ng DU Li a ng - p o，GUO Le i ，DONG Zhi h o ng，GAO Fe n g， GENG Zh e ng，LI He n g - do n g Ch i n a P e t r o l e u m Pi p e l i n e En g i n e e r i n g Co r p o r a t i o n，La n g f a n g 0 6 5 0 0 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e g e o me t r y mo d e l a n d f i n i t e e l e me n t mo d e l o f h e a d e r i n t h e n a t u r a l g a s p i p e l i n e e n g i n e e r i n g we r e e s t a b l i s h e d ．Th e s t r e n g t h o f h e a d e r we r e c h e c k e d a n d a n a l y z e d ，t h e f a t i g u e l i f e o f he a de r i n t he d e s i gn pr e s s ur e c o nd i t i o ns wa s a s s e s s e d． The s umm a r i z a t i o n i s t h a t t he f i n i t e e l e - m e nt a n a l y s i s c a n s o l ve t h e p r ob l e m t ha t c a n t b e s o l ve d by u s i n g t he c on v e nt i o n d e s i g n m e t ho d． Ke y wo r d sn a t u r a l g a s p i p e l i n e ；h e a d e r ；l a r g e o p e n i n g；f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s 天然气作为一种高效、 清洁的能源 ， 越来越受到 世界各国的青睐。 目前天然气管道 向着 大 口径 、 高 压力和高强度的趋势发展 ， 天然气工程用汇气管的 规格及开孔率也越来越 大 ] 。应用常规的设计方 法已不能满足汇气管的强度设计_ 3 ] ， 采用有 限元分 析计算则能更好地满足天然气管道设计要求 ] 。文 中对某天然气管道用大开孔汇气管进行了有限元分 析及强度校核 ， 评定了 [ 气管在正常操作 工况下 的 疲 劳 寿命 。 1 几何模 型 汇 气管 设计 压力 4 ． 0 MP a ， 操 作压 力 3 ． 5 MP a ， 工作温度为 0 ～2 5℃， 设计温度最低一1 o℃、 最高 6 0℃， 卧式水压试验压力为 9 ． 4 5 MP a ， 气密性试验 压力为 6 ． 3 MP a ， 工作介质为净化天然气 ， 腐蚀裕量 为 2 mm。其 主 要 尺 寸 主 管 尺 寸 O6 0 0 mm 2 O mm 去除 2 mm 的腐蚀余量 ， 长度 5 2 9 5 mm； 异径接管小段尺寸 4 8 6 mm2 0 mm 去除 2 mm 的腐蚀余量 ， 长度 5 0 8 mm； 接管尺寸 0 4 5 1 mmX 3 0 ram 去除 2 mm的腐蚀余量 。 汇气 管整 体 几 何 模 型 见 图 1 ， 封 头 端 部 局 部 视 图见 图 2 ， 异 径接 头端 部局 部视 图见 图 3 ，鞍座几 何 图 1 汇气管整体 几何 模型 图 2 汇气管封头端部几何模 型 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 3 0 2 作 者简介 杜亮坡 1 9 8 0 一 ， 男 ， 河北邯郸人 ， 工 程师 ， 硕士 ， 主要从事非标设备及压力容器设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 石油化工设备 2 0 1 3 年第 4 2卷 下交 变 应 力 强 度 幅 S l 一 3 ． 5 ／ 4 ． 00 ． 5 2 8 8 1 2 6 M Pa。 按 J B ／ T 4 7 3 2 1 9 9 5 钢 制 压 力 容 器 分 析 设计标准 中附录 C 2 ． 2节计算 ] ， S a l 1 2 1 0 ／ 2 0 6 1 2 6 1 2 8 ． 4 5 MP a 。由文献[ 6 ] 图 c 一 1查得对应的 许 用循环 次数 N一1 2 9 0 0 0次 ， 实 际循环 次数 l O 5 0 0 次 ， 使用系数 U 一n ／ N0 ． 0 8 1 4 0 ， 累计使用系数 u U 一0 ． 0 8 1 4 O 1 ． 0 。根据文献[ 6 ] 中累积使用系 数 U不得大于 1 ． 0的规定 ， 汇气管满足疲劳强度 的 要 求 。 5 结 语 天然气 管道 向着大 口径 、 高压力和高强度的趋 势 发展 ， 应 用有 限元 分 析设 计 法 对 天然 气 管 道用 汇 气管进行设计 ， 可以更加有效地解决常规设计不能 解决的问题 。特别是对汇气管的疲劳寿命设计 ， 应 用常 规设计 方法无 法求 解 出汇气 管在设 计压力 下 的 峰值 应力 ， 而采 用有 限 元分 析 设 计 则 可 以有 效 求解 汇气 管 的 峰 值 应 力 ， 并 对 汇 气 管 的疲 劳 寿 命 进 行 评 定 。 参 考 文 献 [ 1 ] GB 5 0 2 5 1 --2 0 0 3 ， 输气管道工程设计规范[ s ] ． GB 50 25 1 -- 20 03， Co de f or De s i g n of Ga s Tr a ns mi s s i o n P i p e l i n e E n g i n e e r i n g [ s ] ． [ 2 ] 刘俊 ， 马东方． 大长径 比汇气管采用双鞍座的安全可靠 性分析E J ] ． 天然气与石油 ， 2 0 0 7 2 6 2 6 4 ． LI U J u n， MA Do n g f a n g ．Th e S a f e t y a n d Re l i a b i l i t y Ana l ys i s o f t he La r ge Le n gt h t O Di a me t e r Ra t i o H e a d wi t h D o u b l e S a d d l e [ J ] ． Na t u r a l G a s a n d Oi l ， 2 0 0 7 2 6 2 - 6 4 ． [ 3 ] HG／ T 2 0 5 8 2 -- 2 0 1 1 ， 钢制化工容器强度计算规定E s ] ． HG／ T 2 0 5 8 2 2 0 1 1 ， S p e c i f i c a t i o n o f S t r e n g t h Ca l c u l a t i o n f o r S t e e l C h e mi c a l Ve s s e l s [ S ] ． [ 4 ] 罗红梅 ， 高庆春 ， 刘 发安 ．开 V 1 模压拔 制高压汇气管 的 安全设计 [ J ] ． 天 然 气 工 业 ， 2 0 0 9 1 1 1 2 7 1 3 0 ， 1 5 7 1 58 ． LU0 Ho n g me i ， GAO Qi n g c h u n， LI U F a a n ． S a f e t y De s i g n o f Hi g h - P r e s s u r e He a d e r wi t h M o u l d e d Op e n i n g [ J ] ．Na t u r a l G a s I n d u s t r y ， 2 0 0 9 1 1 1 2 7 1 3 0 ， 1 5 7 l 5 8． [ 5 ] 王澎 ． 关于汇气 管应否划 为压力容 器 的探 讨[ J ] ． 化 工 机 械 ， 2 0 0 5 1 6 7 6 8 ． W ANG P e n g ． Di s c u s s i o n o n W h e t h e r Ga s Di s t r i b u t o r s a r e P r e s s u r e Ve s s e l s [ J ] ．C h e mi c a l E n g i n e e r i n g 8 L M a c h i n e r y ， 2 0 0 5 1 6 7 6 8 ． [ 6 ]J B ／ T 4 7 3 2 1 9 9 5 ， 钢 制压 力容 器～分 析设 计 标 准 [ s ] ． J B／ T 4 7 3 2 1 9 9 5 。 S t e e l Pr e s s u r e Ve s s e l De s i g n b y An a l y s i s [ S ] ． [ 7 ] 高广军 ， 田红旗． 有限元三维实体单元与壳单元 的组合 建模 问题研究[ J ] ． 中国铁道科学 ， 2 0 0 2 4 5 4 5 6 ． GAO Gu a n g J u n， TI AN Ho n g - Qi ． Th e Re s e a r c h o f t h e C o mb i n a t i o n o f Th r e e Di me n s i o n a l S o l i d El e m e n t a n d S h e l l E l e me n t Mo d e l i n g E J ] ．C h i n a R a i l wa y S c i e nc e， 2 00 2 4 5 4 56 ． [ 8 ] 胡恩球 ， 张新访 ， 向文 ， 等． 有限元 网格 生成方法发 展综 述 l J ]． 计算机辅助设计与图形学学报 ， I 9 9 7 4 9 1 9 6 ． HU E n - Qi u， Z HANG Xi n - F a n g， XI ANG We n， e t a 1 ． De v e l op me nt o f Fi n i t e El e me nt M e s h Ge ne r a t i ng Me t h o d [ J ] ．C AD a n d G r a p h i c s T r a n s a c t i o n ， 1 9 9 7 4 9l 一 9 6． [ 9 ] 关 振群 ， 宋超 ，顾元宪 ， 等． 有 限元 网格生成 方法研究 的新 进展 [ J ] ． 计算 机 辅 助设 计 与 图 形 学 学报 ， 2 0 0 3 1 卜1 4． GUAN Z h e n - Qu n， S ONG Ch a o ， GU Yu a n - x i a n ， e t a 1 ． Th e Ne w Pr og r e s s i n t he St u d y o f Fi n i t e El e me nt Me s h G e n e r a t i n g Me t h o d [ J ] ．C A D a n d G r a p h i c s T r a n s a c t i o n， 2 0 0 3 1 1 - 1 4 ． [ 1 o ]杜平安． 有 限元 网格划分 的基本 原则 [ J ] ． 机械设 计与 制造 ， 2 0 0 0 1 3 6 3 8 ． DU Pi ng An．The Ba s i c Pr i n c i p l e o f Fi ni t e El e me nt Me s h Di v i s i o n [ J ] ． Me c h a n i c a l De s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g， 2 0 0 0 1 3 6 - 3 8 ． 张编 期刊 登 跃 1 6 3 ． 、 COm 事 、 广 投 多 入 刊 踊 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m