天然气站场管道应力分析.pdf

2 0 1 5 正 第2 期 管 道 P i p e l i n e 2 0 1 5 N o ．2 天然气站场管道应力分析 王迪，刘恩斌 西南石油大学石油与天然气工程学院流体热工教研室，四川成都6 1 0 5 0 0 摘要文中以西气东输二线库米什压气站为例，运用C A E S A R Ⅱ有限元分析软件对压气站管道进 行静态分析及动态分析。其中，静态分析校核了管道模型在持续工况及膨胀工况下的节点应力，并计 算出压缩机进出口管道在操作工况下的位移和约束力。由校核结果可知，管道系统应力均在许用范围 内，最大应力节点为压缩机出口管线的放空阀处。动态分析求解了管道的前5 阶固有频率，并针对固 有频率较低的位置，提出了相应的措施，最终将管道的固有频率提高到1 1 ．2 7 7H z ，使管道的振动控制在 合理范围内。 关键词西气东输二线工程；应力分析；C A E S A R1 1 ；压缩机；固有频率 中图分类号T E 8文献标识码B文章编号1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 5 0 2 - 0 0 0 9 - 0 4 S t r e s sA n a l y s i so fN a t u r a lG a sS t a t i o nP i p e l i n e s W A N GD i ，L I UE n ．b i n F l u i dT h e r m a lT e a c h i n gS e c t i o n ，O i la n dN a t u r a lG a sE n g i n e e r i n gD e p a r t m e n t ， S o u t h w e s tP e t r o l e u mU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 5 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h eK u m i s h ic o m p r e s s o rs t a t i o no ft h es e c o n dw e s t e a s tg a sp i p e l i n ep r o j e c t ，t h i sp a p e ra n a l y z e db o t h s t a t i ca n dd y n a m i cs t a t u so ft h ep i p e l i n es y s t e mb yt h euseo ff i n i t es o f t w a r eC A E S A R1 1 ．A m o n gw h i c h ，t h es t a t i ca n a l y s i s c h e c k e dt h en o d es t r e s su n d e rs u s t a i n a b l ea n de x p a n s i o nc o n d i t i o na n df i g u r e do u tt h ed i s p l a c e m e n t sa n dc o n s t r a i n tf o r c e so ft h e c o m p r e s s o rp i p e l i n e su n d e ro p e r a t i o n a lc o n d i t i o n ，w h i l et h ed y n a m i ca n a l y s i ss o l v e dt h ef i r s tf i v e n a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h ep i p e l i n e ．T h r o u g ht h es t a t i cr e p o r t s ，t h es t r e s so fp i p e l i n es y s t e mi sw i t h i nt h ea l l o w a b l es t r e s sr a n g eu n d e rt h es u s t a i n a b l ea n de x p a n s i o nc o n d i t i o n ，a n dt h eh i g h e s ts t r e s sn o d ei sa tt h ev e n tv a l v eo ft h ec o m p r e s s o re x p o r tp i p e l i n e ．A sf o rt h er e s u l t s o fd y n a m i ca n a l y s i s ，t h i sp a p e rp r o v i d e dm e a s u r e si nM l u s i o nt ot h o s el o w e rn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n di m p r o v e dt h en a t u r a lf r e q u e n c yt o 11 ．2 7 7 H z ，t h u sc o n t r o l l e dt h ev i b r a t i o no fp i p e l i n es y s t e mt oar e a s o n a b l er a n g e ． K e yw o r d s t h es e c o n dw e s t e a s tg a sp i p e l i n ep r o j e c t ；s t r e s sa n a l y s i s ；C A E S A RI I ；c o m p r e s s o r ；n a t u r a lf r e q u e n c y 0 引言 由于燃气管道覆盖面广，输送介质特殊，所以输 气管道的安全、稳定非常重要。2 0 世纪9 0 年代，西南 石油大学的邓道明通过基础理论对管道强度进行研 究1 ；中国石化兰州设计院邱令国提出快速判断管道 受力的方法。2 。；2 0 0 1 年，M ．DC h a p e t t i 和J ．LO t e g u i 等 对埋地天然气管道在进行套管维修时的应力状态进 行了全面的实验分析‘3 。；2 0 1 4 年，E r w i nG a m b o a 和M i c h a e lG i u l i a n i 运用x 射线的微断层摄影技术观测了低 碳钢管道表面以下应力腐蚀开裂情况。4 。为了保证 管道运行的安全性，有必要对管道系统的应力进行分 析‘5 ‘6J 。因此，文中主要进行以下分析 1 通过管道的应力分析确定合理的配管 收稿日期2 0 1 4 - 0 7 3 1收修改稿日期2 0 1 5 0 1 3 1 形式“ 1 ； 2 验证管道的一次应力以及二次应力，保证其 在应力许用范围内8 ； 3 求解管道的固有频率，避免管道发生共振； 4 运用C A E S A R1 I 有限元应力分析软件，提高 整个分析过程的精确度。 1 管道应力分析的主要内容 管道系统应力分析主要包括静态分析和动态分 析1 9 。10 { 。在静态分析过程中，主要校核管道在持续工 况和膨胀工况下的应力，在应力超标的管段，通过改 变管道走向增加管道柔性⋯。，使其满足许用应力范 围，并且计算操作工况下管道的约束反力以及位移， 避免管道因过大位移从支墩或管架上滑落。动态分 析主要进行固有频率求解，通常取前5 阶固有频率，因 为此时固有频率较小，管道容易产生共振，造成破坏。 万方数据 1 0 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t M a r ．2 0 1 5 2 案例分析 库米什压气站是西气东输二线轮南一吐鲁番支干 线，建设难度高，维护较困难。 2 ．1 模型建立 横型建立2 j 该管道模型包括2 个主要的工艺区 管线，即压缩机区管线和空冷机区管线，压缩机区的 管线分为进口管线和出口管线，进口管线的温度为环 境温度2 5 ．8 ℃，出口管线的温度为6 5 ．4 ℃，工作压力 为9 8 0 0k P a ，并设有放空管线，而空冷机区的管线则 主要分为2 组。具体模拟界面如图1 所示。 图1库米什压气站管道系统模型 2 ．2 静态分析 2 ．2 ．1 持续工况 为校正管道的力学性能3 。，对管道在持续载荷以 及膨胀载荷下的受力进行分析，见图2 ～图4 。 压缩机进口管线节点 图2 进口管线节点应力分布1 压缩机出口管线节点 图3 出口管线节点应力分布1 压缩机旁通管线节点 图4 旁通管线节点应力分布l 经分析，在持续载荷下，压缩机区管线的应力均 在许用应力的范围内’8J 。其中，进口管线应力最大节 点处编号为2 5 ，即压缩机进口管线变径管处，其节点 应力为8 26 9 4 ．1 7k P a ，占许用应力的4 7 ．9 8 ％；出口管 线应力最大节点处编号为1 6 0 ，即高点放空阀前，其合 应力值为8 67 1 5 ．1 3k P a ，占许用应力的5 0 ．3 1 ％；旁通 管线应力最大节点处编号为7 5 ，即旁通管线的管卡位 置，其合应力值为6 94 7 9 ．4 1k P a ，占许用应力的 4 0 ．3 1 ％。 在持续工况下，空冷机区管道各节点应力均在许 用应力范围之内，其中，应力最大的节点位置在3 5 5 处，即空冷机区出口主管线的三通位置，其所受合应 力为8 37 1 6 ．5 1 k P a ，占许用应力的4 8 ．5 7 ％。空冷机区 主管线的应力分布曲线，如图5 所示。 图5 空冷机区主管线节点应力分布 持续工况 2 ．2 ．2 膨胀工况 由于压气站管线温度变化，使管道承受膨胀应力 的作用，造成管道的变形。通过C A E S A R Ⅱ软件，对 管道因进出口温度变化造成的膨胀应力进行分析4 。。 在膨胀工况下，压缩机进口管线应力最大的节点编号 为4 0 ，即进口管线与旁通管线相交的三通位置，其合 应力大小为3 34 1 2 ．4 3k P a ，占许用应力的8 ．2 6 ％；压缩 机出口管线应力最大的节点编号为1 5 5 ，即压缩机出 口高点放空阀前的三通位置，其合应力为1 3 08 6 9 ．7 k P a ，占许用应力的3 3 ．9 9 ％；压缩机区的旁通管线应力 最大节点处编号为6 9 ，即旁通管线埋地弯管处，其合 应力值为2 60 9 5 ．0 4k P a ，占许用应力的7 ．1 6 ％。管道 相应的应力分布曲线，如图6 、图7 及图8 所示。 压缩机进口管线节点 图6 进口管线节点应力分布2 万方数据 第2 期 王迪等天然气站场管道应力分析 1 1 压缩机出口管线节点 图7 出口管线节点应力分布2 3 。『八 ] l 【】 2 0 I／11 8 0 罡}7 、- j ．U ∞ 蚕1 0 L ／j 乏力‘] a 。 o r一比值 J 2 0 一l o．[ j ￡1 一。 压缩机区旁通冒线节点 图8 旁通管线节点应力分布2 在膨胀工况下，空冷区管段经过应力校核，可得 各节点应力均在许用应力范围之内，其中，应力最大 的节点位置在编号3 6 0 处，即空冷机出口支管的三通 位置，其所受合应力为7 93 1 4 ．9 1k P a ，占许用应力的 2 1 ．4 8 ％。空冷机区主管线的应力分布曲线，如图9 所示。 图9 空冷机区主管线节点应力分布 膨胀工况 2 ．2 ．3 压缩机节点位移及约束力 根据A S M EB 3 1 ．3 规范要求，不需要对操作工况 下的管道应力进行校核，但需要计算管道各节点的位 移以及约束力。通过应力分析，压缩机进出口管道关 键节点的位移如表1 所示。 在操作工况下，管道各节点将受到施加在上面的 约束力的作用，压缩机区进出口管道关键节点的受力 情况如表2 所示。 表1 压缩机进出口管道关键节点的位移 m m 表2 压缩机进出口管道关键节点的约束力 2 ．3 动态分析 在模态分析时，通常不需要定义载荷，但需要选 择在非线性情况下的载荷形式Ⅲ] 。设置结束后， C A E S A RI I 管道应力分析软件自动求解管道系统的多 阶固有频率，如表3 所示。 表3 管道前5 阶对应的固有频率 当管道的激发频率 9 ．6H z 与固有频率相近时， 管道便发生共振，此时管道振幅相当大6 I ，极易造成 安全事故，因此，需要采取措施避免事故的发生。根 据工程上的校核要求，管道共振区应避开激发频 率0 1 7 ] 。由于管道的固有频率过小，需要采取相应的措 施进行调节，增大管道系统的固有频率【18 I 。 2 ．4 方案措施 首先，查看管道3 D 结构图，确定管道各阶振动的 位置，如图1 0 所示。 通过增加支架及固定支墩的方法，提高整个管道 系统的刚性引。针对固有频率较低的位置，施加相应 约束，具体措施如表4 所示。其中，x ，Y ，z 分别表示 万方数据 1 2 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t M a r ．2 0 1 5 图1 0 前5 阶固有频率对应的管道振动位置 对应方向的约束，A N C 表示全约束。“v ／”表示采取 约束。 表4 相关节点的约束措施 2 ．5 方案结果 处理后的压气站管道系统再次经C A E S A R1 ／应 力分析软件验证固有频率。经验算，以上各部分的固 有频率均有所提高，一阶固有频率为1 1 ．2 7 7H z ，满足 管道刚性要求。 3 结束语 文中以库米什压气站为例，建立了不同工况条件 下的应力分析模型，找出了合理的应力分析工况，并 对不同工况下的管道应力、位移以及约束反力进行了 校核，具体工作情况及结论如下 1 校核管道系统在持续工况下的应力情况，并 绘制各区块的应力分布曲线，经验证得初步设计的管 道各节点应力均在规定范围内； 2 校核管道系统在膨胀工况下的应力情况，并 绘制各区块的应力分布曲线，经验证得初步设计的管 道各节点应力均在规定范围内； 3 通过模块分析获得管道系统的固有频率，初 步校核后，发现管道固有频率较低。为防止管道发生 共振，采取相应措施，将管道的一阶固有频率提升到 1 1 ．2 7 7H z ，避开了压缩机的激振频率，保证管道的振 动在合理范围内。 参考文献 [ 1 ] 邓道明，王春喜．无固定墩两端埋地单跨管道的强度计 算．油气田地面工程，1 9 9 1 ，1 8 1 5 3 5 8 ． [ 2 ] 邱令国．配管设计中的简单判别法．化工设计，1 9 9 6 5 2 5 2 8 ． [ 3 ] C H A P E T HMD ，Q T E G U IJL ，M A N F R E D IC ，e ta 1 ．F u l l s c a l ee x p e r i m e n t a la n a l y s i so fs t r e s ss t a t e si ns l e e v er e p a i r s o fg a sp i p e l i n e s ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fP r e s s u r eV e s s e l s a n dP i p i n g ，2 0 0 1 3 7 9 3 8 7 ． [ 4 ] G A M B O AE ，G I U L I A N IM ，L A V I G N EO ．X r a ym i c r o t o m o g r a p h yo b s e r v a t i o no fs u b s u r f a c es t r e s sc o r r o s i o nc r a c ki n - t e r a c t i o n si nap i p e l i n el o wc a r b o ns t e e l ．S c r i p t aM a t e r i a l i a ， 2 0 1 4 1 3 ． [ 5 ]沈松泉，黄振仁，顾竞成．压力管道安全技术．南京东南 大学出版社，2 0 0 0 ． [ 6 ] 王明春．油气输送应力分析及应变设计研究[ 学位论 文] ．成都西南石油学院，2 0 0 6 ． [ 7 ]刘镜锋．石油化工装置管道进行应力分析的探讨．化学 工程与设备，2 0 1 3 6 8 4 - 8 7 ． [ 8 ]刘亚江．C A E S A RI I 管道应力分析理论．管道技术与设 备，2 0 0 3 2 6 9 ． [ 9 ]唐永进．压力管道应力分析．北京中国石化出版 社，2 0 0 3 ． [ 1 0 ]赵艳梅，张文格，王冰，等．压力管道应力分析的一般途 径与可靠性讨论．压力容器，2 0 0 1 4 6 1 6 3 ． [ 1 1 ]杨羽华，刘辉，黄颖．C A E S A R1 I 软件在管道设计中的应 用．化工设计，2 0 1 2 3 2 2 - 2 4 ． [ 1 2 ]刘娜．工业压力管道应力分析简化模型研究[ 学位论 文] ．北京北京化工大学，2 0 0 3 ． [ 1 3 ] 徐芝纶．弹性力学．北京人民教育出版社，1 9 8 2 ． [ 1 4 ] 王志祥，梁志钊，孙国模，等．管道应力分析与计算．北 京水利电力出版社，1 9 8 3 ． [ 1 5 ] 关雪华，赵志刚．A u t o P S A 与C A E S A R1 1 在管道应力分 析中的比较．黑龙江科技信息，2 0 1 3 1 1 5 7 ． [ 1 6 ]来阳月星．压缩机工艺配管应力分析研究[ 学位论 文] ．成都成都理工大学，2 0 1 2 ． [ 1 7 ]陈乐．应力分析软件C A E S A Rl I 功能及应用．钢铁技 术，2 0 0 4 1 3 1 - 3 2 ． [ 1 8 ]李坚．管道应力分析及柔性设计．炼油技术与工程， 2 0 1 0 ，4 0 1 6 1 6 4 ． [ 1 9 ]陶建设．C A E S A R1 1 动态分析在管道应力分析中的应 用．科技致富向导，2 0 1 2 2 0 2 2 2 ． 作者简介王迪 1 9 9 1 一 ，硕士，主要从事管道应力分析工作。 E m a i l w a n g d e e l 3 o u t l o o k ．c o m 万方数据 天然气站场管道应力分析天然气站场管道应力分析 作者王迪， 刘恩斌， WANG Di， LIU En-bin 作者单位西南石油大学石油与天然气工程学院流体热工教研室,四川成都,610500 刊名 管道技术与设备 英文刊名Pipeline Technology and Equipment 年，卷期20152 参考文献19条参考文献19条 1.邓道明,王春喜 无固定墩两端埋地单跨管道的强度计算[期刊论文]-油气田地面工程 19991 2.邱令国 配管设计中的简单判别法 19965 3.CHAPETTI M D;QTEGUI J L;MANFREDI C Full scale experimental analysis of stress states in sleeve repairs of gas pipelines 2001 4.GAMBOA E;GIULIANI M;LAVIGNE O X-ray microtomography observation of subsurface stress corrosion crack interactions in a pipeline low carbon steel 2014 5.沈松泉;黄振仁;顾竟成 压力管道安全技术 2000 6.王明春 油气输送应力分析及应变设计研究 2006 7.刘镜锋 石油化工装置管道进行应力分析的探讨 20136 8.刘亚江 CAESARII管道应力分析理论[期刊论文]-管道技术与设备 20032 9.唐永进 压力管道应力分析 2003 10.赵艳梅,张文格,王冰,李毅 压力管道应力分析的一般途径与可靠性讨论[期刊论文]-压力容器 20014 11.杨羽华,刘辉,黄颖 CAESARII软件在管道设计中的应用[期刊论文]-化工设计 20123 12.刘娜 工业压力管道应力分析简化模型研究[学位论文] 2003 13.徐芝纶 弹性力学 1982 14.王志祥;梁志钊;孙国模 管道应力分析与计算 1983 15.关雪华,赵志刚 AutoPSA与CAESARⅡ在管道应力分析中的比较[期刊论文]-黑龙江科技信息 201311 16.来阳月星 压缩机工艺配管应力分析研究 2012 17.陈乐 应力分析软件CAESARⅡ功能及应用 20041 18.李坚 管道应力分析及柔性设计[期刊论文]-炼油技术与工程 20101 19.陶建设 CAESARⅡ动态分析在管道应力分析中的应用[期刊论文]-科技致富向导 201214 引用本文格式王迪.刘恩斌.WANG Di.LIU En-bin 天然气站场管道应力分析[期刊论文]-管道技术与设备 20152