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天然气管道用汇气管大开孔有限元分析
添加时间:2020-06-30

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[1,2]。应用常规的设计方法已不能满足汇气管的强度设计[3-5],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[6]。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,评定了汇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4.0MPa,操作压力3.5MPa,工作温度为025,设计温度最低10、最高60,卧式水压试验压力为9.45MPa,气密性试验压力为6.3MPa,工作介质为净化天然气,腐蚀裕量为2mm。其主要尺寸:主管尺寸600mm20mm(去除2mm的腐蚀余量),长度5295mm;异径接管小段尺寸486mm20mm(去除2mm的腐蚀余量),长度508mm;接管尺寸451mm30mm(去除2mm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模型见图4。图3汇气管异径接管端部几何模型图4汇气管鞍座几何模型2有限元模型采用三维立体单元Solid185进行有限元模型网格划分,Solid185号实体单元基本形状见图5[7]。185号实体单元用来模拟三维实体结构,由8个节点组成,每个节点有3个自由度(沿坐标轴方向的移动)。该单元具有模拟塑性、应力刚化、蠕变、大变形及大应变等能力[8-10]。汇气管整体有限元模型见图6。汇气管封头端部有限元模型见图7。图5Solid185号实体单元基本形状图6汇气管整体有限元模型图7汇气管封头端部有限元模型汇气管异径接管端部有限元模型见图8。汇气管鞍座有限元模型见图9。图8汇气管异径接管端部有限元模型图9汇气管鞍座有限元模型3汇气管应力分析及强度校核对汇气管进行正常操作工况下的应力分析及强度校核。汇气管应力分析选取路径见图10。筒体及接管内壁承受4.0MPa的设计压力。接管(451mm30mm)端部承受的轴向等效压力载荷系数1由下式计算:1=Di12Do12-Di12(1)式中,Di1为汇气管开孔接管内径,Do1为汇气管开孔接管外径,mm。将本例数据代入式(1)可得1=3.02614806。异径接管端部承受的轴向等效压力载荷系数2由下式计算:图10汇气管应力分析选取路径2=Di22Do22-Di22(2)式中,Di2为异径接管内径,Do2为异径接管外径,mm。将本例数据代入式(2)可得2=5.33572961。支座底面固定约束见图11。正常操作工况下汇气管受力见图12。正常操作工况下汇气管的应力强度分布云图见图13。正常操作工况下汇气管位移分布云图见图14。应力强度计算与校核结果见表1。图11正常操作工况下固定约束图图12正常操作工况下汇气管受力图13正常操作工况下汇气管应力强度分布云图图14正常操作工况下汇气管位移分布云图4疲劳评定在设计压力(4.0MPa)下汇气管上最大的峰值应力强度SV=288MPa,故在操作工况(3.5MPa)表1正常操作工况下应力强度计算与校核结果路径名称应力强度许用值/MPa校核结果path1S=273.70MPa281.25满足S=374.70MPa450.00满足path2S=221.10MPa281.25满足