年管道技術(shù)5設(shè)2015第2期Pipeline Technique and EquipmentNo. 2天然氣站場管道應(yīng)力分析王迪,劉恩斌(西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院流體熱工教研室,四川成都610500摘要:文中以西氣東輸二線庫米什壓氣站為例,運(yùn)用 CAESARⅡ有限元分析軟件對壓氣站管道進(jìn)行靜態(tài)分析及動態(tài)分析。其中,靜態(tài)分析校核了管道模型在持續(xù)工況及膨脹工況下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力,并計(jì)算出壓縮機(jī)進(jìn)出口管道在操作工況下的位移和約束力。由校核結(jié)果可知,管道系統(tǒng)應(yīng)力均在許用范圍內(nèi),最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)為壓縮機(jī)出口管線的放空閥處。動態(tài)分析求解了管道的前5階固有頻率,并針對固有頻率較低的位置,提出了相應(yīng)的措施,最終將管道的固有頻率提高到11.277Hz,使管道的振動控制在合理范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞:西氣東輸二線工程;應(yīng)力分析; CAESARⅡ;壓縮機(jī);固有頻率中圖分類號:TE8文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:1004-9614(2015)02-0009-04Stress Analysis of Natural Gas Station PipelinesWANG Di LIU En-binFluid Thermal Teaching Section, Oil and Natural Gas Engineering DepartmentSouthwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)Abstract: Based on the Kumishi compressor station of the second west-east gas pipeline project, this paper analyzed bothstatic and dynamic status of the pipeline system by the use of finite software CAESAR I. Among which, the static analysisecked the node stress under sustainable and expansion condition and figured out the displacements and constraint forces of thees underwhile the dynamic analysis solved the first five natural frequencies of the pipe-line Through the static reports, the stress of pipeline system is within the allowable stress range under the sustainable and expatsion condition, and the highest stress node is at the vent valve of the compressor export pipeline. As for the results of dynamic aalysis, this paper provided measures in allusion to those lower natural frequencies and improved the natural frequency to 11. 277Hz,thus controlled the vibration of pipeline systeKey words: the second west-east gas pipeline project; stress analysis; CAESAR I; compressor; natural frequency0引言形式7由于燃?xì)夤艿栏采w面廣,輸送介質(zhì)特殊,所以輸(2)驗(yàn)證管道的一次應(yīng)力以及二次應(yīng)力,保證其氣管道的安全、穩(wěn)定非常重要。20世紀(jì)90年代,西南在應(yīng)力許用范圍內(nèi)8;石油大學(xué)的鄧道明通過基礎(chǔ)理論對管道強(qiáng)度進(jìn)行研(3)求解管道的固有頻率,避免管道發(fā)生共振;究口;中國石化蘭州設(shè)計(jì)院邱令國提出快速判斷管道(4)運(yùn)用 CAESARⅡ有限元應(yīng)力分析軟件,提高受力的方法:;2001年, M. D Chapetti和J. L Otegui等整個(gè)分析過程的精確度。對埋地天然氣管道在進(jìn)行套管維修時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)管道應(yīng)力分析的主要內(nèi)容行了全面的實(shí)驗(yàn)分析3;2014年, Erwin gamboa和Mi管道系統(tǒng)應(yīng)力分析主要包括靜態(tài)分析和動態(tài)分chael giuliani運(yùn)用ⅹ射線的微斷層攝影技術(shù)觀測了低析0。在靜態(tài)分析過程中,主要校核管道在持續(xù)工碳鋼管道表面以下應(yīng)力腐蝕開裂情況。為了保證況和膨脹工況下的應(yīng)力,在應(yīng)力超標(biāo)的管段,通過改管道運(yùn)行的安全性,有必要對管道系統(tǒng)的應(yīng)力進(jìn)行分變管道走向增加管道柔性,使其滿足許用應(yīng)力范析56。因此,文中主要進(jìn)行以下分析圍,并且計(jì)算操作工況下管道的約束反力以及位移,(1)通過管道的應(yīng)力分析確定合理的配管避免管道因過大位移從支墩或管架上滑落。動態(tài)分析主要進(jìn)行固有頻率求解,通常取前5階固有頻率,因Pipeline Technique and EquipmentMar.20152案例分析經(jīng)分析,在持續(xù)載荷下,壓縮機(jī)區(qū)管線的應(yīng)力均庫米什壓氣站是西氣東輸二線輪南-吐魯番支干在許用應(yīng)力的范圍內(nèi)。其中,進(jìn)口管線應(yīng)力最大節(jié)線,建設(shè)難度高,維護(hù)較困難。點(diǎn)處編號為25,即壓縮機(jī)進(jìn)口管線變徑管處,其節(jié)點(diǎn)21模型建立應(yīng)力為82694.17kPa,占許用應(yīng)力的47.98%;出口管橫型建立12:該管道模型包括2個(gè)主要的工藝區(qū)線應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)處編號為160,即高點(diǎn)放空閥前,其合管線,即壓縮機(jī)區(qū)管線和空冷機(jī)區(qū)管線,壓縮機(jī)區(qū)的應(yīng)力值為86715.13kPa,占許用應(yīng)力的50.31%;旁通管線分為進(jìn)口管線和出口管線,進(jìn)口管線的溫度為環(huán)管線應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)處編號為75,即旁通管線的管卡位境溫度25.8℃,出口管線的溫度為654℃,工作壓力置,其合應(yīng)力值為69479.41kPa,占許用應(yīng)力的為9800kPa,并設(shè)有放空管線,而空冷機(jī)區(qū)的管線則40.31%。主要分為2組。具體模擬界面如圖1所示在持續(xù)工況下,空冷機(jī)區(qū)管道各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍之內(nèi),其中,應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)位置在355處,即空冷機(jī)區(qū)出口主管線的三通位置,其所受合應(yīng)力為8371651kPa,占許用應(yīng)力的4857%?？绽錂C(jī)區(qū)主管線的應(yīng)力分布曲線,如圖5所示。壓縮機(jī)進(jìn)口應(yīng)力比值圖1庫米什壓氣站管道系統(tǒng)模型22靜態(tài)分析2.2.1持續(xù)工況空冷機(jī)主管線節(jié)點(diǎn)為校正管道的力學(xué)性能,對管道在持續(xù)載荷以及膨脹載荷下的受力進(jìn)行分析,見圖2~圖4。圖5空冷機(jī)區(qū)主管線節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布(持續(xù)工況)2.2.2膨脹工況由于壓氣站管線溫度變化,使管道承受膨脹應(yīng)力應(yīng)力比值的作用,造成管道的變形。通過 CAESARⅡ軟件,對管道因進(jìn)出口溫度變化造成的膨脹應(yīng)力進(jìn)行分析140在膨脹工況下,壓縮機(jī)進(jìn)口管線應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)編號01520縮機(jī)進(jìn)口管線節(jié)點(diǎn)為40,即進(jìn)口管線與旁通管線相交的三通位置,其合圖2進(jìn)口管線節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布1應(yīng)力大小為3341243kPa,占許用應(yīng)力的826%;壓縮機(jī)出口管線應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)編號為155,即壓縮機(jī)出口高點(diǎn)放空閥前的三通位置,其合應(yīng)力為1308697kPa,占許用應(yīng)力的3399%;壓縮機(jī)區(qū)的旁通管線應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)處編號為69,即旁通管線埋地彎管處,其合應(yīng)力值為2609504kPa,占許用應(yīng)力的7.16%。管道120140160180壓縮機(jī)出口管線節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力分布曲線,如圖6、圖7及圖8所示。圖3出口管線節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布1比值壓縮機(jī)旁通管線節(jié)點(diǎn)壓縮機(jī)進(jìn)口管線節(jié)點(diǎn)第2期王迪等:天然氣站場管道應(yīng)力分析08m表1壓縮機(jī)進(jìn)出口管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移0壓縮機(jī)進(jìn)口直管013壓縮機(jī)進(jìn)口彎管0.14840.07860.1132.4……tA14壓縮機(jī)進(jìn)口彎管20.22720.1938,A.15壓縮機(jī)進(jìn)口彎管30.28770.1701壓縮機(jī)出口管線節(jié)點(diǎn)壓縮機(jī)出口彎管13.59380.82231.7687圖7出口管線節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布2壓縮機(jī)出口彎管2-3.7379039290.7981110壓縮機(jī)出口彎管3-348880.11230.298壓縮機(jī)出口直管2.8574120壓縮機(jī)出口靠近法蘭處-0.79510表2壓縮機(jī)進(jìn)出口管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的約束力→應(yīng)力·比值節(jié)點(diǎn)備注Fx/ FrN Fz2NMx/(N·m)My(N·m)Mz/(N·m)5壓縮機(jī)進(jìn)口196231672864-2646121412.5-3201826144510埋地支增0252750E縮機(jī)區(qū)旁通管線節(jié)點(diǎn)圖8旁通管線節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布25埋地支增0-3866070在膨脹工況下,空冷區(qū)管段經(jīng)過應(yīng)力校核,可得125壓縮機(jī)出口1369%-381.33100586-47-69.8625148796957各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍之內(nèi),其中,應(yīng)力最大23動態(tài)分析的節(jié)點(diǎn)位置在編號360處,即空冷機(jī)出口支管的三通位置,其所受合應(yīng)力為7931491kPa,占許用應(yīng)力的在模態(tài)分析時(shí),通常不需要定義載荷,但需要選擇在非線性情況下的載荷形式。設(shè)置結(jié)束后2148%?？绽錂C(jī)區(qū)主管線的應(yīng)力分布曲線,如圖9所示。CAESARⅡ管道應(yīng)力分析軟件自動求解管道系統(tǒng)的多階固有頻率,如表3所示。應(yīng)力一·比值表3管道前5階對應(yīng)的固有頻率80階次頻率/H角速度/(rad·s-1)周期/s3.46221.7500.2890.20831.9527.05044.2990.1427.86849.4330.127、M∴.當(dāng)管道的激發(fā)頻率(9.6Hz)與固有頻率相近時(shí)空冷機(jī)區(qū)主管線節(jié)點(diǎn)管道便發(fā)生共振,此時(shí)管道振幅相當(dāng)大6,極易造成圖9空冷機(jī)區(qū)主管線節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布(膨脹工況)安全事故,因此,需要采取措施避免事故的發(fā)生。根2.2.3壓縮機(jī)節(jié)點(diǎn)位移及約束力據(jù)工程上的校核要求,管道共振區(qū)應(yīng)避開激發(fā)頻率。由于管道的固有頻率過小,需要采取相應(yīng)的措根據(jù) ASME B31.3規(guī)范要求,不需要對操作工況施進(jìn)行調(diào)節(jié),增大管道系統(tǒng)的固有頻率。下的管道應(yīng)力進(jìn)行校核,但需要計(jì)算管道各節(jié)點(diǎn)的位移以及約束力。通過應(yīng)力分析,壓縮機(jī)進(jìn)出口管道關(guān)24方案措施鍵節(jié)點(diǎn)的位移如表1所示。首先,查看管道3D結(jié)構(gòu)圖,確定管道各階振動的在操作工況下,管道各節(jié)點(diǎn)將受到施加在上面的位置,如圖10所示。約束力的作用,壓縮機(jī)區(qū)進(jìn)出口管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的受力通過增加支架及固定支墩的方法,提高整個(gè)管道情況如表2所示。系統(tǒng)的剛性9。針對固有頻率較低的位置,施加相應(yīng)Pipeline Technique and EquipmentMar.201511277Hz,避開了壓縮機(jī)的激振頻率,保證管道的振動在合理范圍內(nèi)。參考文獻(xiàn):1]鄧道明,王春喜.無固定墩兩端埋地單跨管道的強(qiáng)度計(jì)算.油氣田地面工程,1991,18(1):53-58.[2]邱令國.配管設(shè)計(jì)中的簡單判別法.化工設(shè)計(jì),19965):五階振動[3 CHAPETTI M D, QTEGUI J L, MANFREDI C, et al. 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CAESARⅡ軟件在管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)有頻率均有所提高,一階固有頻率為11.277Hz,滿足用.化工設(shè)計(jì),2012(3):22-24管道剛性要求。[12]劉娜.工業(yè)壓力管道應(yīng)力分析簡化模型研究:[學(xué)位論3結(jié)束語文].北京:北京化工大學(xué),2003文中以庫米什壓氣站為例,建立了不同工況條件[13]徐芝綸.彈性力學(xué).北京:人民教育出版社,1982[14]王志祥,梁志釗,孫國模,等.管道應(yīng)力分析與計(jì)算.北下的應(yīng)力分析模型,找出了合理的應(yīng)力分析工況,并京:水利電力出版社,1983對不同工況下的管道應(yīng)力、位移以及約束反力進(jìn)行了[15]關(guān)雪華,趙志剛.AoSA與 CAESARⅡ在管道應(yīng)力分校核,具體工作情況及結(jié)論如下:析中的比較.黑龍江科技信息,2013(11):571)校核管道系統(tǒng)在持續(xù)工況下的應(yīng)力情況,并「16]來陽月星.壓縮機(jī)工藝配管應(yīng)力分析研究:[學(xué)位論繪制各區(qū)塊的應(yīng)力分布曲線,經(jīng)驗(yàn)證得初步設(shè)計(jì)的管文].成都:成都理工大學(xué),2012道各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均在規(guī)定范圍內(nèi)[17]陳樂.應(yīng)力分析軟件 CAESARⅡ功能及應(yīng)用鋼鐵技(2)校核管道系統(tǒng)在膨脹工況下的應(yīng)力情況,并術(shù),2004(1):31-32繪制各區(qū)塊的應(yīng)力分布曲線,經(jīng)驗(yàn)證得初步設(shè)計(jì)的管18]李堅(jiān)管道應(yīng)力分析及柔性設(shè)計(jì)煉油技術(shù)與工程,道各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均在規(guī)定范圍內(nèi)[19]陶建設(shè). 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