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1、油气田地面工程第26卷第12期(2007112)5双层管U形补偿器的热应力分析张好民刘学杰孟庆荣(中国石油大学(北京))摘要:通过对配有U形补偿器的双层量及相应的弯曲应力;②在U形补偿器附近,不约管道热应力的有限元计算,分析了定位器间束管道在U形平面内的变形;③忽略U形补偿器距、位置、结构类型对热应力影响的规律。的安装冷拉值;④管线上温度分布均匀。得出结论认为:补偿器附近定位器的数量和1力学模型的建立位置对管道热应力的影响巨大,合理的分布可大大降低管道热应力。在管壁与定位器间方形补偿器的形状如图1。结合胜利油田挂牵预留出一定的间隙,或将补偿器附近的定位管线,补偿器在管轴线方向为
2、518m,在侧线方向器采用可变形的模式,可进一步减少管道热为6m,补偿器间距为141m。温度升高产生热膨应力。胀,这种热行为在管截面上具有轴对称的热边界条关键词:U形补偿器;热应力;定位器件,能够用一维的网格方式精确计算。本文考虑不同管段的受力不同,在弯头处采用2节点的弯管单金属管道遇热膨胀、遇冷收缩是管材的基本物元(elbow单元),在其它直管段采用2节点的管理特性,若温度变化时管道不受外界的限制而完全单元(pipe单元)。考虑到其结构的对称性,为减自由地膨胀或收缩,管壁内则不会产生热应力。但小计算量,取其一半进行有限元计算。图2是有限[1]是,如果管道受到约束,管道就产生热
3、应力。元模型,其中,定位器由连接单元模拟,在管轴向为了避免管道被热应力破坏,可在管线中每隔可相对滑动,在管侧向为刚性,即外管和内管侧向一定的距离设置补偿器来补偿管道由于温度的变化位移相同。而引起的膨胀或收缩变形。对于单层管道,理论上热力管道的补偿设计过程和方法都是比较简单和清晰的,比如弹性中心法及相应的图表被广泛地采[2]用。实际管道项目中,还常将补偿器在未受热时置于拉伸位置,以便运行时吸收更大的温度变形。图1方形补偿器的结构图除常见的单层管外,在穿跨越及海底热力管道设计中,越来越多用到双层管,即在输送热介质的内管之外还有一层保护钢管,并在外管与内管之间的空隙填充保温材料(如聚
4、氨酯泡沫)。对于双层管道来说,内外管之间每隔1～2m设有定位器,在补偿器及附近,内管的温度变形通过定位器传到图2有限元模型外管,内外管同时变形以降低直管段的温度应力,[3]其中的参数选择如表1所示。并增加管道的侧向稳定性。表1管线数据对于双层管而言,简化的解析计算方法不再适模型1模型2用,设计分析中需采用有限元方法。近年来,国外项目内管外管内管外管对海底高温高压双层管道的有限元应力分析和稳定外径/mm529655529663性的研究取得了一定的成果。定位器位置与间距对壁厚/mm8387-211弹性模量/N·m2106×10管道应力的影响巨大,但这方面的研究很少见。本泊松比013
5、0128801301288文针对双层管道的热补偿设计中定位器进行讨论,-1-5线膨胀系数/m·(m·℃)1117×10并对胜利黄河大桥挂桥管线薄壁外管裂缝进行分析。为使结论具有广泛的适用性,做如下的假设:模型1是按照胜利黄河挂桥管线的设计建立①双层管多被固定支架或地面支撑,不考虑管线重的,其中外管壁厚为3mm,管材为Q235,内管壁6油气田地面工程第26卷第12期(2007112)厚为8mm,管材为16Mn钢(X-42)。管道的工L2段中心为零点,向上为正方向,向下为负方向,作温度与安装温度之差:模型1和模型2中内管为移动定位器的位置,其热应力变化为:随着定位器60℃,外管为0
6、℃。作为对比,模型2将模型1的上移,内外管热应力均减小。中外管的壁厚增加到7mm,其它数据不变。假定图2中L2段有2个定位器的情况下,保持定位器1的位置不变,调整定位器2的位置,即2L2段定位器数量对热应力的影响间距X的值,如图5所示。管道热应力随间距X的在补偿器附近,不对管道在补偿器工作面内进变化规律为:随着定位器间距X的增大,内外管行约束,可大大提高补偿器的效果。本文就是在此热应力均减小。因此在放置2个定位器时,定位器理想状态下研究管中管结构定位器的间距及位置的建议放在靠近弯头的直管段上。当L2长度较小时,影响。保持图2中L1段和L3段定位器间距为2m为避免2个定位器过近,
7、可只安装1个定位器。(即a=2m),调整图2中L2段定位器的数量从1个到3个,得出其热应力与定位器数量之间的关系曲线如图3和图4。可以看到,当在L2段放置2个定位器时热应力最大,当壁厚是3mm时(模型1),放置1个定位器时的内管和外管热应力分别是3个定位器热应力的73107%和60181%,且在相同的条件下,内管的热应力小于外管的热应力;当壁厚是7mm时(模型2),放置1个定位器时的图5定位器的位置变化图内管和外管热应力分别是3个定位器热应力的胜利黄河大桥挂桥管线补偿器附近的定位器分7115
