基于ANSYS Workbench的长输管线带压封堵器应力分析及优化设计.pdf

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1、第40卷第2期化工机械197基于ANSYSWorkbench的长输管线带压封堵器应力分析及优化设计方群‘李云郭礼(西安交通大学过程装备与控制系)摘要对抢修在役长输管线所需的一种带压封堵器建立了三维模型。利用ANSYSWorkbench软件，分析了封堵器在实施封堵时的受力分布。在6．4MPa的实际操作工况下，封堵器所承受的最大等效应力出现在支撑架和轴套焊接处，其大小为212MPa，选取钢材材料为Q345及屈服强度大于Q345的材料，安全系数取1．5。许用应力为230MPa，能够满足强度要求，只留有较少的余量。针对封堵器结构受力不均匀的情况，对其进

2、行优化设计。提出的4种优化方案中支撑板开孔可以在最大应力增长不大的情况下明显减少机构质量。关键词封堵器ANSYSWorkbench应力分布优化设计中圈分类号TQ05l文献标识码A文章编号0254-6094(2013)02-0197-06我国油气管道的建设已经经历了50多年的发展历程⋯。目前全国天然气管道总长50Mm，初步形成以西气东输为主线的全国天然气管网主框架心】。随着管线服役年限的增长，长时间在役输送管道运行过程中都存在管道腐蚀、设备加装及分输改线等作业问题，特别是气体输送管道，一经停输将对管道的运营带来很大的经济损失，造成安全隐患。管道在

3、役焊接是一种安全、经济、快效的在役管道维抢修特种技术¨1，适用于油、气等多种化工介质管线的正常维修改造和突发事故的抢修。该项技术工艺先进、安全可靠，操作过程中不出现明火，无介质泄漏H】。国内引进在役焊接技术近20年口】，技术不断进步，对带压封堵也积累了～定的经验。其中中原油田油气技术部、胜利石油化工建设有限公司、大庆油田以及中国石油西部管道分公司等众多油气田均提供了实际在役焊接的现场操作经验及注意事项‘6棚o，如焊接电流不能过大、熔池不能过深及输送特殊介质时要控制焊接温度等应用层面的技术。西安石油大学的秦红¨叫研究了天然气管道流速、流向在封堵作

4、业期间的要求。袁平凡等⋯1探讨了DN720mm大1：3径管线在役焊接的实际操作经验。封堵器作为在役焊接过程的关键设备，在抢修作业中起到十分重要的作用，其工作韵可靠性直接影响到在役焊接的安全。冯颖和彭国晟¨副研究开发了一种新型皮碗，提高了封堵的可靠性。在仿真模拟软件被广泛应用之前，对封堵器结构的认识主要依靠经典力学的知识，不仅计算工作量大，计算结果也不够精确，而且对其结构特性与整体应力分析较匮乏。为了保证安全，往往导致封堵器机构设计过于笨重，成本增加。笔者结合ANSYSWorkbench软件，通过对一种封堵器结构进行分析，建立了封堵器的三维力学模

5、型，对实施封堵时的工作情况进行模拟，力图获得封堵器的应力分布，并对其进行结构优化，获得更为轻便、易于现场施工的封堵器。1带压封堵过程解析高压管道进行在役焊接，必须先进行封堵。首先使用开孔机在受损管道的上、下游开设平衡孔，而后开设旁通管线和封堵孔¨21。在旁通管线建立完成之后，对管道实施封堵。图1为封堵器·方群，男，1988年7月生，硕士研究生。陕西省西安市，710049。198化工机械2013年的封堵过程。止k．k图1封堵器封堵过程主管线；2——外传动装置；旁路；4——封堵器；气囊；6——法兰；7——三通法兰封堵工作顺利完成后，释放受损管段间的

6、天然气气体，如图1D所示，待管段气体放空后，将气囊置入封堵器内两侧，以确保天然气不泄露。在受损管段卸载完毕后，可以对其进行焊接、置换等抢修工作，同时主管道中的天然气继续从旁路通过，以保证整条天然气管线在抢修过程中不停输。2封堵器结构功能分析如图2所示，封堵器主要由五大部件组成，分别为支撑架、销轴、摆动臂、密封圈和密封圈压盖，其中支撑架、摆动臂、密封圈压盖为焊接件。限位弧板摆动臂法兰压盖法兰压盖图2封堵器结构支撑架作为与外传动机构相连的部件，通过双头螺柱将轴套与外传动轴固定。对于整个部件起定位、支撑作用。在支撑架底部配有限位弧板，用以限制摆动臂摆

7、动的自由度，并配有限位螺栓，防止摆动臂在搬运、吊装过程中产生的意外运动，对现场操作人员造成不必要的伤害。销轴作为紧固件，既连接了支撑板与摆动臂，又起到定位的作用。支撑板与摆动臂之间做相对运动，通过销轴将外传动机构竖直方向的运动转化为摆动臂绕销轴的转动，从而使密封圈压盖能够在主管道内水平行进，密封圈与主管道内壁贴合达到封堵的目的。密封圈压盖通过螺柱与摆动臂法兰连接，用于支撑、固定密封圈，防止密封圈产生过大的变形。密封圈压盖底部安装有滑轮，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，以减少管道所带来的摩擦阻力，确保封堵能够顺利进行。密封工作主要由密封圈来完成，为一次

8、性使用零件。密封圈尺寸大于封堵的管道内径，通过过盈配合产生挤压变形，产生足够的压比，达到封堵的目的。3封堵器有限元分析模型3．1封堵器受力分析图3为封