天然气站场管道应力分析

年管道技术5设2015第2期Pipeline Technique and EquipmentNo. 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610500摘要:文中以西气东输二线库米什压气站为例,运用 CAESARⅡ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11.277Hz,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; CAESARⅡ;压缩机;固有频率中图分类号:TE8文献标识码:B文章编号: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由于燃气管道覆盖面广,输送介质特殊,所以输(2)验证管道的一次应力以及二次应力,保证其气管道的安全、稳定非常重要。20世纪90年代,西南在应力许用范围内8;石油大学的邓道明通过基础理论对管道强度进行研(3)求解管道的固有频率,避免管道发生共振;究口;中国石化兰州设计院邱令国提出快速判断管道(4)运用 CAESARⅡ有限元应力分析软件,提高受力的方法:;2001年, M. D Chapetti和J. L Otegui等整个分析过程的精确度。对埋地天然气管道在进行套管维修时的应力状态进管道应力分析的主要内容行了全面的实验分析3;2014年, Erwin gamboa和Mi管道系统应力分析主要包括静态分析和动态分chael giuliani运用ⅹ射线的微断层摄影技术观测了低析0。在静态分析过程中,主要校核管道在持续工碳钢管道表面以下应力腐蚀开裂情况。为了保证况和膨胀工况下的应力,在应力超标的管段,通过改管道运行的安全性,有必要对管道系统的应力进行分变管道走向增加管道柔性,使其满足许用应力范析56。因此,文中主要进行以下分析围,并且计算操作工况下管道的约束反力以及位移,(1)通过管道的应力分析确定合理的配管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Pipeline Technique and EquipmentMar.20152案例分析经分析,在持续载荷下,压缩机区管线的应力均库米什压气站是西气东输二线轮南-吐鲁番支干在许用应力的范围内。其中,进口管线应力最大节线,建设难度高,维护较困难。点处编号为25,即压缩机进口管线变径管处,其节点21模型建立应力为82694.17kPa,占许用应力的47.98%;出口管横型建立12:该管道模型包括2个主要的工艺区线应力最大节点处编号为160,即高点放空阀前,其合管线,即压缩机区管线和空冷机区管线,压缩机区的应力值为86715.13kPa,占许用应力的50.31%;旁通管线分为进口管线和出口管线,进口管线的温度为环管线应力最大节点处编号为75,即旁通管线的管卡位境温度25.8℃,出口管线的温度为654℃,工作压力置,其合应力值为69479.41kPa,占许用应力的为9800kPa,并设有放空管线,而空冷机区的管线则40.31%。主要分为2组。具体模拟界面如图1所示在持续工况下,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355处,即空冷机区出口主管线的三通位置,其所受合应力为8371651kPa,占许用应力的4857%。空冷机区主管线的应力分布曲线,如图5所示。压缩机进口应力比值图1库米什压气站管道系统模型22静态分析2.2.1持续工况空冷机主管线节点为校正管道的力学性能,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。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应力比值的作用,造成管道的变形。通过 CAESARⅡ软件,对管道因进出口温度变化造成的膨胀应力进行分析140在膨胀工况下,压缩机进口管线应力最大的节点编号01520缩机进口管线节点为40,即进口管线与旁通管线相交的三通位置,其合图2进口管线节点应力分布1应力大小为3341243kPa,占许用应力的826%;压缩机出口管线应力最大的节点编号为155,即压缩机出口高点放空阀前的三通位置,其合应力为1308697kPa,占许用应力的3399%;压缩机区的旁通管线应力最大节点处编号为69,即旁通管线埋地弯管处,其合应力值为2609504kPa,占许用应力的7.16%。管道120140160180压缩机出口管线节点相应的应力分布曲线,如图6、图7及图8所示。图3出口管线节点应力分布1比值压缩机旁通管线节点压缩机进口管线节点第2期王迪等:天然气站场管道应力分析08m表1压缩机进出口管道关键节点的位移0压缩机进口直管013压缩机进口弯管0.14840.07860.1132.4……tA14压缩机进口弯管20.22720.1938,A.15压缩机进口弯管30.28770.1701压缩机出口管线节点压缩机出口弯管13.59380.82231.7687图7出口管线节点应力分布2压缩机出口弯管2-3.7379039290.7981110压缩机出口弯管3-348880.11230.298压缩机出口直管2.8574120压缩机出口靠近法兰处-0.79510表2压缩机进出口管道关键节点的约束力→应力·比值节点备注Fx/ FrN Fz2NMx/(N·m)My(N·m)Mz/(N·m)5压缩机进口196231672864-2646121412.5-3201826144510埋地支增0252750E缩机区旁通管线节点图8旁通管线节点应力分布25埋地支增0-3866070在膨胀工况下,空冷区管段经过应力校核,可得125压缩机出口1369%-381.33100586-47-69.8625148796957各节点应力均在许用应力范围之内,其中,应力最大23动态分析的节点位置在编号360处,即空冷机出口支管的三通位置,其所受合应力为7931491kPa,占许用应力的在模态分析时,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。设置结束后2148%。空冷机区主管线的应力分布曲线,如图9所示。CAESARⅡ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。应力一·比值表3管道前5阶对应的固有频率80阶次频率/H角速度/(rad·s-1)周期/s3.46221.7500.2890.20831.9527.05044.2990.1427.86849.4330.127、M∴.当管道的激发频率(9.6Hz)与固有频率相近时空冷机区主管线节点管道便发生共振,此时管道振幅相当大6,极易造成图9空冷机区主管线节点应力分布(膨胀工况)安全事故,因此,需要采取措施避免事故的发生。根2.2.3压縮机节点位移及约束力据工程上的校核要求,管道共振区应避开激发频率。由于管道的固有频率过小,需要采取相应的措根据 ASME B31.3规范要求,不需要对操作工况施进行调节,增大管道系统的固有频率。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24方案措施键节点的位移如表1所示。首先,查看管道3D结构图,确定管道各阶振动的在操作工况下,管道各节点将受到施加在上面的位置,如图10所示。约束力的作用,压缩机区进出口管道关键节点的受力通过增加支架及固定支墩的方法,提高整个管道情况如表2所示。系统的刚性9。针对固有频率较低的位置,施加相应Pipeline Technique and EquipmentMar.201511277Hz,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,1991,18(1):53-58.[2]邱令国.配管设计中的简单判别法.化工设计,19965):五阶振动[3 CHAPETTI M D, QTEGUI J L, MANFREDI C, et al. Fullscale experimental analysis of stress states in sleeve repairs三阶振动of gas pipelines. Intemational Journal of Pressure Vessels阶振动and Piping, 2001: 379-387四阶振动[4 GAMBOA E, GIULIANI M, LAVIGNE O. X-ray microto-图10前5阶固有频率对应的管道振动位置mography observation of subsurface stress corrosion crack in-对应方向的约束,ANC表示全约束。“√”表示采取2014:1-3约束。5]沈松泉,黄振仁,顾竟成.压力管道安全技术.南京:东南表4相关节点的约束措施大学出版社,2000节点YANC[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,2006[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,2013(6):84-87[8]刘亚江 CAESARⅡ管道应力分析理论,管道技术与设备,2003(2):6-9[9]唐永进.压力管道应力分析.北京:中国石化出版872社,20032.5方案结果[10]赵艳梅,张文格,王冰,等.压力管道应力分析的一般途处理后的压气站管道系统再次经 CAESARⅡ应径与可靠性讨论.压力容器,2001(4):61-63力分析软件验证固有频率。经验算,以上各部分的固11杨羽华刘辉黄颖. CAESARⅡ软件在管道设计中的应有频率均有所提高,一阶固有频率为11.277Hz,满足用.化工设计,2012(3):22-24管道刚性要求。[12]刘娜.工业压力管道应力分析简化模型研究:[学位论3结束语文].北京:北京化工大学,2003文中以库米什压气站为例,建立了不同工况条件[13]徐芝纶.弹性力学.北京:人民教育出版社,1982[14]王志祥,梁志钊,孙国模,等.管道应力分析与计算.北下的应力分析模型,找出了合理的应力分析工况,并京:水利电力出版社,1983对不同工况下的管道应力、位移以及约束反力进行了[15]关雪华,赵志刚.AoSA与 CAESARⅡ在管道应力分校核,具体工作情况及结论如下:析中的比较.黑龙江科技信息,2013(11):571)校核管道系统在持续工况下的应力情况,并「16]来阳月星.压缩机工艺配管应力分析研究:[学位论绘制各区块的应力分布曲线,经验证得初步设计的管文].成都:成都理工大学,2012道各节点应力均在规定范围内[17]陈乐.应力分析软件 CAESARⅡ功能及应用钢铁技(2)校核管道系统在膨胀工况下的应力情况,并术,2004(1):31-32绘制各区块的应力分布曲线,经验证得初步设计的管18]李坚管道应力分析及柔性设计炼油技术与工程,道各节点应力均在规定范围内[19]陶建设. CAESARⅡ动态分析在管道应力分析中的应(3)通过模块分析获得管道系统的固有频率,初用.科技致富向导,2012(20):222.步校核后,发现管道固有频率较低。为防止管道发生作者简介:王迪(199-),硕士,主要从事管道应力分析工作。