劉森, 陳敏, 何慶中, 厲明玉， 王浦全

(四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院, 四川自貢643000)

管道清管器工作時(shí)對管道焊縫的影響

劉森, 陳敏, 何慶中, 厲明玉， 王浦全

(四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院, 四川自貢643000)

針對清管器在工作過程中會(huì)出現(xiàn)撞裂或撞斷管道焊縫的情況，按照某型皮碗式清管器建立了三維模型，采用有限元分析方法對清管器在清管過程中管道焊縫的應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，并重點(diǎn)考慮管道焊縫出現(xiàn)錯(cuò)位時(shí)的情況，得到各工況下管道焊縫應(yīng)力的分布情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，給出了驅(qū)動(dòng)壓力和焊縫錯(cuò)位的最大允許值，可為現(xiàn)場施工時(shí)驅(qū)動(dòng)力的調(diào)節(jié)和控制管道焊縫質(zhì)量提供參考。

清管器;有限元分析;靜力學(xué);焊縫應(yīng)力

引言

作為清潔能源，天然氣的使用非常廣泛。而天然氣輸送管道在建設(shè)和運(yùn)行中都會(huì)有污垢、凝積液等雜質(zhì)產(chǎn)生，如果管道內(nèi)雜質(zhì)和液體過多，會(huì)使流量降低或造成管道堵塞，嚴(yán)重的會(huì)使管道堵死。因此，對于長期運(yùn)行的管道，定期進(jìn)行清理就成為一項(xiàng)重要工作[1]。

目前，大多數(shù)管道的清潔都是采用各種不同類型的清管器來完成的。而輸氣干線目前使用的清管器類型主要有皮碗式清管器、橡膠清管球、泡沫塑料清管器等[2-3]，本文主要研究采用皮碗式清管器的情況。這種清管器進(jìn)行清管時(shí)是依靠管道內(nèi)輸送流體的前后壓力差，將清管器在管內(nèi)向前推進(jìn)，依靠密封皮碗與管道的過盈量產(chǎn)生較大的摩擦刮削作用，使污垢剝離破碎，從而將污垢從管壁上清理下來，并最終清出管外，達(dá)到清理管道的目的[4]。

在清管器的實(shí)際工作中，曾經(jīng)出現(xiàn)清管器驅(qū)動(dòng)壓力和焊縫錯(cuò)位量過大導(dǎo)致焊縫斷裂的情況。而清管器是在線工作的，即清管過程中管道輸送工作是照常進(jìn)行的，一旦出現(xiàn)清管器撞裂或撞斷焊縫的情況，將帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失[5]。因此，采用有限元法對清管器清管過程中管道焊縫應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，重點(diǎn)考慮管道焊縫的錯(cuò)位情況，得到不同驅(qū)動(dòng)壓和不同焊縫錯(cuò)位量的各種工況下，焊縫應(yīng)力的變化情況，為現(xiàn)場施工時(shí)驅(qū)動(dòng)力的調(diào)節(jié)和控制管道焊縫質(zhì)量提供參考。

1 計(jì)算方法

1.1清管器模型

根據(jù)清管器的設(shè)計(jì)圖紙(圖1)，用三維建模軟件Solidworks建立了清管器、管道和焊縫的三維裝配模型(圖2),然后導(dǎo)入到有限元軟件Abaqus中。

圖1 清管器結(jié)構(gòu)圖

圖2 三維模型圖

1.2載荷和約束

根據(jù)清管工作實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及理論分析，清管器在工作過程中管道壓力較高一側(cè)的皮碗運(yùn)動(dòng)到兩管道之間的焊縫位置時(shí)，是焊縫受力的最大值位置。因此，這里對清管器運(yùn)動(dòng)到此位置時(shí)的瞬時(shí)進(jìn)行力學(xué)分析。清管器工作時(shí)的載荷為：驅(qū)動(dòng)清管器前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)壓力；密封皮碗過盈量所產(chǎn)生的徑向力；管道和清管器的自身重力。其中驅(qū)動(dòng)壓力是直接在受載荷面上施加的相應(yīng)面載荷，即左端最高，從左往右依次把整個(gè)管道分成幾個(gè)相對密閉的空間，然后依次遞減(最左端和最右端壓差保持0.4 MPa)。而產(chǎn)生徑向力的過盈量是通過接觸施加的，重力是由給出的重力加速度和密度計(jì)算得到的。模型的邊界條件：焊接管道兩端采用簡支梁約束，半模型的剖面(包括管道，焊縫和清管器的剖面)約束為垂直于剖面的方向。皮碗與管道的接觸設(shè)置為Finite sliding(有限滑移)。1.3模型網(wǎng)格

在有限元計(jì)算中，網(wǎng)格的質(zhì)量往往決定著計(jì)算的精度，因此在有限元計(jì)算中經(jīng)常需要在一定范圍內(nèi)簡化模型，本計(jì)算中皮碗和清管器剛性骨架是通過螺栓連接的。由于螺栓預(yù)緊力并不是本文研究的范圍，且螺栓對網(wǎng)格質(zhì)量有較大干擾。因此文中模型未畫出螺栓，而是用綁定約束將清管器剛性骨架和皮碗綁定在一起。

由于所計(jì)算模型完全對稱，為了減小計(jì)算量，提高計(jì)算精度，計(jì)算采用半模型進(jìn)行。綜合考慮力學(xué)模型的各個(gè)因素，全部模型的網(wǎng)格均選取C3D8R(六面體線性縮減積分)[6]。并對焊縫、皮碗、管道與皮碗接觸的部分進(jìn)行局部細(xì)化，這樣可以盡量保證關(guān)鍵部位的網(wǎng)格質(zhì)量，從而提高計(jì)算精度。模型的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 模型的網(wǎng)格劃分

2 計(jì)算實(shí)例

根據(jù)使用單位提供的數(shù)據(jù)，模型各部件的尺寸見表1。聚氨酯皮碗的過盈量一般在1%-3%之間[7]，本計(jì)算實(shí)例中皮碗的過盈量為1.2%。各部件的材料屬性情況見表2。

表1 清管器及管道的尺寸

表2 各部件的材料屬性

為了研究焊縫在各種驅(qū)動(dòng)力下的應(yīng)力變化情況[8-10]，計(jì)算時(shí)將驅(qū)動(dòng)壓力設(shè)置為從1 MPa開始，并以0.5 MPa的公差值增加到7 MPa，清管器前后壓差則一直保持為0.4 MPa。分別對兩皮碗清管器和三皮碗清管器進(jìn)行了計(jì)算。焊縫的最大應(yīng)力值如圖4所示。4 MPa時(shí)(兩皮碗)模型整體應(yīng)力及焊縫處局部放大應(yīng)力如圖5所示。驅(qū)動(dòng)壓力為4 MPa時(shí)(三皮碗)，焊縫最大應(yīng)力的位置如圖6所示。

圖4 焊縫的最大應(yīng)力值情況

圖5 模型整體應(yīng)力圖及焊縫處局部放大應(yīng)力圖

圖6 焊縫最大應(yīng)力位置情況

從圖4-圖6的結(jié)果可以看出，焊縫應(yīng)力隨著驅(qū)動(dòng)壓力的線性增加也基本是線性增加的，同時(shí)，焊縫應(yīng)力最大值的位置出現(xiàn)在最低點(diǎn)的附近。另外在相同驅(qū)動(dòng)壓力下三皮碗清管器工作時(shí)的焊縫應(yīng)力基本都是比兩皮碗清管器工作時(shí)的焊縫應(yīng)力多15 MPa左右。

考慮到管道焊縫在焊接過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位的情況，當(dāng)皮碗通過焊接錯(cuò)位的位置時(shí)，集中表現(xiàn)為皮碗的變形量加大，如圖7所示，從而使焊縫承受更大的應(yīng)力。以兩皮碗清管器在驅(qū)動(dòng)壓力為4 MPa，壓差仍保持0.4 MPa，焊接錯(cuò)位量為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm四種情況為計(jì)算實(shí)例進(jìn)行分析計(jì)算。由于焊縫平滑時(shí)皮碗的過盈量為4.5 mm，所以錯(cuò)位后與焊縫接觸的皮碗的過盈量變?yōu)? mm、5.5 mm、6 mm、6.5 mm，其它工況不變。計(jì)算后得到焊縫錯(cuò)位量與焊縫應(yīng)力之間的關(guān)系如圖8所示。焊縫最大應(yīng)力位置情況如圖9所示。

圖7 焊縫錯(cuò)位情況示意圖

圖8 焊縫錯(cuò)位量與焊縫最大應(yīng)力的關(guān)系

圖9 焊縫最大應(yīng)力位置情況

從圖7-圖9的結(jié)果可以看出，隨著焊縫錯(cuò)位量的線性增加，焊縫應(yīng)力也基本是線性增加的。大致每增加0.5 mm的錯(cuò)位量就增加5 MPa左右的焊縫應(yīng)力。這也說明了管道焊縫在焊接時(shí)的錯(cuò)位量對清管器的安全工作有較大影響。

3 結(jié)論

(1) 計(jì)算實(shí)例中焊縫材料為Q345，其屈服強(qiáng)度為345 MPa。當(dāng)安全系數(shù)取1.6時(shí)，則焊縫允許的最大應(yīng)力為215.6 MPa。從圖4可以看出：兩皮碗清管器當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為4.5 MPa時(shí)，焊縫最大應(yīng)力值為222.5 MPa；三皮碗清管器當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為4 MPa時(shí)，焊縫最大應(yīng)力值為215.8 MPa。所以兩皮碗清管器工作時(shí)驅(qū)動(dòng)壓力不應(yīng)超過4.5 MPa，三皮碗清管器工作時(shí)驅(qū)動(dòng)壓力不應(yīng)超過4 MPa。

(2) 從圖7可看出，當(dāng)焊縫錯(cuò)位量為1.5 mm時(shí)，焊縫應(yīng)力為214.3 MPa，在安全范圍內(nèi)。當(dāng)焊縫錯(cuò)位量為2 mm時(shí)，焊縫應(yīng)力為219.8 MPa，已超出安全范圍。所以焊縫的最大錯(cuò)位量不應(yīng)超過1.5 mm。

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The Influence of the Pipeline Pig on the Pipeline Weld During Its Working

LIUSen,CHENMin,HEQingzhong,LIMingyu,WANGPuquan

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

Aiming at the case that the welded pipe will be cracked or broken off at the weld seam during the working process of pipeline pig, the 3D model is set up according to a certain type of leather cap type pig; the stress of the weld seam in the pigging process of pipeline pig is calculated by finite element analysis method, the calculation had focused on the situation of the pipe’s dislocation, then the stress distributions of pipe seam are obtained under various operating conditions. The maximum allowable values of driving pressure and weld dislocation are given out according to calculation results, which can be used as the reference for adjusting driving force and controlling the pipeline welding quality during on-site construction.

PIG; finite element analysis; statics; weld stress

2014-06-10

劉 森(1989-)男,安徽阜陽人,碩士生,主要從事有限元應(yīng)力計(jì)算方面的研究,(E-mail)237566904@qq.com; 陳 敏(1956-)女,浙江諸暨人,教授,主要從事反求設(shè)計(jì)及CFD分析等方面的研究,(E-mail)min_chen99@163.com

1673-1549(2014)06-0043-04

10.11863/j.suse.2014.06.11

TE49

A