预热安装管道用补偿器结构优化分析.pdf

第 卷第 期压力容器 年 月 ：檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐 设 计 计 算预热安装管道用补偿器结构优化分析占丰朝，李杰，杨玉强，（中船双瑞（洛阳）特种装备股份有限公司，河南洛阳 ；洛阳船舶材料研究所，河南洛阳 ）摘要：基于有限元分析软件对采用变径管结构设计的补偿器进行了应力分析，并依据分析设计方法进行了强度校核，同时分析了半顶角和折边圆弧 的大小对结构受力影响。结果表明：变径管厚度可参考 中受内压折边锥壳厚度计算方法，但是考虑到预热安装管道使用的补偿器承受的轴向力大，建议通过有限元分析来进一步校核以提高产品的安全性和经济性。预热安装管道用补偿器结构采用变径管设计时，应力随着折边圆弧 的增大有所下降，但是降低幅度不大，从 增大至 等效应力下降比例约为 ；应力随着随着半顶角的增大而增大，近线性变化。预热安装管道用补偿器设计时可优先选择较小半顶角，而折边圆弧 可根据成形工艺确定合适的参数。关键词：补偿器；变径管；应力分析；半顶角中图分类号：；文献标志码：，（），；，）：，：；收稿日期：修稿日期：基金项目：洛阳市重大科技创新专项（）占丰朝，等：预热安装管道用补偿器结构优化分析 引言补偿器作为吸收管道热胀冷缩位移的补偿设备，能够有效降低管道应力，且现场施工便利性好，在长输供热项目中得到了广泛应用 。近些年，部分直埋敷设长输供热项目采用了预热安装技术，该安装技术有别于传统的管道安装，通过预热安装会提前释放部分热位移，管道处于工作状态时工作温度高于预热温度，此时管道处于压应力，当管道冷却下来后低于预热温度，此时管道处于拉应力状态 。虽然通过预热降低了管道工作时最大应力，但是热态和冷态时管道的轴向力仍然很大，对安装在管道上的补偿器受力要求较为苛刻。预热安装管道使用的补偿器有别于传统的波纹补偿器，在现场施工时伸缩到位和管道焊接完成之后不再伸长和缩短，成为管道一部分，因此也称为一次性补偿器。目前该结构类型补偿器设计时对最外侧需要在现场焊接的环焊缝的抗拉强度和抗剪强度关注较多，对于结构件的设计关注较少，但是补偿器在热态和冷态承受的应力较大且方向不同，往复的拉压应力对结构件的安全设计也有较高要求，已有结构设计不当而造成失效的案例 。鉴于目前预热安装管道用补偿器的设计现状，以补偿器的变径管结构为研究对象，采用有限元分析软件对结构件的受力进行了分析和评估，为预热安装管道用补偿器的设计提供依据。结构特点及分析模型 结构特点预热安装管道用补偿器传统的结构是双环板设计，主要由波纹管、内外环板、外筒节、筋板组成，通过采用环板将外筒节与工作端管连接在一起，在内侧环板外侧常设置加强筋板和外侧环板，以此来提高结构件整体的抗变形能力。环板与外筒节的连接是一种直角突变结构，在实际工作中补偿器承受拉压应力时，环板、外筒节组件将承受较大弯矩，存在较严重的应力集中，而局部的应力集中对于疲劳寿命是不利因素，不利于产品的长周期安全可靠运行。尚宪等 的研究中指出，一次性补偿器的环板和筋板组合件在承受较大轴向力时存在引起工作端管拉裂的风险。为了改善环板结构的局部应力集中，设计开发了变径管结构，其结构如图 所示，由波纹管、变径管 、变径管 、接管组成，变径管的小端直边段与工作端管相连，两个变径管大端搭接，变径管通过成形工艺实现连续渐变过渡，波纹管和变径管均需要能够单独承受介质压力。近些年，变径管的设计在高温化工膨胀节结构中有较多应用，其设计理念类似压力容器行业中的锥壳设计，通过采用圆滑过渡结构来改善局部结构不连续处的应力集中，减少峰值应力使受力趋于均匀，对延长产品的疲劳寿命有益 。图 变径管结构示意 设计参数以某项目 长输管线为例，管道规格为 ，材料为碳钢，设计压力 ，设计温度 ，安装温度。由于预热管道用补偿器是在管道预热伸长之后安装的，补偿器承受的轴向力与管道的预热温度大小紧密相关，预热温度也称为管道的零应力温度。通过预热温度的设置将管道应力合理分配为拉应力和压应力，起到降低管道轴向力的作用，一般可取安装温度和设计温度之和的一半作为预热温度，实际预热温度取值需综合考虑多方面因素，直埋覆土预热时需考虑克服土壤摩擦力的附加温度，而考虑到预热安装的施工难度和成本以及拉应力和压应力对管道影响不同，设计时可能会降低预热温度，一些项目中同一管网的不同管系可选用不同的零应力温度。本文研究的补偿器所依托的项目设计单位提出补偿器需承受的轴向力大小为 。根据上述条件设计的变径管结构几何参数如表 所示。，表 变径管结构几何参数 项目数值 工作端管外径 工作端管厚度 变径管外径 变径管厚度 变径管厚度理论计算预热安装管道用的波纹补偿器是基于双重密封的设计理念，即波纹管和外部结构件均要能够实现承压来提高产品的安全性，因此变径管需要承受管道介质的内压。参照 压力容器 第 部分：设计 标准受内压折边锥壳厚度计算方法，锥壳厚度、大端厚度及小端厚度计算及校核见式（）（），考虑到 材质在高温下的许用应力小且 压力容器 第 部分：材料 标准在附录 中规定对于 仅适用于设计压力小于 的容器，变径管材质选择 ，设计温度下许用应力 为 ，半顶角 按 设计，计算压力选择设计压力 ，锥壳计算内直径为 ，锥壳大端直边内直径 ，式（）（）中系数 ，通过 查值，计算所得锥壳厚度 为 ，大端过渡段所需厚度为 ，小端过渡段厚度为 ，综合考虑板厚负偏差以及工作端管壁厚，将变径管圆整按 选取，与工作端管壁厚保持一致。（）（）（）（）式中，为锥壳计算内直径，；为锥壳大端直边段内径，；，为系数；为焊接接头系数；为过渡段计算厚度，上角标 ，分别表示锥壳大端过渡段、小端过渡段；为小端应力增值系数；为计算与锥壳相连的圆筒厚度，。有限元分析模型基于 软件建立了变径管结构的实体模型，基于结构对称性按整体 建模，所建模型的网格划分情况如图 所示，单元类型为 单元，是高阶三维 节点单元，能够满足受力分析要求。图 结构模型网格 载荷约束模型施加的边界条件如图 所示，在模型的对称面按对称边界施加对称约束，端管内部施加设计压力 ，端管一端约束轴向位移，端管另一端施加轴向力。波纹管的位移反力相对轴向力占比较小，因此未施加此载荷。根据所建模型对称性，变径管结构施加到 模型端面上的轴向力为 。图 载荷约束 分析讨论 应力分析变径管结构的整体应力云图如图 所示，最大等效应力为 ，位于变径管大端圆弧过渡处的内表面，整体应力分布较为均匀，不存在局部的应力集中，应力较大区域位于变径管大端和小端折边圆弧过渡处。整体变形云图如图 所示，最大变形量为 ，最大变形为施加轴向力的端管区域，而实际产品使用时该区域的变形将由两个端管之间相连的波纹管吸收掉，变径管过渡段区域变形量为 ，刚度符合要求。占丰朝，等：预热安装管道用补偿器结构优化分析图 应力分布云图 图 变形云图 强度评定为详细分析高应力区的应力状态，依据分析设计规范，可以选择关键部位建立分析路径进行应力等效线性化处理，该方法在压力容器分析设计中已得到广泛应用 。对于变径管结构选择的路径如图 所示，位于变径管大端圆弧过渡处的厚度方向，此处为变径管等效应力最大部位。图 应力线性化路径 应力线性化后获得的薄膜应力为 ，一次应力和二次应力之和为 。材料在设计温度 下的许用应力 为 ，根据 钢制压力容器 分析设计标准（年确认），局部薄膜应力应小于 （），一次应力和二次应力强度之和应小于 （），由此可见上述变径管设计参数能够满足强度要求。结构参数对应力大小影响折边圆弧 和半顶角 是变径管的关键设计参数，如图 所示。下文主要探讨了折边圆弧 和半顶角 对补偿器的应力大小影响。图 折边锥壳 折边圆弧 对应力大小影响从变径管结构整体应力图 中可以看到最大等效应力位于大端圆弧过渡处内侧，过渡处的圆弧 大小是影响结构受力的重要影响因素之一。大端圆弧 和小端圆弧 保持大小一致，按半顶角 分别建立了圆弧 为 ，的有限元分析模型，不同 计算所得整体最大等效应力结果如图 所示。随着圆弧 的增大，等效应力有所下降，但是降低幅度不大，从 增大至 等效应力下降比例约为 。因此实际设计时的折边圆弧 可以在综合考虑成形工艺后适当加大即可。图 等效应力随过渡圆弧 变化 半顶角对应力大小影响对于变径管结构，半顶角的大小对整体受力影响较大。区域供热预制保温管道系统的设计与安装 指出对于高轴向力的管道当采用变径管时须验算作用在管道上的应 ，力，且对于同心变径管的半顶角要小于 。以半顶角 为基准，分别建立了 ，的模型并进行了应力分析，得到不同半顶角时的等效应力变化情况如图 所示。可以看出，等效应力随着半顶角的增大而增大，近线性变化。图 等效应力随半顶角度数变化 按第 节方法建立线性化分析路径，得到不同半顶角时的薄膜应力变化如图 所示。可以看出，变径管大端圆弧处的薄膜应力随着半顶角的增大而增大，半顶角度数增大到 时对应的薄膜应力已经超过 许用应力的 倍（），此时需要降低半顶角的度数来降低结构应力或者进行材料的升级。基于波纹管的波高要求，最小半顶角需要能够满足波纹管的安装空间，同时半顶角越小会使得变径管总长加长，使得经济性下降，因此半顶角的参数选择需要综合考虑安全性和经济性。图 薄膜应力随半顶角度数变化 由于预热安装管道用的补偿器除了承受介质内压之外还承受较大轴向力，因此在采用变径管结构设计时，通过借鉴 理论校核计算完变径管厚度后还需要通过有限元分析来进一步分析结构受力是否满足相应规范。在能够满足内侧波纹管空间情况下建议尽量减小半顶角的度数来改善结构整体受力状态，或者选择许用应力更高的 材料来提高设计安全余量。按上述分析方法设计的变径管结构补偿器在晋城市集中供热热网工程得到了应用，已安全运行 年。结论（）补偿器的变径管厚度可以通过标准 按内压载荷下的锥壳厚度进行计算，但是由于预热安装管道用的波补偿器需承受的轴向力大，建议通过有限元分析来进一步优化设计，以提高产品的安全性和经济性。（）锥壳半顶角大小对变径管结构受力影响较大，半顶角越小整体受力越好，变径管过渡处圆弧 大小对受力影响不大，补偿器设计时可优先保证半顶角，圆弧 可根据成形工艺确定合适的参数。（）可采取波纹管缩颈（波纹管最低端略低于筒节内径）的设计方案来减小半顶角的角度或者变径管选用高级别材质，以此提高产品的长周期服役安全性。参考文献：黄诗雯，杨玉强，朱杰，等 旁通直管压力平衡型膨胀节流阻仿真计算及模型验证 压力容器，（）：，（）：刘雪萌，谢英柏 长输供热管网摩擦阻力系数的计算方法研究 流体机械，（）：，（）：王飞，王国伟，邹平华 基于平均应力的直埋供热管道预热温度 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报，（）：，占丰朝，等：预热安装管道用补偿器结构优化分析 ，（）：赵欣刚，王冠英，许峰，等 直埋热水供热管道敞沟电预热安装方式 煤气与热力，（）：，（）：杨良仲，于宁，郭世宏 预热安装原理及一次性补偿器的应用 管道技术与设备，（）：，（）：陈一鸣，陈微，刘宏达，等 含砂原油对方形补偿器的冲蚀模拟 流体机械，（）：，（）：郭小辉，韩国明，赵健，等 供热管道一次性补偿器断裂原 因 分 析 压 力 容 器，（）：，（）：尚宪，史广新 直埋一次性波纹补偿器冷态撕裂现象分析 及 结 构 改 进 区 域 供 热，（）：，（）：王震宇，吴坚，薛明德 压力容器中锥壳 圆柱壳连接结构的分析设计方法（一）压力容器，（）：，（），（）：徐国宝，段文军，苏武会，等 带有反馈补偿方式的灌装系统 包装与食品机械，（）：，（）：叶夏妮，刘福江，陆明万 应力等效线性化处理中的若干问题 第七届全国压力容器设计学术会议 江苏溧阳，：，：杨德生，缪正华，赵国臣 应力线性化原理在压力容器分析设计中的应用 化工装备技术，（）：，（）：李玉赞，唐正宁 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