西北工业大学开展成品油长输管道在线更换封堵装置有限元分析



西北工业大学开展成品油长输管道在线更换封堵装置有限元分析

管道发生老化泄漏等情况，需要利用封堵装置对管道损坏部分进行封堵更换。西安工业大学基于专用的封堵囊送入机构，进行在线封堵更换用封堵装置设计，以及可抗拒天候变化、地势地形变化等因素引起的管道介质压力波动，实现自行泄压，降低管道修复作业成本。

管道在线封堵更换的工作流程如图5所示。关闭管道输油阀门，并完成带压打孔．封堵装置由专用的送入机构送进，通过气管对封堵囊充入高压气体从而使囊体径向膨胀接触管道，继续提高气体压力，促使内外接头脱离，并随之撤出。在依靠封堵装置实现成功封堵后，便可按照预先设计的尺寸，在截取位置处用机械切割的手段将严重腐蚀的需更换的管段，连同封堵三通、夹板阀等元件一起截取，更换上新管道。焊接完成后即可实现管道壁无机械切口、坑道等破损点，有效预防管道冲蚀、应力腐蚀等其他封堵工艺无法避免的二次腐蚀。待更换结束，开启管道输油阀门，在油压作用下，囊内气体释放，当囊内气压和油压持平，活塞复位关闭泄气通道，囊内气体泄漏，实现自行泄压。封堵囊内仍有部分气压，保持一定的形状随液体流至下一取出口取出。

在整个封堵装置在线封堵更换的过程中，囊体是实现封堵的关键零部件，因此对囊体进行有限元分析。橡胶材料是各向同性，属于超弹性体，而且其体积近似不可压缩。Mooney-Rivlin模型基本上能够模拟全部橡胶类力学行为。

图5 封堵系统示意图

囊体材料的弹性模量为6.106MPa，泊松比为0.499，采用Mooney-Rivlin模型．管道材料的弹性模量为2.09*105MPa，泊松比为0.269．在软件ANSYS Workbench中单元类型是程序自动判断并选择的，管道及囊体选用PLANEE183单元、刚性体接触面为CONTA172单元、柔性体目标面为TARGE169单元及SURF153表面效应单元建立有限元模型．囊体在管道中的网格划分如图6所示。

图6 囊体三维模型

研究表明：（1）该管道封堵装置利用封堵囊的充气膨胀与管壁产生的摩擦力实现了对管道介质残余压力不超过0.5MPa的封堵，可抗拒天候变化、地势地形变化等因素引起的管道介质压力波动。（2）该管道封堵装置实现了自行泄压，且开孔少，降低了作业成本，且在修复的管道上不留机械切口。该装置只能暂时封堵已泄压管段，封堵压力相对其他封堵装置较小，需在此基础上进一步就带压封堵方法进行改进。

吴超 摘编自《西安工业大学学报》杂志2016年6月

《成品油长输管道在线更换封堵装置的有限元分析》原作者程珊珊等