海上装配式输油管道连接处强度分析

杨泽林，张世富，李 洪，胡永攀，杨东宇

(1.中国人民解放军后勤工程学院 军事供油工程系， 重庆 401331；2.中国人民解放军后勤工程学院 国家救灾应急装备工程技术研究中心， 重庆 401331；3.中国人民解放军驻中石化茂名分公司军事代表室， 广东 茂名 525011)

海上装配式输油管道连接处强度分析

杨泽林1，张世富2，李 洪3，胡永攀2，杨东宇1

(1.中国人民解放军后勤工程学院 军事供油工程系， 重庆 401331；2.中国人民解放军后勤工程学院 国家救灾应急装备工程技术研究中心， 重庆 401331；3.中国人民解放军驻中石化茂名分公司军事代表室， 广东 茂名 525011)

海上装配式输油管道通常是用连接器将各管段连接而成，其连接器的抗弯、抗拉能力与管道本体有很大的差异。通过SolidWorks建立管道连接处的分析模型，计算管道能够承受的最大正应力和最大弯矩，利用有限元分析软件SolidWorks Simulation分析管道连接处的抗弯强度和抗拉强度，为管道连接器的优化设计提供依据，为工程设计提供参考。分析结果表明：加强连接器的强度不低于管道本体强度，整个管道系统没有出现强度薄弱的地方，满足安全要求。

装配式输油管道；管道连接器；抗弯强度；抗拉强度

Abstract: Maritime assembled oil pipelines are usually composed of pipes connected by connectors. Bending resistance and tensile capacity of connectors are different from the pipes. In this paper, analysis model of connectors was established through SolidWorks, and the maximum normal stress and maximum bending moment of the pipe bore were calculated. By using finite element analysis software SolidWorks Simulation, bending resistance and tensile capacity of pipe connectors were analyzed, providing the basis for the optimization of pipe connector design and reference for engineering design. The analysis results showed that the strength of designed connectors is not lower than that of pipes and the whole pipeline system has no weak strength place, meeting the requirements of the safety.

Keywords: assembled oil pipelines; pipe connectors; bending strength; tensile strength

装配式输油管道作为一种重要的海上石油运输途径，具有实施难度小、造价低的特点，且其敷设、维护和撤收都方便简单[1]。由于海面环境特殊复杂，管道受到波浪力、海流力、风力、浮力等力的作用，容易弯曲变形，甚至出现断裂，影响运输任务[2]。本文研究的装配式输油管道系统采用DN150槽头管道，通过连接器将各管段连接起来。管道连接处是管道系统的薄弱环节之一，研究了解连接处的失效情况对保证整个管道系统的安全和平稳运行有着重要的意义。

为了整个管道系统在海上的安全，必须对管道连接处的强度进行研究[3]。通过对管道进行有限元应力分析，得出管道连接器处能承受的最大应力，为整个管道系统的稳固方案提供设计依据[4]。同时采用应力分析可以找出应力较小的区域和应力最大的区域，在对连接器优化设计时可以对应力较小的区域减小厚度，从而节约材料、减轻质量；对应力较大的区域加大尺寸，从而提高强度，防止应力过大而被破坏。

1 连接器的结构

管道系统漂浮铺设在海面上时，由于受到的应力情况复杂，容易出现较大的弯曲变形，因此要求其连接器有较高的强度，在出现较大的弯曲应力和拉伸应力时不会发生连接器失效[5]。管道系统的撤收是利用牵引车牵引管道的一端，将整个管道从海上牵引至岸滩。撤收过程中会出现较大的拉伸应力，要求连接器有较强的抗拉能力。一般装配式输油管道是基于陆地铺设设计的，其连接器抗弯、抗拉强度相对较差，不能满足海上复杂情况的要求，因此需要设计一种能够承受较大弯矩和拉伸应力的加强连接器[6,7]。本文以加强连接器为对象进行分析。

加强连接器的原理和内部尺寸与普通连接器相同，不同之处主要是连接器的外部尺寸、外在形状、采用的材料以及制造的方法。

1) 外在形状

一是由于加大了加强连接器的尺寸，从而加大了连接器的质量，而笨重的连接器不仅会增加制造成本、浪费资源，而且不利于管道连接、影响工作效率，因此在外在结构中采用了加强筋的结构形式，这样不仅能满足强度的要求，还减轻了连接器的质量。二是为了锚固时锚绳能够方便地系在管道上，在连接器上增加了2个耳环。

2) 采用的材料

加强连接器采用强度更高的40Cr钢材，从而增加连接器的强度。

3) 制造的方法

普通连接器采用铸造的方法制造，而加强连接器采用锻造的方法制造。

加强连接器的结构和三维图如图1、2所示。

图1 加强连接器的结构

图2 加强连接器的三维图

2 理论分析

由于管道本体强度是既定的，故可以将管道连接处的强度与管道本体的强度进行对比，从而得出两者之间的大小。通过对管道强度的计算，可以推算出添加在模型上的载荷。

根据材料力学和结构力学知识可知，管道的最大正应力发生在最大弯矩所在横截面上，且离中心最远点处[8-9]。即最大正应力为

(1)

式中:Mmax为最大弯矩(N·m)；Wz为抗弯模量(mm3)。

管道的抗弯截面模量的计算公式为

(2)

式中：D为管道外径(mm)；d为管道内径(mm)。

由于管道的外径为159 mm，内径为154.4 mm，则有

Wz=43 702 mm3

为了保证管道能够安全工作，应使管道横截面上的最大正应力σmax不超过材料的许用应力[σ]，即管道的正应力强度条件为

(3)

对式(3)进行变换，则可得出管道能承受的最大弯矩为

Mmax≤[σ] ·W

从管道参数可知其应力极限为[σ]=448 MPa，则管道能承受的最大弯矩为

Mmax≤[σ] ·Wz=19 578 496 N ·mm=

19 578.496 N·m

在分析模型中，假定在连接器处加载F，使连接器处产生管道能承受的最大弯矩，从而推出模型中加载的载荷为

式中：l表示单根管道模型的长度(m)，本文所建模型的单根管道长度为0.5 m，单根管道实际长度为6 m。

当以这个载荷加载在分析模型中时，如果分析结果表明管道连接处将失效，即管道连接处的抗弯强度小于管道本体的强度，则可以通过减小分析载荷重新分析，从而得出管道连接处的抗弯强度；如果分析结果表明管道连接处安全，则说明管道连接处的抗弯强度大于或等于管道本体的强度。

3 有限元求解与结果分析

3.1 抗弯强度分析

3.1.1 模型建立

为了直观地分析管道连接器处在受弯曲变形时的实际情况，以管道和连接器的实际尺寸进行模拟分析。由于装配式管道系统的每根管道长达6 m，为了简化模型、减少计算量，在本文以2根0.5 m长的管道连接组成分析模型，如图3所示。分析时，把模型看成两端受支撑的简支梁模型，以集中载荷加载到连接器上，方向与管道轴平面垂直。

图3 强度分析模型

图3中1#箭头方向为模型加载的方向，1#箭头所指的面为载荷作用的面；2#箭头所在的面为模型添加的约束面，2#箭头所指的方向为约束的方向。

3.1.2 网格划分

对模型进行网格划分，由于连接器的结构比管道的结构复杂，而管道又比较薄，因此网格划分比较细。网格的节点总数为1 093 059个，单元总数为728 419个。模型网格划分如图4所示。

图4 模型网格划分

3.1.3 有限元结果分析

数值模拟得出的应力、应变以及安全系数图解如图5～7所示。

图5 管道连接处的应力

图6 管道连接处的应变

图7 管道连接处的安全系数图解

通常，在某一位置的安全系数小于1.0，就表示该位置上的材料已失效；如果安全系数等于1.0，则表示该位置上的材料即将失效；倘若安全系数大于1.0，那就说明该位置上的材料是安全的。通常在设计中要求安全系数为1.5～3.0。从图5可知，管道连接器处产生的最大应力没有超过材料的许用应力；从图6可得到，管道连接处应变没有超过最大应变范围；从图7可知，分析模型中的安全系数在合理的范围。即管道系统中，连接器处的强度与管道本身的最大强度相当，连接器能满足管道系统的设计要求。

3.2 抗拉强度分析

3.2.1 模型建立

为了分析管道在工作时的安全性，同样需要对管道系统的抗拉强度进行分析。可以用图3、4所示的模型进行分析，也可以分别对管道和连接器进行分析。由于连接器和管道所需的网格大小不一样，为了减少计算量，对管道和连接器分开进行分析，分析模型如图8所示。

图8 抗拉强度分析模型

图8中1#箭头方向表示模型的加载方向，1#箭头所指的面为载荷作用的面；2#箭头所在的面为模型添加的约束面，2#箭头所指的方向为约束的方向。

3.2.2 网格划分

分别对连接器和管道进行网格划分，连接器的节点总数为126 192，单元总数为82 623个。管道的节点总数为16 509个，单元总数为8 149个。网格划分如图9所示。

图9 网格划分

3.2.3 有限元结果分析

数值模拟得出的应力、变形以及安全系数图解如图10～12所示。

图10 连接器和管道的应力分布

图11 连接器和管道的变形

图12 连接器和管道的安全系数分布

图12中的红色区域为连接器和管道最易发生破坏的区域，在设计中要适当加大该区域的厚度，从而提高整体的强度。

在分析模型中对连接器和管道加载了400 kN的拉力。从应力分布结果图中可以得出：连接器的最大应力为286 MPa，管道的最大应力为413 MPa,均没有超过材料的最大许用应力。从图11中可以看出：连接器和管道的变形非常小，不会影响管道系统的安全。从图12可知：连接器的最小安全系数为2.89，管道的最小安全系数为1.5，符合安全系数的取值范围。

4 结束语

通过对管道连接处进行抗弯强度和抗拉强度的分析，得出了管道连接处的抗弯能力和抗拉能力。分析结果表明，连接器和管道能承受400 kN的拉力，且变形程度小，在允许范围之内，因此管道系统在铺设和撤收过程中，能够保证管道系统的安全。

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(责任编辑林 芳)

StrengthAnalysisofJointofMaritimeAssembledOilPipelines

YANG Zelin1， ZHANG Shifu2， LI Hong3， HU Yongpan2， YANG Dongyu1

(1.Military Department of Petroleum Supply Engineering, Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China; 2.NERC for Disaster and Emergency Rescue Equipment, Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China; 3.The Military Representative Office of the Chinese People’s Liberation Army in Sinopec Maoming Branch, Maoming 525011, China)

2017-05-15

国家科技支撑计划项目(2014BAK05B08)；解放军后勤工程学院青年科研基金资助项目(X2050225)

杨泽林(1993—)，男，天津宁河人，硕士研究生，主要从事石油与天然气管道方面的研究，E-mail：qxiaodian813500@163.com。

杨泽林，张世富，李洪，等.海上装配式输油管道连接处强度分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(9):68-72.

formatYANG Zelin，ZHANG Shifu，LI Hong,et al.Strength Analysis of Joint of Maritime Assembled Oil Pipelines[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):68-72.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.011

TE835

A

1674-8425(2017)09-0068-05