室外架空燃气管道安装支架的结构强度及刚度分析

朱 健，李 霄

（西安石油大学 材料科学与工程学院，西安710065）

室外架空燃气管道安装支架的结构强度及刚度分析

朱 健，李 霄

（西安石油大学 材料科学与工程学院，西安710065）

为了确保室外架空燃气管道的安全性，基于ABAQUS软件，建立了6.5 m安装间距条件下，2 mm厚度、4 mm厚度、2 mm厚度加20 mm斜筋、4 mm厚度加20 mm斜筋4种支架模型以及3 m安装间距条件下，4 mm厚度加20 mm斜筋支架模型，并分析了不同条件下各支架的变形及应力分布情况。结果显示，管道支架间距6.5m时，2mm厚度最大位移为4.14mm，应力峰值为235MPa；4mm厚度时最大位移为2.09mm，应力峰值为225MPa；2mm厚度加20mm斜筋时最大位移为3.90mm，应力峰值为237MPa；4mm厚度加20mm斜筋时最大位移为1.46mm，应力峰值为215MPa。管道支架间距3m时，4mm厚加20mm斜筋的支架的峰值位移降低至0.66mm，应力峰值降低至191MPa。研究表明，增加支架壁厚、加斜筋、缩小管道支架间距等均可降低支架的变形和应力，满足燃气管道安装工程的要求。

室外架空；安装支架；ABAQUS；强度分析；刚度分析

城市燃气管道支架设计对于管道安全来说是一项极其重要的工作，其不仅要承受管道的垂直载荷，还要承受来自各方面作用于管道上的力，限制管道的位移，并满足管道系统的运行要求。正确的设计可以满足管道对支架强度和刚度的要求，同时有效地降低管道对支架产生较大的附加载荷，防止因管道的振动、位移等原因造成燃气泄露等事故的发生。本研究基于ABAQUS软件，对室外架空燃气管道安装支架的结构强度及刚度进行了有限元模拟及分析。

1 建立分析模型

1.1 材料模型和几何模型

管道支架的结构和形状较多，从性能和用途来分，可以分为支架（包括管托、滚动支架、管卡、平衡锤支、架弹簧支架等）、吊架（包括钢性吊架、弹簧吊架）、限制性支架和支承装置等。

BAZT025－DN80支架为城镇室外架空燃气管道的安装支架，材质为美标304不锈钢，其屈服强度为205 MPa，抗拉强度为520 MPa，均匀延伸率约为35%。根据工程应力应变参数可得其真应力、真应变及其之间的关系。管道安装支架的壁厚为2 mm，属于薄壁结构，其结构如图1所示。

图1 管道安装支架结构示意图

1.2 边界条件及载荷

图2 支架分析模型

在ABAQUS开发环境下建立支架模型，如图2所示。安装螺栓孔设置为固定边界条件，并耦合加载位置的垂直方向位移。加载位置根据图纸给出的尺寸设置在最外侧，距离安装面的水平距离为155.55 mm。

根据常用镀锌管理论质量以及安装支架间距计算垂直方向的载荷。取支架间距为6.5 m、管道质量为9.0 kg/m，则支架承受的垂直方向的总载荷为566 N。

燃气管道的螺纹包括长螺纹和短螺纹，DN80管道按长螺纹计算其螺距约2.25 mm，假设安装时多上紧2扣，造成的水平方向的应变为

此时材料处于弹性范围，截面上承受的应力为

DN80管道的直径D=88.9 mm，壁厚t=4.0 mm，因此钢管上扣产生的水平方向载荷为

该载荷数值虽然很大，但并不是直接作用于支架。由于燃气管与支架之间为滑动状态，因此支架承受的水平方向的载荷受到两者之间接触状态的影响。钢与聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、高密度聚乙烯类材质的摩擦系数为0.1～0.45，钢与防腐层材料间的摩擦系数借用该范围的最大值，即摩擦系数取0.45。

2 有限元分析结果

2.1 壁厚的影响

2.1.1 壁厚2 mm

支架壁厚为2 mm时，垂直载荷为6.5 m燃气管的重力、水平方向载荷为钢管与防腐层材料间的摩擦产生的载荷。垂直载荷为565 N，摩擦系数取0.45，燃气管水平方向移动距离为2.5 mm。

垂直、水平载荷共同作用下支架的位移、应力分布如图3所示，位移最大位置为A区，最大值为4.14 mm（见图3（a））；支架安装侧的位移较小，远端的位移较大，z方向的变形特别明显 （见图3（c））；支架中应力最大的位置为安装孔周边区域，两孔的受力较为均匀， 峰值应力为235 MPa（见图3（d））。

通过应力分析可以确定，壁厚2 mm支架的结构在安装孔处的强度略低，其他位置的强度满足载荷要求。因此，壁厚2 mm支架的强度满足要求，但其结构刚度还有待考虑。

图3 壁厚2 mm支架的变形及应力分布

2.1.2 壁厚4 mm

壁厚4 mm支架的变形及应力分布如图4所示，位移的峰值（2.09 mm）仍位于支架远离安装位置侧，明显低于厚度2 mm支架的变形，但2 mm的位移仍是肉眼可观察到的明显水平。应力峰值（225MPa）仍位于安装孔处，相比2 mm厚度时的应力水平有所降低，且上部安装孔的应力水平较高。

图4 壁厚4 mm支架的变形及应力分布

2.2 斜筋的影响

为了增加支架的结构刚度，在图2模型基础上增加1条长20 mm斜筋（如图5所示），分析壁厚2 mm和4 mm支架的变形及其应力分布情况。

图5 带斜筋的支架分析模型

2.2.1 壁厚2 mm

壁厚2 mm带斜筋支架的变形及应力分布如图6所示。由图6可见，在同样载荷作用下，由于斜筋的作用使得峰值位移由4.14 mm降低为3.90 mm，峰值应力与原始结构基本持平。因此，不改变厚度仅增加斜筋时的效果不是特别明显。

2.2.2 壁厚4 mm

壁厚为4 mm带斜筋支架的变形及应力分布如图7所示。由图7可见，在同样载荷的作用下，由于斜筋的作用使得峰值位移为1.46 mm、峰值应力为215 MPa，峰值位移均明显较小，但是应力峰值仍然高于材料的屈服强度。

图6 壁厚2 mm带斜筋支架的变形及其应力分布

图7 壁厚4 mm带斜筋支架的变形及应力分布

2.3 支架间距的影响

在壁厚4 mm、加20 mm斜筋的基础上，安装支架间距从6.5 m缩小为3 m，然后再分析支架结构的变形及应力分布情况，结果如图8所示。由图8可见，此时最大位移为0.66 mm，峰值应力为191 MPa。与支架间距6.5 m时的情况相比，变形明显减小，峰值应力略有降低。由于厚度较大，上安装孔承受了大部分载荷，因此应力峰值降幅不大，但已低于材料的屈服强度。

图8 壁厚4 mm带斜筋支架、间距3 m时的变形及应力分布

2.4 分析结果

从以上分析可知，5种不同结构支架的变形及应力统计结果见表1。

表1 不同结构支架的变形及应力统计结果

3 结 论

（1）燃气管道支架间距为6.5 m，在燃气管道自身质量、安装时螺栓等紧固力的共同作用下，产生的变形使得2 mm壁厚支架A区最大位移为4.14 mm，此时安装孔处的峰值应力为235 MPa，超过了材料的屈服强度。

（2）增加支架壁厚、加斜筋、缩小管道支架间距等均可降低支架的变形和应力。3种因素的共同作用可有效减小变形，峰值位移降低至0.66 mm、应力峰值降低至191 MPa，这时的应力峰值已低于材料的屈服强度。此结构支架的强度和刚度均可以满足燃气管道安装工程的要求。

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Strength and Stiffness Analysis of Installation Bracket Structure of Outdoor Overhead Gas Pipeline

ZHU Jian，LI Xiao
（School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065， China）

In order to insure the security of outdoor overhead gas pipeline,based on ABAQUS software,bracket models including in the condition of 6.5 m installing space 2 mm thickness,4 mm thickness,2 mm thickness with 20 mm diagonal reinforcement，4mm thickness with 20mm diagonal reinforcement,and in the condition of 3m installing space 4 mm thickness with 20mm diagonal reinforcement were established to analyze bracket deformation and stress distribution.According to the analyzed results，in the condition of 6.5 m installing space，the maximum displacement of 2 mm thickness was 4.14 mm，and the peak stress was 235MPa；the maximum displacement of 4mm thickness was 2.09mm，and the peak stress was 225MPa；the maximum displacement of 2mm thickness with 20mm diagonal reinforcement was 3.90mm，and the peak stress was 237MPa；the maximum displacement of 4mm thickness with 20mm diagonal reinforcement was 1.46mm，and the peak stress was 215 MPa.Under the condition of 3m installing space，the maximum displacement of 4mm thickness with 20mm diagonal reinforcement was 0.66mm，and the peak stress was 191MPa.The research showed that increasing wall thickness of bracket，adding diagonal reinforcement，reducing installing space of bracket could reduce bracket deformation and stress distribution and meet the requirements of natural gas pipe installation project.

outdoor overhead； mounting bracket； ABAQUS； strength analysis； stiffness analysis

TE832

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.006

朱 健（1989—），男，在读研究生，主要从事油井管加工、制造及应用方面的研究。

2017－06－08

谢淑霞