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    管道機械接頭密封性能的有限元分析

    2019-04-15   來源:   點擊數:0次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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     中國鋼管信息港多出鮮活生動的報道:管道特點與傳統的單層管和雙層保溫管相比,無論從設計、建造、還是海上安裝方面,集束管道都有很大的區別。主要體現在:可以對內置的多根輸油管道提供良好的熱絕緣和腐蝕保護。特別是在深水油氣資源開發中,可以大大降低深水低溫導致的管道結蠟和水合物生成的風險。
      
      在油田內部,往往需要多根輸油管道(含電纜)連接海底基盤、采油和外輸設施,集束管道系統可把這些輸油管道平行匯集在一起放入一個護套管及承載管中,這些輸油管道可以依靠設置在固定間距的墊塊來實現定位。承載管在安裝過程作為運送管,將諸多的輸油管道一次性安放到海底就位。同時,海上安裝不需專用鋪管船,使用租金便宜的拖輪即可,這不僅可以大大降低海上鋪設安裝的工期和費用,而且使海底管道走廊帶的寬度降至最小,避免了不必要的擁擠。另外,也使拋錨對海底管道損傷的風險降到最低。
      
      管接頭的密封性能是管道運輸系統中最關鍵的控制性技術指標,管接頭的失效會直接導致輸送介質的泄漏,會造成嚴重的后果。因此,研究管道接頭的密封性能有著重要的實用價值。
      
      管道機械接頭是一種新型的金屬管道連接技術,它是利用管接頭件在壓接過程中產生的彈塑性變形而實現的管道連接,該種連接方式具有無需焊接,速度快、機械化、自動化程度高,可大幅度降低勞動強度等優點m.(1"=2.54cm)管道機械接頭,分析管接頭的密封原理及其影響因素,并運用Marc有限元軟件2對管接頭的抗內壓過程進行數值模擬,從而進一步研究管接頭的密封性能。研究結果為管道機械接頭的結構設計提供理論依據。
      
      1管道機械接頭的基本結構及其工作原理管道機械接頭的設計結構如所示。
      
      管接頭結構圖管接頭為軸對稱結構,由2個外部套管和1個內部管箍組成。其工作原理是將被連接管道的兩端插入管箍內,管箍內表面設有5條凸起的環形筋條(中間條是被連接管道插入管箍時的定位環,另外每段被連接管道的端部各有2條擠壓環,擠壓環的截面設計為等腰梯形最佳,若能使擠壓環產生徑向彈塑性變形,則可讓擠壓環牢固箍緊于被連接管道上H.管箍外表面設計成一定錐度,在管箱的外部另有一對套管,套管帶有內錐度。在連接過程中,利用專用加載機具對套管沿軸向相向加力,兩套管即可相對于管箍分別進行左右滑動,于是管箍受套管所施加的徑向壓力作用,發生彈塑性變形,被壓緊在需連接的管段上,從而實現管箍與被連接管道的牢固連接和密封。
      
      2管接頭的密封原理分析管道機械接頭的密封屬于靜密封中的接觸型密封,不需要其他密封劑、密封墊或者密封圈,而是通過金屬與金屬之間的過盈配合而形成可靠密封。
      
      中國鋼管信息港多出鮮活生動的報道:在外套管由加載機進行軸向推進過程中,由于管箍的錐面作用,管箍受到徑向箍緊力和軸向剪切力,同時還受到摩擦力,在徑向箍緊力的作用下,產生徑向縮小,使得管箍與被連接管道之間的間隙越來越小,直到管箍擠壓環接觸到內部管道,徑向變形受到了一定的限制。此時,擠壓環與管道之間的接觸應力越來越大,當接觸應力達到一定的程度,法向壓力提高到足以引起管道表面發生明顯的彈塑性變形時,擠壓環與管道之間開始出現零間隙,形成所謂的過盈配合,即可達到密封的效果。
      
      由于兩段被連接管道之間只通過定位環進行定位,其接觸面上不存在其他的密封劑或者密封圈,因此在實際工程應用中,管道內的流體會從兩段被連接管道的接觸間隙中溢出,并滲入管道外表面與管箍內表面之間的間隙中,直至間隙中由于流體充滿產生的壓力與管道內壓力大小相等,此時,管箍將受到間隙內流體產生的內壓力(見),管箍擠壓環除了具有連接管道的作用之外,還必須能夠隔離管道內的流體,從而起到密封保護作用。因此,為了保證管道的密封性能,管接頭必須能夠承受與管道內壓大小相等的壓力。
      
      密封面的接觸應力對密封性能的影響管道的密封性能主要取決于連接后管箍擠壓環與內部被連接管道之間接觸面的接觸應力。接觸應力是接觸面的法向負荷。只有足夠大的法向負荷,才能使管箍擠壓環與被連接管道之間形成阻止泄漏的零間隙過盈面,且在管道內流體處于最大內壓時,接觸應力仍然存在。因此,為了保證接頭的密封性能,必須根據管道內壓條件合理設計管箍、管套的結構尺寸,使得接頭與管道連接后,在其接觸面上產生足夠大的彈塑性變形,即使在承受管內最大內壓時,其接觸面上仍然形成過盈面,并能夠阻止被密封的管內流體泄漏,達到可靠密封的效果。
      
      表面狀態對密封性能的影響表征密封表面性能狀態的參數有粗糙度、平整度、表面紋理方向及不延續狀態等,這些參數都影響著管接頭的密封性能,其中粗糙度和表面紋理影響較大。粗糙度是指微峰和微谷與平均值的差別,是材料切削方法(車、磨、削)所造成的結果。由于降低粗糙度會增加其生產成本,因而在加工中般以折中的辦法取粗糙度為0.8~1.6m.加工方法的不同引起表面紋理方向的不同,分為單向的、多向的、徑向的和周向的。由于管道機械接頭為回轉體,周向的紋理有利于增強密封性能,如果不能形成周向紋理,則必須使加工表面更加光潔,以達到同樣的密封效果。
      
      中國鋼管信息港多出鮮活生動的報道:管接頭的有限元模型建立Marc軟件是處理高度組合非線性結構、熱及其他物理場和耦合場問題的高級有限元軟件,其突出特點是非線性分析能力H.Marc計算分析過程主要由建立模型、網格劃分、加載求解和結果顯示組成S.建立了管接頭有限元模型(如所示)。
      
      管接頭有限元模型管接頭的工作物理過程的有限元分析是一個復雜的問題,在工作過程中,局部可能產生塑性應變,同時管道與管接頭之間,管接頭內外件之間均會產生接觸,表面還會產生摩擦應力63.因此,整個分析過程不但包括材料非線性、狀態非線性,而且包含摩擦,但為了使求解過程簡單順利而忽略了摩擦。由于管接頭為軸對稱結構,為了使求解過程更加簡便,可以取其截面建立2D模型,其中管道模型參數為標準管材,其彈性模量7為210GPa,泊松比為0.3.管接頭材料牌號為Q345(16Mn),材料密度為7.85gcm3,彈性模量為210GPa,泊松比為0.3,屈服強度為345MPa8. 4.2管接頭的有限元分析及結果管接頭的密封性能主要取決于管接頭的抗內壓性能,管接頭在抗內壓過程中的有限元模擬分析是建立在壓接過程基礎上的。充壓過程中,從管道內部表面向外施加一定的壓力載荷,載荷的大小隨著整個抗內壓過程不斷呈線性增大,直至管接頭受內壓導致接觸面出現間隙,密封失效。
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