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    管道机械接头密封性能的有限元分析

    2019-04-15   来源:   点击数:0次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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     中国钢管信息港多出鲜活生动的报道:管道特点与传统的单层管和双层保温管相比,无论从设计、建造、还是海上安装方面,集束管道都有很大的区别。主要体现在:可以对内置的多根输油管道提供良好的热绝缘和腐蚀保护。特别是在深水油气资源开发中,可以大大降低深水低温导致的管道结蜡和水合物生成的风险。
      
      在油田内部,往往需要多根输油管道(含电缆)连接海底基盘、采油和外输设施,集束管道系统可把这些输油管道平行汇集在一起放入一个护套管及承载管中,这些输油管道可以依靠设置在固定间距的垫块来实现定位。承载管在安装过程作为运送管,将诸多的输油管道一次性安放到海底就位。同时,海上安装不需专用铺管船,使用租金便宜的拖轮即可,这不仅可以大大降低海上铺设安装的工期和费用,而且使海底管道走廊带的宽度降至最小,避免了不必要的拥挤。另外,也使抛锚对海底管道损伤的风险降到最低。
      
      管接头的密封性能是管道运输系统中最关键的控制性技术指标,管接头的失效会直接导致输送介质的泄漏,会造成严重的后果。因此,研究管道接头的密封性能有着重要的实用价值。
      
      管道机械接头是一种新型的金属管道连接技术,它是利用管接头件在压接过程中产生的弹塑性变形而实现的管道连接,该种连接方式具有无需焊接,速度快、机械化、自动化程度高,可大幅度降低劳动强度等优点m.(1"=2.54cm)管道机械接头,分析管接头的密封原理及其影响因素,并运用Marc有限元软件2对管接头的抗内压过程进行数值模拟,从而进一步研究管接头的密封性能。研究结果为管道机械接头的结构设计提供理论依据。
      
      1管道机械接头的基本结构及其工作原理管道机械接头的设计结构如所示。
      
      管接头结构图管接头为轴对称结构,由2个外部套管和1个内部管箍组成。其工作原理是将被连接管道的两端插入管箍内,管箍内表面设有5条凸起的环形筋条(中间条是被连接管道插入管箍时的定位环,另外每段被连接管道的端部各有2条挤压环,挤压环的截面设计为等腰梯形最佳,若能使挤压环产生径向弹塑性变形,则可让挤压环牢固箍紧于被连接管道上H.管箍外表面设计成一定锥度,在管箱的外部另有一对套管,套管带有内锥度。在连接过程中,利用专用加载机具对套管沿轴向相向加力,两套管即可相对于管箍分别进行左右滑动,于是管箍受套管所施加的径向压力作用,发生弹塑性变形,被压紧在需连接的管段上,从而实现管箍与被连接管道的牢固连接和密封。
      
      2管接头的密封原理分析管道机械接头的密封属于静密封中的接触型密封,不需要其他密封剂、密封垫或者密封圈,而是通过金属与金属之间的过盈配合而形成可靠密封。
      
      中国钢管信息港多出鲜活生动的报道:在外套管由加载机进行轴向推进过程中,由于管箍的锥面作用,管箍受到径向箍紧力和轴向剪切力,同时还受到摩擦力,在径向箍紧力的作用下,产生径向缩小,使得管箍与被连接管道之间的间隙越来越小,直到管箍挤压环接触到内部管道,径向变形受到了一定的限制。此时,挤压环与管道之间的接触应力越来越大,当接触应力达到一定的程度,法向压力提高到足以引起管道表面发生明显的弹塑性变形时,挤压环与管道之间开始出现零间隙,形成所谓的过盈配合,即可达到密封的效果。
      
      由于两段被连接管道之间只通过定位环进行定位,其接触面上不存在其他的密封剂或者密封圈,因此在实际工程应用中,管道内的流体会从两段被连接管道的接触间隙中溢出,并渗入管道外表面与管箍内表面之间的间隙中,直至间隙中由于流体充满产生的压力与管道内压力大小相等,此时,管箍将受到间隙内流体产生的内压力(见),管箍挤压环除了具有连接管道的作用之外,还必须能够隔离管道内的流体,从而起到密封保护作用。因此,为了保证管道的密封性能,管接头必须能够承受与管道内压大小相等的压力。
      
      密封面的接触应力对密封性能的影响管道的密封性能主要取决于连接后管箍挤压环与内部被连接管道之间接触面的接触应力。接触应力是接触面的法向负荷。只有足够大的法向负荷,才能使管箍挤压环与被连接管道之间形成阻止泄漏的零间隙过盈面,且在管道内流体处于最大内压时,接触应力仍然存在。因此,为了保证接头的密封性能,必须根据管道内压条件合理设计管箍、管套的结构尺寸,使得接头与管道连接后,在其接触面上产生足够大的弹塑性变形,即使在承受管内最大内压时,其接触面上仍然形成过盈面,并能够阻止被密封的管内流体泄漏,达到可靠密封的效果。
      
      表面状态对密封性能的影响表征密封表面性能状态的参数有粗糙度、平整度、表面纹理方向及不延续状态等,这些参数都影响着管接头的密封性能,其中粗糙度和表面纹理影响较大。粗糙度是指微峰和微谷与平均值的差别,是材料切削方法(车、磨、削)所造成的结果。由于降低粗糙度会增加其生产成本,因而在加工中般以折中的办法取粗糙度为0.8~1.6m.加工方法的不同引起表面纹理方向的不同,分为单向的、多向的、径向的和周向的。由于管道机械接头为回转体,周向的纹理有利于增强密封性能,如果不能形成周向纹理,则必须使加工表面更加光洁,以达到同样的密封效果。
      
      中国钢管信息港多出鲜活生动的报道:管接头的有限元模型建立Marc软件是处理高度组合非线性结构、热及其他物理场和耦合场问题的高级有限元软件,其突出特点是非线性分析能力H.Marc计算分析过程主要由建立模型、网格划分、加载求解和结果显示组成S.建立了管接头有限元模型(如所示)。
      
      管接头有限元模型管接头的工作物理过程的有限元分析是一个复杂的问题,在工作过程中,局部可能产生塑性应变,同时管道与管接头之间,管接头内外件之间均会产生接触,表面还会产生摩擦应力63.因此,整个分析过程不但包括材料非线性、状态非线性,而且包含摩擦,但为了使求解过程简单顺利而忽略了摩擦。由于管接头为轴对称结构,为了使求解过程更加简便,可以取其截面建立2D模型,其中管道模型参数为标准管材,其弹性模量7为210GPa,泊松比为0.3.管接头材料牌号为Q345(16Mn),材料密度为7.85gcm3,弹性模量为210GPa,泊松比为0.3,屈服强度为345MPa8. 4.2管接头的有限元分析及结果管接头的密封性能主要取决于管接头的抗内压性能,管接头在抗内压过程中的有限元模拟分析是建立在压接过程基础上的。充压过程中,从管道内部表面向外施加一定的压力载荷,载荷的大小随着整个抗内压过程不断呈线性增大,直至管接头受内压导致接触面出现间隙,密封失效。
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