管道清管器工作時對管道焊縫的影響

劉森, 陳敏, 何慶中, 厲明玉， 王浦全

(四川理工學院機械工程學院, 四川自貢643000)

管道清管器工作時對管道焊縫的影響

劉森, 陳敏, 何慶中, 厲明玉， 王浦全

(四川理工學院機械工程學院, 四川自貢643000)

針對清管器在工作過程中會出現撞裂或撞斷管道焊縫的情況，按照某型皮碗式清管器建立了三維模型，采用有限元分析方法對清管器在清管過程中管道焊縫的應力進行了計算，并重點考慮管道焊縫出現錯位時的情況，得到各工況下管道焊縫應力的分布情況。根據計算結果，給出了驅動壓力和焊縫錯位的最大允許值，可為現場施工時驅動力的調節和控制管道焊縫質量提供參考。

清管器;有限元分析;靜力學;焊縫應力

引言

作為清潔能源，天然氣的使用非常廣泛。而天然氣輸送管道在建設和運行中都會有污垢、凝積液等雜質產生，如果管道內雜質和液體過多，會使流量降低或造成管道堵塞，嚴重的會使管道堵死。因此，對于長期運行的管道，定期進行清理就成為一項重要工作[1]。

目前，大多數管道的清潔都是采用各種不同類型的清管器來完成的。而輸氣干線目前使用的清管器類型主要有皮碗式清管器、橡膠清管球、泡沫塑料清管器等[2-3]，本文主要研究采用皮碗式清管器的情況。這種清管器進行清管時是依靠管道內輸送流體的前后壓力差，將清管器在管內向前推進，依靠密封皮碗與管道的過盈量產生較大的摩擦刮削作用，使污垢剝離破碎，從而將污垢從管壁上清理下來，并最終清出管外，達到清理管道的目的[4]。

在清管器的實際工作中，曾經出現清管器驅動壓力和焊縫錯位量過大導致焊縫斷裂的情況。而清管器是在線工作的，即清管過程中管道輸送工作是照常進行的，一旦出現清管器撞裂或撞斷焊縫的情況，將帶來重大的經濟損失[5]。因此，采用有限元法對清管器清管過程中管道焊縫應力進行計算，重點考慮管道焊縫的錯位情況，得到不同驅動壓和不同焊縫錯位量的各種工況下，焊縫應力的變化情況，為現場施工時驅動力的調節和控制管道焊縫質量提供參考。

1 計算方法

1.1清管器模型

根據清管器的設計圖紙(圖1)，用三維建模軟件Solidworks建立了清管器、管道和焊縫的三維裝配模型(圖2),然后導入到有限元軟件Abaqus中。

圖1 清管器結構圖

圖2 三維模型圖

1.2載荷和約束

根據清管工作實際經驗及理論分析，清管器在工作過程中管道壓力較高一側的皮碗運動到兩管道之間的焊縫位置時，是焊縫受力的最大值位置。因此，這里對清管器運動到此位置時的瞬時進行力學分析。清管器工作時的載荷為：驅動清管器前進的驅動壓力；密封皮碗過盈量所產生的徑向力；管道和清管器的自身重力。其中驅動壓力是直接在受載荷面上施加的相應面載荷，即左端最高，從左往右依次把整個管道分成幾個相對密閉的空間，然后依次遞減(最左端和最右端壓差保持0.4 MPa)。而產生徑向力的過盈量是通過接觸施加的，重力是由給出的重力加速度和密度計算得到的。模型的邊界條件：焊接管道兩端采用簡支梁約束，半模型的剖面(包括管道，焊縫和清管器的剖面)約束為垂直于剖面的方向。皮碗與管道的接觸設置為Finite sliding(有限滑移)。1.3模型網格

在有限元計算中，網格的質量往往決定著計算的精度，因此在有限元計算中經常需要在一定范圍內簡化模型，本計算中皮碗和清管器剛性骨架是通過螺栓連接的。由于螺栓預緊力并不是本文研究的范圍，且螺栓對網格質量有較大干擾。因此文中模型未畫出螺栓，而是用綁定約束將清管器剛性骨架和皮碗綁定在一起。

由于所計算模型完全對稱，為了減小計算量，提高計算精度，計算采用半模型進行。綜合考慮力學模型的各個因素，全部模型的網格均選取C3D8R(六面體線性縮減積分)[6]。并對焊縫、皮碗、管道與皮碗接觸的部分進行局部細化，這樣可以盡量保證關鍵部位的網格質量，從而提高計算精度。模型的網格如圖3所示。

圖3 模型的網格劃分

2 計算實例

根據使用單位提供的數據，模型各部件的尺寸見表1。聚氨酯皮碗的過盈量一般在1%-3%之間[7]，本計算實例中皮碗的過盈量為1.2%。各部件的材料屬性情況見表2。

表1 清管器及管道的尺寸

表2 各部件的材料屬性

為了研究焊縫在各種驅動力下的應力變化情況[8-10]，計算時將驅動壓力設置為從1 MPa開始，并以0.5 MPa的公差值增加到7 MPa，清管器前后壓差則一直保持為0.4 MPa。分別對兩皮碗清管器和三皮碗清管器進行了計算。焊縫的最大應力值如圖4所示。4 MPa時(兩皮碗)模型整體應力及焊縫處局部放大應力如圖5所示。驅動壓力為4 MPa時(三皮碗)，焊縫最大應力的位置如圖6所示。

圖4 焊縫的最大應力值情況

圖5 模型整體應力圖及焊縫處局部放大應力圖

圖6 焊縫最大應力位置情況

從圖4-圖6的結果可以看出，焊縫應力隨著驅動壓力的線性增加也基本是線性增加的，同時，焊縫應力最大值的位置出現在最低點的附近。另外在相同驅動壓力下三皮碗清管器工作時的焊縫應力基本都是比兩皮碗清管器工作時的焊縫應力多15 MPa左右。

考慮到管道焊縫在焊接過程中不可避免地會出現錯位的情況，當皮碗通過焊接錯位的位置時，集中表現為皮碗的變形量加大，如圖7所示，從而使焊縫承受更大的應力。以兩皮碗清管器在驅動壓力為4 MPa，壓差仍保持0.4 MPa，焊接錯位量為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm四種情況為計算實例進行分析計算。由于焊縫平滑時皮碗的過盈量為4.5 mm，所以錯位后與焊縫接觸的皮碗的過盈量變為5 mm、5.5 mm、6 mm、6.5 mm，其它工況不變。計算后得到焊縫錯位量與焊縫應力之間的關系如圖8所示。焊縫最大應力位置情況如圖9所示。

圖7 焊縫錯位情況示意圖

圖8 焊縫錯位量與焊縫最大應力的關系

圖9 焊縫最大應力位置情況

從圖7-圖9的結果可以看出，隨著焊縫錯位量的線性增加，焊縫應力也基本是線性增加的。大致每增加0.5 mm的錯位量就增加5 MPa左右的焊縫應力。這也說明了管道焊縫在焊接時的錯位量對清管器的安全工作有較大影響。

3 結論

(1) 計算實例中焊縫材料為Q345，其屈服強度為345 MPa。當安全系數取1.6時，則焊縫允許的最大應力為215.6 MPa。從圖4可以看出：兩皮碗清管器當驅動壓力為4.5 MPa時，焊縫最大應力值為222.5 MPa；三皮碗清管器當驅動壓力為4 MPa時，焊縫最大應力值為215.8 MPa。所以兩皮碗清管器工作時驅動壓力不應超過4.5 MPa，三皮碗清管器工作時驅動壓力不應超過4 MPa。

(2) 從圖7可看出，當焊縫錯位量為1.5 mm時，焊縫應力為214.3 MPa，在安全范圍內。當焊縫錯位量為2 mm時，焊縫應力為219.8 MPa，已超出安全范圍。所以焊縫的最大錯位量不應超過1.5 mm。

[1] 徐小波,馬國光,劉 昕,等.氣管線清管過程中的問題及解決辦法[J].油氣田地面工程,2011(1):57-58.

[2] 臧延旭,楊 寒,白港生,等.長輸管道變徑清管器研究發展[J].管道技術與設備,2013(6):45-48.

[3] 張 磊,李宜震,王 沖.清管器應用及分類簡析[J].化學工程與裝備,2013(7):173-175.

[4] 張薇娜.清管器(Pig)清洗技術[J].洗凈技術,2013(6):25-29.

[5] 劉 剛,陳 雷,張國忠.管道清管器技術發展現狀[J].油氣儲運,2011(9):646-653.

[6] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京:機械工業出版社,2011.

[7] 周偉國,劉京東,王 海,等.燃氣管道清通過程清管器卡堵模擬[J].上海煤氣,2013(10):7-9.

[8] 戴 斌,陶志均.皮碗式清管器的磨損和長度特性研究[J].上海煤氣,2008(2):6-9.

[9] 王新亞,粟 佳,包瑞新.輸油管道清管器受力數值研究[J].遼寧石油化工大學學報,2007(6):39-41.

[10] 李亨濤,張仕民,王思凡.新型深水水下清管器發射裝置[J].海運與船運,2014(3):322-326.

The Influence of the Pipeline Pig on the Pipeline Weld During Its Working

LIUSen,CHENMin,HEQingzhong,LIMingyu,WANGPuquan

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

Aiming at the case that the welded pipe will be cracked or broken off at the weld seam during the working process of pipeline pig, the 3D model is set up according to a certain type of leather cap type pig; the stress of the weld seam in the pigging process of pipeline pig is calculated by finite element analysis method, the calculation had focused on the situation of the pipe’s dislocation, then the stress distributions of pipe seam are obtained under various operating conditions. The maximum allowable values of driving pressure and weld dislocation are given out according to calculation results, which can be used as the reference for adjusting driving force and controlling the pipeline welding quality during on-site construction.

PIG; finite element analysis; statics; weld stress

2014-06-10

劉 森(1989-)男,安徽阜陽人,碩士生,主要從事有限元應力計算方面的研究,(E-mail)237566904@qq.com; 陳 敏(1956-)女,浙江諸暨人,教授,主要從事反求設計及CFD分析等方面的研究,(E-mail)min_chen99@163.com

1673-1549(2014)06-0043-04

10.11863/j.suse.2014.06.11

TE49

A