有限元法在管道擠壓變形分析中的應用

尚 凱 王世煒 孟賢勇 馬希欽

（1、91133 部隊 2、78479 部隊 3.重慶大學）

1 緒論

管道輸送是目前油品輸送的主要方式，也是最經濟、高效、安全的一種方式，我國輸油管道經過50 多年的發展，截止2007年為止，我國也建成輸油管道2.9 萬km，其中原油管道1.7 萬km，成品油管道1.2 萬km[1]，且每年都在以一定速度增加，輸油管道如果由于腐蝕、施工破壞、自然災害等可能發生泄漏或斷裂。

為了解決管道斷裂處存在大落差或者處于大坡段這一難題，設想在輸油管道發生斷裂或大面積破裂時，在靠近斷裂或破裂的地方，使用一種特殊的管夾快速地將輸油管道壓扁，作為一種臨時措施，能夠盡量減少或止住油品的外泄，然后將管道里面的油品回收，再進行換管等搶維修作業。夾壓裝置的設計，需要對管道進行擠壓實驗取得相關數據，由于大口徑管道擠壓實驗中存在的不可預知因素比較多，并且多次實驗的成本也比較高。隨著有限元數值分析方法的發展，可以利用有限元分析方法來模擬管道擠壓變形，獲得需要的數據，并和實驗數據進行分析比較，以指導夾壓截流裝置的設計和生產。

2 管道擠壓試驗

2.1 試樣

試樣為406×8×3200mm的 X60 管線鋼管，管道為直焊縫管，外裹有防腐層。

2.2 實驗方法

實驗在1000 噸萬能擠壓試驗機上進行，按要求將特定的上下壓頭安裝好后，將鋼管吊裝放入壓頭之間，調節鋼管焊縫線與水平面成一很小角度，鋼管兩端用支墩支撐，然后將上壓頭調節下移至接觸鋼管，隨后加載擠壓直到鋼管完全被壓扁。

2.3 實驗現象及結果

在鋼管的擠壓過程中，在加載載荷較小階段，鋼管在擠壓處發生緩慢而微小的形變，隨著載荷的增加，擠壓處變形量越來越大，鋼管的兩端也發生一定程度的橢圓化，隨著擠壓變形量的增大，鋼管兩端的橢圓化也越來越大。在擠壓的最后階段，鋼管擠壓截面內部的中間部位首先接觸，隨后兩邊逐漸被壓扁。壓扁后繼續加載，此時隨著載荷的增加位移形變量很小，壓扁卸載后，鋼管壓扁處出現一定量的回彈。

3 有限元分析

管道在擠壓變形過程中，局部存在大變形，不僅只存在線性變形關系，還有非線性變形關系。變形進入塑性后，線彈性的關系理論就不再適用，這時需要采用非線性的理論關系，平衡方程也必須建立于變形后的狀態以考慮變形對平衡的影響[2]。

3.1 基本過程

有限元分析的過程可分為以下3個階段：前處理，包括材料性質參數、幾何形狀定義、單元網格劃分及加邊界和載荷條件等；分析計算；后處理，即分析處理計算得到的數據。

3.2 分析建模過程

鋼管受擠壓實際過程簡化成合適的有限元軟件模擬的力學模型是有限元模擬的關鍵所在，雖然在簡化的過程中要求實際過程與模型的力學特性一致，但為了使模型達到既便于分析又可得到想要的精確值，可以重點突出所關心的部分，淡化或者忽略所不關心的部分。對于管道擠壓情況，重點關心的是管道加載擠壓的塑性變形過程和壓扁后的變形情況，由于鋼管的壁厚遠遠小于管徑，在建模時使用殼單元；而壓頭的變化情況則可以不去考慮，在建模時將壓頭設定為剛體。在對管道進行網格劃分時，將變形較大的中間部分區域采用四邊形網格劃分得很細，而變形較小的端頭附近劃分得相對比較粗略一些，同樣也采用四邊形網格劃分，而在兩種粗細不同的網格中間，使用三角形網格連接過渡，如圖1 所示。

3.3 結論分析

通過前面對管道受擠壓的有限元的分析，模擬計算了406×8×3200mm 的管道受擠壓變形情況，從模擬的結果來看，離壓頭越近的區域，變形越大，應力也越大；離壓頭越遠的區域，變形也越小，應力值也相對較小。鋼管擠壓過程的應力云圖如圖2 所示，從圖中可以看出，在壓扁過程中，應力集中在被壓扁的位置。對于管道的擠壓，有限元模擬和實驗得到位移載荷曲線圖3 所示，模擬得到的曲線和實驗曲線比較吻合，在一個合理的誤差范圍之內。

4 結語

通過管道擠壓實驗和有限元模擬結果的分析比較，模擬和實驗得到的位移載荷曲線非常吻合，變形和壓扁過程也非常近似，說明建立的模型是正確的，可以將此模型推廣到到其他不同管徑管線的擠壓模擬，以得到夾壓截流裝置設計和生產需要的數據。

[1]中國油氣管道分析發展報告.

[2]王勖成，劭敏.有限單元法基本原理和數值方法[M].北京：清華大學出版社,1997.