天燃氣輸氣管道受力分析

王宇

摘要：液化天然氣架空管道的設計工作是液化天燃氣供應站總體設計中不可或缺的一個組成部分，而相當一部分城市燃氣行業的設計人員對這種架空低溫介質管道的設計工作比較陌生。在此種管道的設計工作中，管道的受力分析是設計工作能否成功的一個重要因素。本文就是采用有限元分析管道的受力機理和應注意的問題。

關鍵詞：天燃氣管道；受力分析

1 引言

對于液化天然氣供氣方案的城市，液化天燃氣供應站是城市燃氣管網系統的源頭，地位十分重要。液化天然氣供應站的核心組成部分是工藝裝置區。在此一區域，經卸車自增壓器輸入儲罐進行儲存的液化天然氣，將通過氣化器，調壓器等裝置氣化，調壓。成為普通的天然氣，輸送給城市地下管網。為方便檢修起見，連接這些裝置的工藝管道一般均為地上低位架空管道。由于液化天然氣是-168℃的低溫液體，造成架空管道內的介質溫度與管道安裝溫度存在較大差異，溫度應力對管道的影響十分明顯。如果不對這種影響進行合理的解決，有可能造成管道與設備連接處發生泄漏，損壞。或者是設備在推力的作用下產生過量變形，無法正常工作，乃至報廢。

本文主要討論由內壓引起的管道環向應力和正應力。下面將從架空管道一次應力的計算來對問題進行闡述。

2 輸氣管道受力分析

2.1 溫度應力的計算理論

當管道成為帶拐點的平面管系后，計算將趨于復雜。我們以一個采用L行管為類說明，如圖1，兩端固定點或是固定支架分段點，或是裝置連接點，其他受力和穩定問題暫不考慮。如果我們將一段的約束去掉，用等效力和力矩，在這些力和力矩作用下，此段變形量仍為零。然后利用變形協調方程，再加上力法或位移法，就可求的彈性推力，然后可求出各點的應力。這就是計算溫度應力的基本方法。

圖1 約束示意圖

3 輸氣管道有限元分析：

3.1問題描述

管道幾何參數：外徑 R1=O.6m；內徑 R2=0.4mm；壁厚 t=0.2m。

管道材料參數：彈性模量E=200GP；泊松比v=0.26.載荷：P=1MPa

3.2問題分析

管道沿長度方向的尺寸遠大于管道的直徑，在計算過程中忽略管道的端面效應，認為其長度的方向無應變產生，即可將該問題簡化為平面應變問題，選取管道橫截面建立幾何模型進行求解。

3.3 管道內部受力分析，變形分析：

經過ANSYS有限元計算后處理，將管道的應力圖，變形圖匯總如下：

圖2位移場等值線

圖3 等效應力等值線圖

有圖2位移場等值線圖可以看出管道應力由內向外逐漸減小，內部最大，等效應力為5.5MPa，最大應力出現在內部，最小應力出現在外部。由圖3等效應力等值線圖管道應力由內向外逐漸減小，最大應力為3.13MPa，最大的應力出現在內部。

結論：

天然氣輸氣管道的受力分析是一個很復雜的課題，本文通過運用ANSYS建立了輸氣管的模型，并利用ANSYS靜態分析法對輸氣管道進行加壓分析，并得出了應力分布和變形規律，本文只是在國內外現有研究的基礎上，做了一些嘗試性的研究。與電力，熱力等行業相比，該行業涉及這個問題比較晚，經驗太少，所以我們必須多學習，多實踐，摸索出一套適合我們自己的行業經驗，為社會貢獻自己的一份力量。

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