室外架空燃氣管道安裝支架的結(jié)構(gòu)強度及剛度分析

朱 健，李 霄

（西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065）

室外架空燃氣管道安裝支架的結(jié)構(gòu)強度及剛度分析

朱 健，李 霄

（西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065）

為了確保室外架空燃氣管道的安全性，基于ABAQUS軟件，建立了6.5 m安裝間距條件下，2 mm厚度、4 mm厚度、2 mm厚度加20 mm斜筋、4 mm厚度加20 mm斜筋4種支架模型以及3 m安裝間距條件下，4 mm厚度加20 mm斜筋支架模型，并分析了不同條件下各支架的變形及應力分布情況。結(jié)果顯示，管道支架間距6.5m時，2mm厚度最大位移為4.14mm，應力峰值為235MPa；4mm厚度時最大位移為2.09mm，應力峰值為225MPa；2mm厚度加20mm斜筋時最大位移為3.90mm，應力峰值為237MPa；4mm厚度加20mm斜筋時最大位移為1.46mm，應力峰值為215MPa。管道支架間距3m時，4mm厚加20mm斜筋的支架的峰值位移降低至0.66mm，應力峰值降低至191MPa。研究表明，增加支架壁厚、加斜筋、縮小管道支架間距等均可降低支架的變形和應力，滿足燃氣管道安裝工程的要求。

室外架空；安裝支架；ABAQUS；強度分析；剛度分析

城市燃氣管道支架設(shè)計對于管道安全來說是一項極其重要的工作，其不僅要承受管道的垂直載荷，還要承受來自各方面作用于管道上的力，限制管道的位移，并滿足管道系統(tǒng)的運行要求。正確的設(shè)計可以滿足管道對支架強度和剛度的要求，同時有效地降低管道對支架產(chǎn)生較大的附加載荷，防止因管道的振動、位移等原因造成燃氣泄露等事故的發(fā)生。本研究基于ABAQUS軟件，對室外架空燃氣管道安裝支架的結(jié)構(gòu)強度及剛度進行了有限元模擬及分析。

1 建立分析模型

1.1 材料模型和幾何模型

管道支架的結(jié)構(gòu)和形狀較多，從性能和用途來分，可以分為支架（包括管托、滾動支架、管卡、平衡錘支、架彈簧支架等）、吊架（包括鋼性吊架、彈簧吊架）、限制性支架和支承裝置等。

BAZT025－DN80支架為城鎮(zhèn)室外架空燃氣管道的安裝支架，材質(zhì)為美標304不銹鋼，其屈服強度為205 MPa，抗拉強度為520 MPa，均勻延伸率約為35%。根據(jù)工程應力應變參數(shù)可得其真應力、真應變及其之間的關(guān)系。管道安裝支架的壁厚為2 mm，屬于薄壁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管道安裝支架結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 邊界條件及載荷

圖2 支架分析模型

在ABAQUS開發(fā)環(huán)境下建立支架模型，如圖2所示。安裝螺栓孔設(shè)置為固定邊界條件，并耦合加載位置的垂直方向位移。加載位置根據(jù)圖紙給出的尺寸設(shè)置在最外側(cè)，距離安裝面的水平距離為155.55 mm。

根據(jù)常用鍍鋅管理論質(zhì)量以及安裝支架間距計算垂直方向的載荷。取支架間距為6.5 m、管道質(zhì)量為9.0 kg/m，則支架承受的垂直方向的總載荷為566 N。

燃氣管道的螺紋包括長螺紋和短螺紋，DN80管道按長螺紋計算其螺距約2.25 mm，假設(shè)安裝時多上緊2扣，造成的水平方向的應變?yōu)?/p>

此時材料處于彈性范圍，截面上承受的應力為

DN80管道的直徑D=88.9 mm，壁厚t=4.0 mm，因此鋼管上扣產(chǎn)生的水平方向載荷為

該載荷數(shù)值雖然很大，但并不是直接作用于支架。由于燃氣管與支架之間為滑動狀態(tài)，因此支架承受的水平方向的載荷受到兩者之間接觸狀態(tài)的影響。鋼與聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、高密度聚乙烯類材質(zhì)的摩擦系數(shù)為0.1～0.45，鋼與防腐層材料間的摩擦系數(shù)借用該范圍的最大值，即摩擦系數(shù)取0.45。

2 有限元分析結(jié)果

2.1 壁厚的影響

2.1.1 壁厚2 mm

支架壁厚為2 mm時，垂直載荷為6.5 m燃氣管的重力、水平方向載荷為鋼管與防腐層材料間的摩擦產(chǎn)生的載荷。垂直載荷為565 N，摩擦系數(shù)取0.45，燃氣管水平方向移動距離為2.5 mm。

垂直、水平載荷共同作用下支架的位移、應力分布如圖3所示，位移最大位置為A區(qū)，最大值為4.14 mm（見圖3（a））；支架安裝側(cè)的位移較小，遠端的位移較大，z方向的變形特別明顯 （見圖3（c））；支架中應力最大的位置為安裝孔周邊區(qū)域，兩孔的受力較為均勻， 峰值應力為235 MPa（見圖3（d））。

通過應力分析可以確定，壁厚2 mm支架的結(jié)構(gòu)在安裝孔處的強度略低，其他位置的強度滿足載荷要求。因此，壁厚2 mm支架的強度滿足要求，但其結(jié)構(gòu)剛度還有待考慮。

圖3 壁厚2 mm支架的變形及應力分布

2.1.2 壁厚4 mm

壁厚4 mm支架的變形及應力分布如圖4所示，位移的峰值（2.09 mm）仍位于支架遠離安裝位置側(cè)，明顯低于厚度2 mm支架的變形，但2 mm的位移仍是肉眼可觀察到的明顯水平。應力峰值（225MPa）仍位于安裝孔處，相比2 mm厚度時的應力水平有所降低，且上部安裝孔的應力水平較高。

圖4 壁厚4 mm支架的變形及應力分布

2.2 斜筋的影響

為了增加支架的結(jié)構(gòu)剛度，在圖2模型基礎(chǔ)上增加1條長20 mm斜筋（如圖5所示），分析壁厚2 mm和4 mm支架的變形及其應力分布情況。

圖5 帶斜筋的支架分析模型

2.2.1 壁厚2 mm

壁厚2 mm帶斜筋支架的變形及應力分布如圖6所示。由圖6可見，在同樣載荷作用下，由于斜筋的作用使得峰值位移由4.14 mm降低為3.90 mm，峰值應力與原始結(jié)構(gòu)基本持平。因此，不改變厚度僅增加斜筋時的效果不是特別明顯。

2.2.2 壁厚4 mm

壁厚為4 mm帶斜筋支架的變形及應力分布如圖7所示。由圖7可見，在同樣載荷的作用下，由于斜筋的作用使得峰值位移為1.46 mm、峰值應力為215 MPa，峰值位移均明顯較小，但是應力峰值仍然高于材料的屈服強度。

圖6 壁厚2 mm帶斜筋支架的變形及其應力分布

圖7 壁厚4 mm帶斜筋支架的變形及應力分布

2.3 支架間距的影響

在壁厚4 mm、加20 mm斜筋的基礎(chǔ)上，安裝支架間距從6.5 m縮小為3 m，然后再分析支架結(jié)構(gòu)的變形及應力分布情況，結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，此時最大位移為0.66 mm，峰值應力為191 MPa。與支架間距6.5 m時的情況相比，變形明顯減小，峰值應力略有降低。由于厚度較大，上安裝孔承受了大部分載荷，因此應力峰值降幅不大，但已低于材料的屈服強度。

圖8 壁厚4 mm帶斜筋支架、間距3 m時的變形及應力分布

2.4 分析結(jié)果

從以上分析可知，5種不同結(jié)構(gòu)支架的變形及應力統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)支架的變形及應力統(tǒng)計結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）燃氣管道支架間距為6.5 m，在燃氣管道自身質(zhì)量、安裝時螺栓等緊固力的共同作用下，產(chǎn)生的變形使得2 mm壁厚支架A區(qū)最大位移為4.14 mm，此時安裝孔處的峰值應力為235 MPa，超過了材料的屈服強度。

（2）增加支架壁厚、加斜筋、縮小管道支架間距等均可降低支架的變形和應力。3種因素的共同作用可有效減小變形，峰值位移降低至0.66 mm、應力峰值降低至191 MPa，這時的應力峰值已低于材料的屈服強度。此結(jié)構(gòu)支架的強度和剛度均可以滿足燃氣管道安裝工程的要求。

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Strength and Stiffness Analysis of Installation Bracket Structure of Outdoor Overhead Gas Pipeline

ZHU Jian，LI Xiao
（School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065， China）

In order to insure the security of outdoor overhead gas pipeline,based on ABAQUS software,bracket models including in the condition of 6.5 m installing space 2 mm thickness,4 mm thickness,2 mm thickness with 20 mm diagonal reinforcement，4mm thickness with 20mm diagonal reinforcement,and in the condition of 3m installing space 4 mm thickness with 20mm diagonal reinforcement were established to analyze bracket deformation and stress distribution.According to the analyzed results，in the condition of 6.5 m installing space，the maximum displacement of 2 mm thickness was 4.14 mm，and the peak stress was 235MPa；the maximum displacement of 4mm thickness was 2.09mm，and the peak stress was 225MPa；the maximum displacement of 2mm thickness with 20mm diagonal reinforcement was 3.90mm，and the peak stress was 237MPa；the maximum displacement of 4mm thickness with 20mm diagonal reinforcement was 1.46mm，and the peak stress was 215 MPa.Under the condition of 3m installing space，the maximum displacement of 4mm thickness with 20mm diagonal reinforcement was 0.66mm，and the peak stress was 191MPa.The research showed that increasing wall thickness of bracket，adding diagonal reinforcement，reducing installing space of bracket could reduce bracket deformation and stress distribution and meet the requirements of natural gas pipe installation project.

outdoor overhead； mounting bracket； ABAQUS； strength analysis； stiffness analysis

TE832

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.006

朱 健（1989—），男，在讀研究生，主要從事油井管加工、制造及應用方面的研究。

2017－06－08

謝淑霞