压力波作用下输油管道动态特性研究

2 0 1 1 年第 4 0卷 第 1 0期 第 2 4页 石 油矿 0I L FI ELD 场 机 械 EQUI PME NT 2 0 1 1， 4 0( 1 0 ) ： 2 4 2 7 文 章 编 号 ： 1 0 0 1 3 4 8 2 ( 2 0 1 1 ) 1 0 - 0 0 2 4 0 4 压 力波作 用下输油管道 动态特性研 究 王廷喜 ， 赵华 ( 西南交通大学 力学 与工程学 院 ， 成都 6 1 0 0 3 1 ) 摘要 ： 由于多种 因素的影响， 输油管道 内的压力通常不稳定， 对管道结构的可靠性和使 用寿命 有较 大影响， 结构设计 中需要研究输油管的动态特性。采用有 限元方法模拟分析 了输油管道在不 同压 力 波作 用下 的动 态特性 ， 采 用 P CI 语 言编 写程 序描 述 了连 续正 弦压 力 波在 管道 内的移 动过 程 ， 选 用壳单元模拟输油管薄壁筒结构 ， 应用瞬态动力学有限元软件计算 了输油管的动态响应 ， 得到 了移 动压 力 波作 用下输 油 管 内的 应 力、 变形 随压 力波 变化 的规律 。 关键 词 ： 输 油管道 ； 压 力波动 ； 动 态特性 ； 有 限元 法 中 图分类 号 ： TE 9 7 3 文 献标识 码 ： A S t u d y o f Dy n a mi c Cha r a c t e r i s t i c s o f t h e Oi l Pi pe l i ne u nd e r Pr e s s u r e W a v e W ANG Ti ng x i ， ZH AO H u a ( S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g， S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y， C h e n g du 6 1 0 0 3 1 ， Ch i n a) Abs t r a c t ： The pr e s s ur e i n t he o i l p i p e l i ne i s u s u a l l y u ns t a bl e du e t o m a n y f a c t o r s， a n d h a s a g r e a t i nf l u e n c e o n t he s a f e t y r e l i a b i l i t y a nd s e r v i c e l i f e of t h e pi p e l i n e s t r uc t u r e ，S O i t i s ne c e s s a r y t o s t u dy t he dy na m i c c ha r a c t e r i s t i c s o f p i p e l i ne i n s t r uc t ur a l d e s i g nThe d yn a mi c c ha r a c t e r i s t i c s o f t he p i p e l i ne un de r d i f f e r e n t pr e s s u r e wa ve we r e a n a l y z e d i n t hi s pa pe r by t h e Fi ni t e El e m e nt M e t h o d The m o v i ng pr o c e s s of a c on t i nu ou s s i n e pr e s s u r e wa v e wi t hi n t he p i pe l i ne wa s de s c r i b e d b y a p r o g r a m wr i t i n g i n PCI l a n g u a g e a n d t h e s h e l l e l e me n t s we r e a d o p t e d t o s i mu l a t e t h e t h i n wa i l e d p i pe l i ne s t r uc t u r e The d yn a mi c r e s po ns e o f t he p i pe l i ne wa s c a l c ul a t e d by t r a ns i e n t d y n a mi c f i n i t e e l e m e nt s o f t wa r e， a n d t he n t he v a r i a t i o n l a WS o f t h e s t r e s s a nd d e f o r ma t i on of t he o i l p i p e l i ne we r e ob t a i n e d un de r t he d i f f e r e n t pr e s s u r e wa ve Ke y wo r d s： oi l pi pe l i n e； pr e s s u r e s u r g e； d yn a mi c c h a r a c t e r i s t i c s ； f i ni t e e l e m e nt me t h od 在 输 油过程 中 ， 冲击 压 力 波作 用 下 的破 坏 是输 油管破坏的主要形式之一。例如 ， 液体在输油管内 流动时因关闭阀门、 堵塞等突然 中断， 输油管 内会产 生 水 击压力 波 ； 远程 输 油 泵 站 附 近 因为 泵 压 不稳 定 而产生的压力波载荷 ； 阔压阀在调压过程 中的反复 动作 引起 的压 力 波 动 。这 些 工 况 下 产 生 的输 油 管内压将 比正常工作 内压高得多， 且作用时间较短 ， 所以对输油管产生的冲击危害较大 。 压力波在薄壁管 内的传播问题 ， 特别是对任意 波形 压 力 作 用 下 的 弹 塑 性 分 析 理 论 求 解 异 常 复 杂 l3 。周光泉 采用流体控制方程结合圆柱壳理论 分析 了可变性管道 内流体压力波传递 问题 ， 但其讨 论仅适合于波长较长、 管道弹性变形的情况 。B i a n c a d e C P i n h e i r o等 采用实验兼数值方法研究了 有压痕缺陷的管道在循环 内压下 的疲劳分析方法， 其中载荷随时间变化 ， 但未实现移动。王廷 喜等 对移动压力波引起 的厚壁筒的动态特性作 了研究 。 本文采用 MS C Dy t r a n瞬态动力学有 限元 软件 对 收 稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 4 1 8 作者简 介： 王廷喜( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 甘肃会 宁人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为工程结构仿真 ， E ma i l ： j e x y 2 0 8 1 6 3 c o rn。 第 4 O卷第 1 O 期 王廷喜 ， 等 ： 压力波作用下输 油管道 动态特性研 究 2 5 不 同波长移动压力波作用下的输油管动态响应进行 了模拟计算 ， 给出了其应力、 变形随时问变化的关系 曲线 ， 并与静态 内压下的计算结果进行 了比较 ， 结果 表明输油管在移动的正弦压力波作用下动态效应明 显 。了解压力波在输油管中的波动特性 ， 有利 于准 确地提取压力信号特征点l_ 7 _ 8 j ， 从而进行输油管的泄 漏 检测 和定 位 。 l 基本理论解 弹性力学方法能解决的问题是有限的， 只有结 构 几何 、 边 界条 件 、 载荷工 况 相对 简单 的少 量 问题可 以求解 。输油管通常分为地上、 地下 2种铺设方式 ， 地 上又 根据 地形 分 为 全 地 面 支 承 和悬 空 梁 形 式 ， 本 文主要研究悬空梁式铺设的输油管道 。 以 1段 支 承 间 距 5 0 0 0 mm的悬 空 梁 式 输 油 管 为例 ， 轴向无约束， 轴向应力为零 ； 因为是薄壁管， 所 以径 向应力 也 为零 ； 只 有 环 向应 力 。输 油管 均 布 内 压 为 5 9 1 MP a ， 平 均 直 径 o 7 1 1 mm， 壁 厚 6 5 iT l m； 输 油 管 为 理 想 弹 塑 性 材 料 ， 密 度 7 8 1 0 。 k g m。 ， 弹 性 模 量 2 0 5 1 0 MP a ， 泊 松 比 0 3 ， 屈 服 强 度 。 一4 5 0 MP a 。 由于 原 油 重 力 引 起 对 管 壁 的压 力 仅 为 内压 的 1 1 0 0 0 ， 不计压力波动 ， 可 以按照薄壁管受 内压模 型计算其环 向应力l 9 为 一 得 到静 态 内 压 下 输 油 管 壁 内 的环 向 应 力 一 3 7 7 9 MP a ， 径 向 应 力 为零 ， 且 忽 略 轴 向应 力 ， 所 以 Mi s e s 等效 应 力等 于 n ， 且 口 ， 表 明在 静 态载 荷 下输 油 管结 构 只发生 弹性 变形 。 2 计算模 型 输油管两端施加 方向支撑 约束 ， 在一端 限制 轴向( z向) 位移， 采用 4节点壳单元来模拟 ， 模 型共 有 6 5 9 2个 单元 ， 6 6 5 6 个 节 点 ， 如 图 1 。 图 1 有 限元 网格 1 ) 输油管 内的载荷主要包括恒定 原油静压 力 、 压 力 波和原 油 重力 ， 均 为对 管 壁 的压力 ， 这 3种 压力全部垂 直于壳单元 的内侧表 面。输油 管静 压 力 、 压 力 波 、 原 油重 力和边 界 约束如 图 2 。 图 2输油管内部载荷边界条件 2 ) 原油重力引起对管壁的压力沿垂直高度线 性变化 ， 根 据 P =p g y， 可得 到原 油 重力 引起 的压力 分布 。 3 ) 管 内 恒 定 内压 和重 力 引 起 的 内压 是 稳 态 的 ， 即不随时间变化 ； 正弦压力波随时间移动 。 4 ) 输油 管 内 的压 力 波 为移 动 的正 弦 波形 ， 采 用 MS C P a t r a n二次开发语言 P C L编制程序 ， 实现 压力 波沿 输油 管轴 向移动 。 5 ) 根据压 力 波 在 管 内快 速 移 动 的 特 点 ， 采用 离散 的压 力点进 行加 载 。为 了实现 载荷 在管 内 的移 动， 将模 型划分为一系列等宽环面 ， 这些环无缝地连 接起来 形 成输 油管 模 型 ， 在 每 个 环 上施 加 随 时 间 变 化的载荷 ， 这些载荷在某一时刻是均布压力 ， 下一时 刻变为由正弦波得 出的另一个均布压力， 这样任一 压力 波就 形 成 近似 的 正 弦压 力 波 ， 如 图 2 。 如果 环 面 、 单 元 和波形 离散 足够 细化 ， 其压 力波则 接 近于 真 实情况 。 3计算结果分析 计算在 0 0 0 1 S 和 0 0 0 2 S 二种周期 ( 波长) 、 波 幅分别为 1 MP a和 2 MP a 压力波作用下的输油管 动态 响应。鉴 于 压力 波传 递 瞬时性 ， 采 用 MS C Dy t r a n瞬态动力学有 限元软件作为计算工具， 分别 模拟了输油管在不 同波长、 周期和峰值 的压力波作 用下 的应力 及其 变形 过程 。其 中， 压 力波 P 的波 长 取输油 管 直径 的 1 2 ， 周期 由压 力 波 速度 计 算得 到 ； 压力波 p 的波长取输油管直径 ， 波速不变， 所 以周 期加倍 ； 压力波 P 。的峰值在前 2 种波长的基础上增 加 1 MP a ， 达到 2 MP a ， 由于冲击 的作用 ， 可使输油 管进入塑性变形 ， 以便观察输油管的弹塑性动力响 应 过程 。加 载 的压力 波均 为 正弦波 ， 如表 1 。 ， 石油 矿场 机械 2 0 1 1 年 1 0月 表 1 加 载的压力波 3 1 输油 管应 力 在压力波 的作用下 ， 输油管内壁 Mi s e s 等效 应 力在 0 0 7 6 S 达 到 最 大值 4 4 6 MP a ， 如 图 3 ， 与基 本 理论 解 比较可 知 ， 压力波 P 荷 载作 用下 的 等效应 力较静态内压作用下 的等效应力高 1 8 0 2 ； 在压 力波 的作用下， 输油管 内壁 Mi s e s等效应力在 0 0 6 4 S 达 到 最 大值 4 0 2 MP a ， 如 图 4 ， 较 静 态 内压 作用 下 的等 效 应 力 高 6 3 7 。在 相 同 的恒 定 内压 作用下， 尽管压力波峰值相等 ， 因为 较 P 作用周 期短 ， 冲击 效果 更 明显 ， 所 以在 作 用 下 产 生 了较 大 的应 力 。 图 3 压力波 P 作用下 0 0 7 6 S时刻 内壁 等效应力 图 4 压力波 户 z 作用下 0 0 6 4 S 时刻 内壁等效应力 在压力波 P 。 作用下 ， 输油管内壁 Mi s e s 等效应 力如图 5 ， 由于压力波峰值增加为 2 MP a ， 等效应力 达 到 了材料 的屈 服 极 限 4 5 0 MP a ， 与 和 z 这 2 种工 况相 比 ， 在压力 波 P 。 作 用下 的应 力变化 更趋 于 稳定 。另外 可 以看 出 ， 最 大 等效 应 力 总 是 出 现在 波 前 ， 即波 的最 前 面 ， 因 为在 波 前 应 力 变化 大 ， 加速 度 较大， 所 以冲击力较大 ， 向后逐渐稳定 ； 等效应力在 压 力峰 值处 呈较 大值 ， 到两 边呈 对称 递减形 态 ， 这 与 压 力波 的波 形及 移动 规律 相吻合 。 图 5 压力波 户 。 作用下 0 0 6 4 S 时刻 内壁等效应力 图 6为 P 、 和 。 三 种 压 力 波作 用 下 管 壁 上 某节 点处 等效 应力 随 时间变 化 曲线 ， 可 以看 出 ， 该 节 点在 约 0 0 1 4 S 时 出现 了最 大应 力 ， 向后逐 渐 稳 定 ， 并按 应 力波周 期 简谐变 化 ； 在 P 。 作用 下应 力震 荡 明 显 ， 因为随着应力变化周期的增加 ， 应力波反射起到 了干涉 作用 。 图 6 3 种压 力波作用 下节 点等效应力随时间变化 曲线 3 2 输 油管位 移 速 度和 加速度 为 了 观察 压 力波 在 输 油管 内 的动 态变 形 ， 忽 略 边界约束 的影响 ， 分析压力波移动时输油管 中段横 截 面径 向 的运 动 参 量 ， 即位 移 、 速 度 和加 速 度 的 响 应 ， 截面中部节点的计算结果如图 7 ， 截面其他节点 的结果 由于原 油重 力 的原 因略有 差异 。 由图 7 a 可以看出 ， P 和 P 。 作用下径 向位移接 近 ， 几乎 没有 区别 ； P 。 作 用下 径 向 位移 明显增 加 ， 说 明压力波周期增加可以使输油管径向产生较大的变 第 4 O 卷第 1 O期 王廷 喜 ， 等 ： 压力波作用下输油管道动态特性研究 2 7 形 ， 而波 峰对 径 向变形 影 响较 小 ； 3种 压力 波 作 用 下 径 向位移 随 压 力 波 周 期 的变 化 规 律 相 似 。由 图 7 b 可 以看 出 ， 在 p 和 。作用 下 径 向节 点 速 度 变 化 不 明显 ， 大小近似 ， 因此小幅增加压力波峰值不会改变 径向速度 。由图 7 c可以看 出， 增加压力波峰值使材 料进入塑性 ， 节点加速度反而更小 ， 有利于应力波的 稳定 传播 。 I 量 一 2 0 1 5 0 5 O O O O O 2 004 0 O 6 008 周 期 s a 径 向位移 的变化 周期 s b径向速度的变化 0 O02 0 0 4 0 0 6 O 0 8 周期， s C 径 向加速度 的变化 图 7 输油管横截 面中部 节点位移 速度和 加速度随压力波周期 的变化 计算结果表明， 由于加载时应力波沿输油管轴 向不断传播 ， 所以沿输油管轴 向位移和速度产生了 明显的叠加现象 ， 但轴 向加速度波幅较小 。 4 结论 1 ) 在相同最大压力峰值作用下， 动态压力波 对输油管产生了较大的冲击 ， 动态应力值 比静压下 的应力值 明显增大 。 2 ) 在 移 动 压 力 波 作 用 下 ， 输 油 管 最 大 Mi s e s 等 效应力 出现在 波 前位 置 ， 而后 是 趋 于 稳定 的周 期 性 变化 。 3 ) 压力波周期增加可 以使输油管径向产生更 大的变形 ， 而波峰对径向变形影响较小 。 4 ) 增加压力波峰值使材料部分进入塑性后 ， 节点加速度将减小 ， 应力波趋于稳定。 参 考 文 献 ： 1 李英 ， 陈慧慧 ， 方 志猛 ， 等 环形调压 阀压 力波动原 因 分析及 改进 J 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 ( 7 ) ： 2 9 3 1 2 3 袁英 ， 高强生 ， 魏 纳 气 液混输 管道 管流捕 集器设 计 原 理 及 实 践 J 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 1 0 ， 3 9( 1 0 ) ： 29 32 E 3 宋花平 ， 张娅 ， 孙鹏