基于ANSYS的某一高压调压站管线应力分析*

李世龙 姜 亢 白永强

1 首都经济贸易大学 2 北京市劳动保护科学技术研究所

北京冬季，调压站地上管线上移，距离有的多达十厘米，导致燃气管线变形严重，加上调压站管线内压强大，一旦管线变形失效破裂，极易引发爆炸事故。因此对高压调压站管线进行力学分析，对发现调压站的安全隐患，维护调压站的安全运营具有重要作用。

国内学者对调压站管线的力学分析研究较少，尤其是对管线受冻胀位移载荷影响下上移的研究就更少。本文主要运用ANSYS软件根据某一高压调压站管线进行建模，模拟管线受力环境，施加位移载荷，计算管线在上移情况下，各部位的受力状况，找出管线上应力集中区域和最大应力点，为调压站的安全管理工作提供技术依据。

1 高压调压站管线特点

一是与居民生活和工业生产关系密切。北京的天然气用量很大，每个郊区县基本都配有高压调压站。

二是管道压力大。调压站管线内压一般都是几十个大气压，一旦管线破裂发生泄漏，燃气将迅速充满有限空间，极易引发爆炸事故。

三是管线季节性上移。调压站将高压燃气降成低压燃气，降压后，燃气温度降低，造成管道周围水分结冰体积膨胀抬升管道，管线上移。

2 管线模型简化

由于管线上调压阀、变径管段等处简化成通径管后，在位移端受力情况下，对两端弯头处应力值影响不大（两端弯头处为应力集中区域和最大应力点位置），且调压阀、变径管段建图复杂，因此将管线上部简化为通径管段。简化模型，如图1。

图1 管线简化图

管线模型简化后成为简支梁结构，低压端端固定，高压端端受向上位移载荷，等同于抬升管线50～70mm的推力。由于管线采用的是A20号钢，钢的弹性模量E=2.06GPa，管线每抬升10mm，外界都要施加很大的推力。所以当管线处于抬升50～70mm 时，冻胀对管线的推力已经非常巨大，在管线上形成了很大的轴向应力、切应力和扭矩。而钢管能够承受的应力是有限的，不能无限施加，当施加的应力超过了钢管的许用极限应力，那么钢管就会失效断裂，造成天然气泄漏。

3 ANSYS建模分析

有限元分析可以有效的解决结构分析问题。在进行调压站燃气管道力学分析时，完全可以利用ANSYS有限元软件建立起管线完善的有限元模型，分析管道受力状况，找出管线的安全隐患位置。

（1）选择单元类型，材料属性，建立有限元模型，具体参数，见下表。

表 单元材料属性

管线模型的直径为400mm，壁厚为10mm，跨度为6m。

（2）划分网格和施加约束和载荷。采用meshtool进行网格划分，网格大小设定为0.02，采用四面体进行自由网格划分。

管道高压端底部截面施加全约束（A l l DOF），低压端底部施加Z方向位移载荷60mm。另外管线内部有2.5MPa的内压，所以在管线内部施加2.5MPa的面力。施加载荷和约束情况，如图2。

（3）计算结果应力分析。应力云图，如图3。

图2 模型载荷图

图3 模型等效应力云图

通过观察等效云图，可以发现，管线上最大受力点出现在管线固定端（高压端）弯头的内侧内表面，由于高压端管壁为常温，20号钢钢材的最大许用应力为204MPa。对比上面表格中的最大应力值，可以发现，管线的最大应力为197MPa，已接近许用应力，这时管线已经临近危险状态，有必要采取应对措施。

模型的应力集中区域均出现在两个弯头的内侧部位和左右两边部位。高压端应力集中部位出现在弯头的内侧，内、外表面均出现应力集中现象，且最大应力点出现在其内表面；低压端的应力集中部位发生在弯头的左右两侧，且低压端温度较低，许用应力较大，此集中部位的应力值小于最大许用应力，低压端内外两侧应力值比较小，所以低压端弯头对管线的安全运营无影响。

4 结论

根据某一高压调压站管线实体的模拟分析，得出以下结论：管线在受冻胀位移载荷影响下上移时，管线所受应力分布不均，管线在位移载荷影响下，应力集中区域主要分布在管道两端弯头处，固定端与地面接触部分的外侧也为应力集中区域，应力最大点即脆弱点在固定端弯头的内侧，也有可能分布在固定端与地面接触部分的外侧，应当对这两个区域加强预警监测。

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