成品油长输管道在线更换封堵装置的有限元分析*

程珊珊，朱育权

(西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)



成品油长输管道在线更换封堵装置的有限元分析*

程珊珊，朱育权

(西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)

摘要：为了实现成品油长输管道在线封堵更换，降低更换作业成本,文中基于专用的封堵囊送进机构,利用封堵囊体充气膨胀与管道接触产生的摩擦力平衡管道内残存介质压力，提出了一种在线更换封堵装置.通过弹簧的移位和复位实现了自行泄压.结果表明:该封堵装置可抗拒气候变化、地势地形变化等因素引起的管道介质压力波动，承受压力范围为0～0.5 MPa较传统封堵工艺，该装置在修复的管道上不留机械切口,修复缺陷减少，作业成本降低.

关键词：成品油；长输管道；封堵囊；摩擦力

管道运输是成品油较为经济合理的运输方法.随着管道使用时间的不断增长，就会经常发生老化泄漏等情况，这就需要利用封堵装置对管道损坏部分进行封堵更换[1-2].国外对管道在线封堵更换技术的研究较早，其技术已经非常成熟.虽然国内管道封堵抢修技术研究起步较晚，但是经过多年的探索取得了一定进展.文献[3-5]采用挡板囊式封堵，是将法兰、挡板及送取囊装置安装于破损管段两侧，将一个刚性挡板安装在气囊的下游,挡板主要用于平衡管压对气囊的推力，而气囊则用于防止管内液体泄露;文献[6]的双级式封堵器对于悬挂式封堵器做了改进，可实现9.186 MPa的成功封堵;文献[7]提出了一种球状双封封堵器,主要利用球体内液压缸压缩，胶筒密封实现对管道的主动封堵,胶筒的最大封堵能力可达 13.93 MPa.这几种封堵方式需开置入孔，封堵结束后管道壁上留有法兰，使管道的强度受到影响;文献[8]给出了管道内高压智能封堵系统的构造及工作原理,指出智能封堵器的结构设计,封堵压力、密封性能、微型液压系统设计和液压系统工作过程的建模分析等是研发管内高压智能堵塞的关键所在，阐述了我国当前加速研发管内高压智能封堵系统的迫切性.

本文基于专用的封堵囊送入机构，进行在线封堵更换用封堵装置设计，以期可抗拒天候变化、地势地形变化等因素引起的管道介质压力波动，实现自行泄压，降低管道修复作业成本.

1管道在线封堵更换原理

管道在线封堵更换的工作流程如图1所示.关闭管道输油阀门，并完成带压打孔[9-12].封堵装置由专用的送入机构送进，通过气管对封堵囊充入高压气体从而使囊体径向膨胀接触管道,继续提高气体压力，促使内外接头脱离，并随之撤出.在依靠封堵装置实现成功封堵后，便可按照预先设计的尺寸，在截取位置处用机械切割的手段将严重腐蚀的需更换的管段，连同封堵三通、夹板阀等元件一起截取，更换上新管道.焊接完成后即可实现管道壁无机械切口、坑道等破损点，有效预防管道冲蚀、应力腐蚀等其他封堵工艺无法避免的二次腐蚀.待更换结束，开启管道输油阀门，在油压作用下，囊内气体释放，当囊内气压和油压持平，活塞复位关闭泄气通道,囊内气体泄漏，实现自行泄压.封堵囊内仍有部分气压，保持一定的形状随液体流至下一取出口取出.

封堵装置的结构如图2所示,主要由囊体、护板、夹板、活塞和弹簧等零部件组成.其中夹板与护板通过开槽沉头螺钉连接，利用活塞的移位和复位实现封堵囊的充气和泄气.囊体是封堵最关键的部件，选用耐油、耐磨性和良好化学稳定性的丁腈橡胶[13].

开始封堵时，把充气管线与内接头中心孔相连，充入带压气体，使得活塞7向左移动，带压气体通过活塞7和护板17之间的间隙充入囊体中，继续提高充气压力，活塞接着向左移动直到和护板右壁接触，关闭进气通道，此刻囊体内压达到0.55 MPa.径向膨胀封堵管道，轴向膨胀至一定长度与管壁接触产生的摩擦力为136.629 kN来平衡管道内残余介质压力，如图3所示.

图1　封堵系统示意图Fig.1　Diagram of plugging system

1,7—活塞；2，8—弹簧；3，9，13—螺钉； 4—夹板；5,17—护板；6—囊体；10—内接头； 11—小弹簧；12—连杆；14—连接板； 15—外接头；16—楔块图2　封堵装置示意图Fig.2　Diagram of plugging device

图3　囊体充气完成示意图Fig.3　Diagram of inflated plugging capsule

此时，楔块16在气体压力作用下向上移动，克服小弹簧11的作用力直到退出内接头，内外接头相互脱离，外接头随送入机构退出管道.随着内外接头的脱离，在活塞上的作用力消失，在弹簧的弹簧力下复位，保证封堵囊内部压力不变.

泄压解封时，活塞1在液体压力下向右移动，此时囊内气体在活塞1和护板5之间缝释放.囊内气压与管道液体压力平衡后促使活塞复位.此时囊内气体减少，径向尺寸变小，不再进行封堵，完成了自动泄压[14].

2囊体有限元模型的建立

在整个封堵装置在线封堵更换的过程中，囊体是实现封堵的关键零部件，因此对囊体进行有限元分析.橡胶材料是各向同性，属于超弹性体，而且其体积近似不可压缩.

2.1本构模型的建立

Mooney-Rivlin模型基本上能够模拟全部橡胶类力学行为,其应变能密度函数模型为

(1)式中：W为应变能密度函数;N,Cij和dk为材料常数,I1，I2和I3为变形张量不变量.

其二项三阶展开式为

(2)

式中：C10,C01和d为材料常数;J为变形张量不变量.对于不可压缩材料,J=1.

橡胶材料的主应力与主伸长比之间的关系为

(3)

式中：t1,t2和t3为主应力;λ1,λ2和λ3为主伸长比.

对单轴拉伸试验简化，t3=t2=0,有

(4)

(5)

(6)

结合式(4)～(6)，有

(7)

2.2有限元模型的建立

囊体材料的弹性模量为6.106 MPa,泊松比为0.499,采用Mooney-Rivlin模型.管道材料的弹性模量为2.09×105MPa,泊松比为0.269.在软件ANSYS Workbench中单元类型是程序自动判断并选择的,管道及囊体选用PLANE183单元、刚性体接触面为CONTA172单元、柔性体目标面为TARGE169单元及SURF153表面效应单元建立有限元模型.囊体在管道中的网格划分如图4所示.

图4　囊体三维模型Fig.4　3D model of plugging capsule

3结果与分析

根据囊体的几何形状，简化认为囊体在管道内的变形是二维平面内的平面应变问题.囊体在初始状态下认为是一个圆柱体，由其对称性对它的二分之一进行分析.由于囊体材料为橡胶，变形是非线性的，忽略囊体变形中由于内部空气压缩引起的压力变化，认为对囊体施加恒定压力0.55 MPa.图5(a)～(b)分别为囊体在充气完成后及顶面受到0.5 MPa压力下的变形云图.

由图5可知，囊体的最大单侧变形位移为493.26 mm，囊内气压从0 MPa增加到0.55 MPa，囊体从760 mm增长到1 746 mm,与管壁产生的摩擦力为142.324 kN，大于管道内残余介质压力136.629 kN,可知囊体可以实现压力不超过0.5 MPa的封堵.

图6(a)～(b)分别为囊体在充气完成后及顶面受到0.5 MPa压力下的应力云图.由图6可知,在囊体完成充气后应力主要集中在囊体两端,而囊体中间段应力相对较小.顶面受到0.5 MPa压力后，顶面逐渐恢复到变形前的形状，应力集中现象消失，而底面仍然存在应力集中现象，但不影响整个封堵过程.因此，囊体可以实现0～0.5 MPa内介质压力波动的封堵.

图5　囊体总变形云图(m)Fig.5　Total deformation of plugging capsule (m)

图6 囊体等效应力云图(Pa)Fig.6　Equivalent(Von-Mises) stress of plugging capsule (Pa)

4结 论

1) 该管道封堵装置利用封堵囊的充气膨胀与管壁产生的摩擦力实现了对管道介质残余压力不超过0.5 MPa的封堵，可抗拒天候变化、地势地形变化等因素引起的管道介质压力波动.

2) 该管道封堵装置实现了自行泄压，且开孔少，降低了作业成本，且在修复的管道上不留机械切口.该装置只能暂时封堵已泄压管段，封堵压力相对其他封堵装置较小，需在此基础上进一步就带压封堵方法进行改进.

参 考 文 献：

[1]马明,赵弘,苏鑫,等.油气管道封堵抢修技术发展现状与展望[J].石油机械,2014,42(6):109.

MA Ming,ZHAO Hong,SU Xin,et al.Gas Pipeline Plugging Repair Technology Development Status and Prospect[J].Peroleum Machinery,2014,42(6):109.(in Chinese)

[2]江龙强.管道封堵抢修技术现状及发展[J].内蒙古石油化工,2011，37(2):100.

JIANG Longqiang.Pipe Sealing Repair Technology Status and Development[J].Inner Mongolia Petrochemical Industry,2011，37(2):100.(in Chinese)

[3]刘希坤,陈祥益.DN型管道封堵器的研制[J].石油施工技术,1985(2):20.

LIU Xikun,CHEN Xiangyi.Development Pipeline Occluder DN Type[J].Petroleum Construction Technology Oil,1985(2):20.(in Chinese)

[4]刘希坤.DN管道封堵器首次在现场应用[J].石油施工技术,1982(2):25.

LIU Xikun.DN Pipeline Closure Device for the First Time in Field Applications[J].Construction Technology Oil,1982(2):25.(in Chinese)

[5]刘希坤,韩正姬.DN3型两用管道封堵器[J].石油工程建设,1987(2):42.

LIU Xikun,HAN Zhengji.DN3 Type Dual Duct Occluder [J].Petroleum Engineering Construction,1987(2):42.(in Chinese)

[6]张行,张仕民,王文明,等.324 mm管道双级封堵器结构设计与分析[J].油气储运,2013,32(11):1227.

ZHANG Hang,ZHANG Shimin,WANG Wenming,et al.Design and Analysis of the Structure of 324 mm Two-stage Pipeline Plugging Device[J].Oil & Gas Storage and Transportation,2013,32(11):1227.

(in Chinese)

[7]张行,张仕民,张策,等.1 016 mm管道球状双封封堵器的结构设计及封堵能力[J].油气储运,2014,33(11):1108.

ZHANG Hang,ZHANG Shimin,ZHANG Ce,et al.Structural Design and Plugging Capacity of Globular Double-plugging Plug in 1 016 mm Pipeline[J].Oil & Gas Storage and Transportation,2014,33(11):1108.(in Chinese)

[8]张仕民,李彦民,马永明,等.管内高压智能封堵技术[J].油气储运,2009,28(6):59.

ZHANG Shimin,LI Yanmin,MA Yongming,et al.Tube High Pressure Intelligent Plugging Technology[J].Oil & Gas Storage and Transportation,2009,28(6):59.(in Chinese)

[9]周卫军,郭瑞,张勇,等.不停输带压开孔封堵技术的应用[J].管道技术与设备,2009(6):35.

ZHOU Weijun,GUO Rui,ZHANG Yong,et al.Application of Holing and Sealing Technology on Nonstop Transportation Pipeline with Pressure[J].Pipeline Technology and Equipment,2009(6):35.(in Chinese)

[10]孙昶,刘海波,朱为民.管道不停产带压开孔封堵三合一设备[J].管件与设备,1998(5):19.

SUN Chang,LIU Haibo,ZHU Weimin.Pipeline not Stop with Pressure Plugging Opening Triple Device[J].Fittings and Equipment,1998(5):19.

(in Chinese)

[11]单立军.带压开孔常见问题探讨[J].区域供热,2013(5):93.

SHAN Lijun.Common Problems of Boring under Pressure[J].District Heating,2013(5):93.(in Chinese)

[12]陈继胜.管道不停输带压开孔、封堵工法(YJGF36-96)[J].施工技术,1998(3):36.

CHEN Jisheng.Construction Method (YJGF36-96) of Boring and Plugging on Pipeline under Pressure Without Stopping Transportation[J].Construction Technology,1998(3):36.(in Chinese)

[13]郑锡侯,海鸥,杨子江,等.橡胶密封材料及技术简介[J].天津化工,1994(2):17.

ZHENG Xihou,HAI Ou,YANG Zijiang,et al.Introduction to Rubber Sealing Materials and Technology[J].Tianjin Chemical Industry,1994(2):17.

(in Chinese)

[14]刘忠,赵宏林,房晓明,等.一种新型的管道封堵器[J].石油机械,2006,34(1):49.

LIU Zhong,ZHAO Honglin,FANG Xiaoming,et al.A New Pipeline Occluder[J].Oil Machinery,2006,34(1):49.(in Chinese)

[15]黄建龙,谢广娟,刘正伟.基于Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的超弹性橡胶材料有限元分析[J].橡胶工业,2008,55(8):467.

HUANG Jianlong,XIE Guangjuan,LIU Zhengwei.FEA of Hyperelastic Rubber Material Based on Mooney-rivlin Model and Yeoh Model[J].China Rubber Industry,2008,55(8):467.(in Chinese)

(责任编辑、校对潘秋岑)

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.06.004

*收稿日期：2015-10-18

作者简介：程珊珊(1992-)，女，西安工业大学硕士研究生. 通讯作者：朱育权(1962-)，男，西安工业大学教授,主要研究方向为精密机械设计及理论、机械强度分析及现代设计方法.E-mail：2583971099@qq.com.

文献标志码:中图号：TE97A

文章编号：1673-9965(2016)06-0451-05

Finite Element Analysis of Online Replacement of Plugging Capsule for Long Distance Pipeline of Refined Oil

CHENGShanshan，ZHUYuquan

(School of Mechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

Abstract:In order to achieve the on line replacement of plugging capsule for long distance transportation pipeline of refined oil,and reduce the costs of repair operation,a kind of device is put forward.A dedicated pipeline feed mechanism is used,and the residual medium pressure is balanced by the friction force generated by the contacting of the expanded capsule body and the pipe wall.The device is self-relieved by the shifting and resetting of the spring.The results show:The device is able to resist pipeline medium pressure fluctuations caused by changes of weather and pipeline medium pressure fluctuations for terrain topography or other factors.The bearable pressure range is 0～0.5 MPa.Compared with traditional sealing process,this device leaves no mechanical incision on the pipe wall after the replacement ,reduces the repair defects and lows the costs of operation.

Key words:refined oil;long distance transportation pipeline;plugging capsule;force of friction