有限元法在管道挤压变形分析中的应用

尚 凯 王世炜 孟贤勇 马希钦

（1、91133 部队 2、78479 部队 3.重庆大学）

1 绪论

管道输送是目前油品输送的主要方式，也是最经济、高效、安全的一种方式，我国输油管道经过50 多年的发展，截止2007年为止，我国也建成输油管道2.9 万km，其中原油管道1.7 万km，成品油管道1.2 万km[1]，且每年都在以一定速度增加，输油管道如果由于腐蚀、施工破坏、自然灾害等可能发生泄漏或断裂。

为了解决管道断裂处存在大落差或者处于大坡段这一难题，设想在输油管道发生断裂或大面积破裂时，在靠近断裂或破裂的地方，使用一种特殊的管夹快速地将输油管道压扁，作为一种临时措施，能够尽量减少或止住油品的外泄，然后将管道里面的油品回收，再进行换管等抢维修作业。夹压装置的设计，需要对管道进行挤压实验取得相关数据，由于大口径管道挤压实验中存在的不可预知因素比较多，并且多次实验的成本也比较高。随着有限元数值分析方法的发展，可以利用有限元分析方法来模拟管道挤压变形，获得需要的数据，并和实验数据进行分析比较，以指导夹压截流装置的设计和生产。

2 管道挤压试验

2.1 试样

试样为406×8×3200mm的 X60 管线钢管，管道为直焊缝管，外裹有防腐层。

2.2 实验方法

实验在1000 吨万能挤压试验机上进行，按要求将特定的上下压头安装好后，将钢管吊装放入压头之间，调节钢管焊缝线与水平面成一很小角度，钢管两端用支墩支撑，然后将上压头调节下移至接触钢管，随后加载挤压直到钢管完全被压扁。

2.3 实验现象及结果

在钢管的挤压过程中，在加载载荷较小阶段，钢管在挤压处发生缓慢而微小的形变，随着载荷的增加，挤压处变形量越来越大，钢管的两端也发生一定程度的椭圆化，随着挤压变形量的增大，钢管两端的椭圆化也越来越大。在挤压的最后阶段，钢管挤压截面内部的中间部位首先接触，随后两边逐渐被压扁。压扁后继续加载，此时随着载荷的增加位移形变量很小，压扁卸载后，钢管压扁处出现一定量的回弹。

3 有限元分析

管道在挤压变形过程中，局部存在大变形，不仅只存在线性变形关系，还有非线性变形关系。变形进入塑性后，线弹性的关系理论就不再适用，这时需要采用非线性的理论关系，平衡方程也必须建立于变形后的状态以考虑变形对平衡的影响[2]。

3.1 基本过程

有限元分析的过程可分为以下3个阶段：前处理，包括材料性质参数、几何形状定义、单元网格划分及加边界和载荷条件等；分析计算；后处理，即分析处理计算得到的数据。

3.2 分析建模过程

钢管受挤压实际过程简化成合适的有限元软件模拟的力学模型是有限元模拟的关键所在，虽然在简化的过程中要求实际过程与模型的力学特性一致，但为了使模型达到既便于分析又可得到想要的精确值，可以重点突出所关心的部分，淡化或者忽略所不关心的部分。对于管道挤压情况，重点关心的是管道加载挤压的塑性变形过程和压扁后的变形情况，由于钢管的壁厚远远小于管径，在建模时使用壳单元；而压头的变化情况则可以不去考虑，在建模时将压头设定为刚体。在对管道进行网格划分时，将变形较大的中间部分区域采用四边形网格划分得很细，而变形较小的端头附近划分得相对比较粗略一些，同样也采用四边形网格划分，而在两种粗细不同的网格中间，使用三角形网格连接过渡，如图1 所示。

3.3 结论分析

通过前面对管道受挤压的有限元的分析，模拟计算了406×8×3200mm 的管道受挤压变形情况，从模拟的结果来看，离压头越近的区域，变形越大，应力也越大；离压头越远的区域，变形也越小，应力值也相对较小。钢管挤压过程的应力云图如图2 所示，从图中可以看出，在压扁过程中，应力集中在被压扁的位置。对于管道的挤压，有限元模拟和实验得到位移载荷曲线图3 所示，模拟得到的曲线和实验曲线比较吻合，在一个合理的误差范围之内。

4 结语

通过管道挤压实验和有限元模拟结果的分析比较，模拟和实验得到的位移载荷曲线非常吻合，变形和压扁过程也非常近似，说明建立的模型是正确的，可以将此模型推广到到其他不同管径管线的挤压模拟，以得到夹压截流装置设计和生产需要的数据。

[1]中国油气管道分析发展报告.

[2]王勖成，劭敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社,1997.