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设计计算
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2012 年 9 月 第 31 卷 第 9 期
网络出版时间:2012-7-17 9:52:00 网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1093.TE.20120717.0952.001.html
油气管道的锚固法兰结构设计与有限元分析
赵振兴 赵树炳 朱慧峰 崔成山
中国石油天然气管道工程有限公司,河北廊坊 065000
赵振兴等.油气管道的锚固法兰结构设计与有限元分析. 油气储运,2012,31(9):685-688.
文章编号:1000-8241(2012)09-0685-04
摘要:锚固法兰按照常规计算方法得到的各部位尺寸较为保守,重要部位的结构尺寸往往不合理,局
部应力过大,缺少必要的分析优化过程。以某规格高压、大口径锚固法兰为例,采用理论计算与有限
元分析方法相结合进行设计计算。结果表明:在法兰的圆角处和管颈处有最大的应力强度分布,其
余位置的各应力分量均较小,强度校核满足要求,结构设计合理。因此,锚固法兰设计计算结合有限
元分析方法,可确保设计质量,满足不同工程项目锚固的技术要求。
关键词:油气管道;锚固法兰;结构设计;有限元分析
中图分类号:TE974 文献标识码:A doi:10.6047/j.issn.1000-8241.2012.09.010
锚固法兰是大口径、高压力、长距离油气管道工程
为防止轴向推力对各站场阀室造成破坏而设置的一种
关键装置,多设在管道的入土端和出土端,起到固定管
道、约束管道轴向位移、保护站内地面管道和设备等作
用,在我国的西气东输、西气东输二线等管道工程中均
有大量应用。锚固法兰及其相连工艺管道受力情况十
分复杂,必须对其进行强度校核、抗疲劳与抗脆断等评
定[1]。然而,目前我国尚无完整的锚固法兰设计计算
资料可供参考,结构设计多参考相关法兰标准和已有
锚固法兰尺寸数据等;结构尺寸可调、可变,缺少必要
的有限元分析计算和优化过程;重要部位的结构尺寸
往往不合理,局部应力较大,存在一定的安全隐患。以
某工程高压、大口径锚固法兰设计为例,将理论计算与
有限元分析方法的数值模拟技术相结合,对锚固法兰
进行结构设计与优化。
1 结构设计
1.1 结构形式
锚固法兰应是一种带有凸缘的轴对称环锻件结
构,其凸缘两侧为对称的法兰颈部,两个法兰颈部的端
口分别与管道端口焊接,埋入锚固墩中。采用现有技
术将原本用螺栓连接的两片法兰合并在一起,取消螺
栓和密封垫,制成整体法兰,通过焊接方式与管道联
接,并依靠其凸缘和法兰体与锚固墩固定,从而固定管
道连接,保护站内地面管道和设备,以便确保油气输送
安全(图 1)。
1.2 受力分析
锚固法兰(图 2,因法兰为轴对称结构,图中只画
出 1/2 部分)主要承受内压 p 和总轴向推力F(包括因
管道内压、温差及其他载荷引起的轴向推力)作用。
图 1 锚固法兰外形图
图 2 锚固法兰受力示意图
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设计计算
式中:pw 为混凝土墩单位面积承受的压力,MPa;W 为
计算推力,N;F 为锚固墩承受推力总面积,mm2;f c 为
混凝土抗压强度设计值,MPa。
1.3.2 法兰弯曲应力校核
由于锚固法兰没有螺栓和垫片,因此推力W 相当
于作用在螺栓中心圆的轴向力,法兰力矩公式为:
M 0 =W ·LD
式中:M 0 为法兰力矩,N ·mm;LD 为锚固法兰计算力
臂,mm。
盘面弯曲应力:
式中:σ为弯曲应力,MPa;D i为锚固法兰内径,mm;δ f
为锚固法兰壁厚,mm; 为锚固法兰材料许用应力,
MPa。
锚固法兰端部强度条件应使:
式中:σS2为锚固法兰屈服强度,MPa;σS1为外接管屈服
强度,MPa;δ0为法兰颈部小端有效厚度,mm;δ为接管
壁厚,mm。
2 有限元应力分析
锚固法兰的结构尺寸可调可变,计算并优化后应
满足强度要求且节省材料。强度计算为近似计算,依
据压力容器设计规范计算结果偏于保守,有必要运用
有限元方法进行详细分析计算。
2.1 设计参数
以某规格为 PN 12.0 MPa DN1200 的锚固法兰为
例,根据其设计参数(表 1)进行有限元分析。
1.3 结构设计
根据 GB 50253-2003《输油管道工程设计规范》、
GB 50251-2003《输气管道工程设计规范》、ASME
B31.8-2010《输气和配气管道系统》或 ASME B31.4-
2009《液态烃和其他流体管道输送系统》,计算管道
由内压和温度引起的轴向推力[3-6]。参照 GB l50-
1998《钢制压力容器》或 ASME BPV Code VIII Div.I
Appendix 2 中宽面法兰模式进行力矩和应力计算。参
照 ASME B16.5-2009《管法兰和法兰管件》和 ASME
B16.47-2006《大直径钢制法兰(NPS26-NPS60)》等系
列标准中的法兰尺寸[7-10],结合相关生产实践经验,
设计锚固法兰结构(图 3,L 1 为锚固法兰壁厚,D i、D f、
D o、D a 分别为锚固法兰的内径、外径、坡口端外径、圆
角处外径)。
锚固法兰为整体锻件,材料所用锻件的标准屈服
强度函 σS1 应与所连管道材料标准屈服强度 σS2 一致
或略低,二者的屈强比应不小于 2/3,且具有良好的可
焊性。锚固法兰应能克服结构给施工带来的困难,并
能承受和传递由内压、温差及其他载荷产生的轴向力。
锚固法兰不仅应该使用寿命长、安全可靠,且强度和弯
曲应力校核应满足相关要求。锚固法兰结构尺寸因设
计人员不同,结构尺寸亦不同,能否满足要求,还需要
进行强度计算、校核。
1.3.1 锚固墩耐压强度校核
混凝土墩单位面积承受的压力:
图 3 锚固法兰结构设计图
输送介质设计压力
/MPa总轴向推力
/(104 N)管颈端壁厚
/mm法兰有效厚度
/mm法兰长度
/mm材料弹性模量
/MPa
天然气 1) 12.0 450 37.3 80 380 2.0×105
设计系数 2) 泊松比
管道直径/mm 材质
屈服强度/MPa
抗拉强度/MPa
温度/℃
外径 内径 锻件 外接管 锻件 外接管 混凝土 锻件 设计 安装
0.5 0.3 1 240.8 1 166.2 07MoCrMoVR X80 415 555 14.3 550 -10~60 20~25
表 1 PN 12.0 MPa DN1200 锚固法兰设计参数
1)H2S 摩尔质量分数小于 0.002%;2)用于三级地区。
,pw<f c
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2.2 有限元模型
定义单元类型为 SOLID45,由于模型轴对称,故
取其四分之一进行网格划分。为提高计算结果的精确
性,在应力较大处,对网格进行适当细化。假设混凝土
有效浇灌法兰止推环全部表面,锚固法兰的轴向推力
均匀作用在法兰管颈端的一侧,并沿圆周均匀分布,
法兰内压 12 MPa 沿圆周内侧表面均匀分布,由此建
立锚固法兰有限元模型(图 4,其中绿色 1 和粉色 2 表
示约束、红色 3 表示气体压力、蓝色 4 表示轴向推力)。
在端面 1、2 施加轴向约束,在法兰内表面 3 施加内压
12 MPa,在端面 4 施加轴向推力 450×104 N。设定轴
向应力沿x 轴,环向应力沿 y 轴,切向应力沿 z 轴。
2.3 结果分析
根据有限元应力分析结果(图 5),可知锚固法
兰的最大轴向应力为 113.545 MPa,分布在法兰管颈 图 4 锚固法兰有限元模型
图 5 锚固法兰有限元应力分析图
(a)等效应力 (b)轴向应力
(c)环向应力 (d)切向应力
应力点应力 /MPa
等效 轴向 环向 切向
A 0 -71.9 -75.20 -38.4B 65.6 31.1 -11.7 -2.4C 78.7 51.7 0.93 4.8D 104.9 92.7 26.30 19.2E 118.0 113.5 39.00 26.4
表 1 锚固法兰截面 1 各点应力值
处;最大复合应力、最大拉应力、最大环向应力分别为
118.033 MPa、-71.927 MPa、-75.230 MPa,均分布在法
兰圆角处;最大剪应力为-38.366 MPa,分布在法兰圆
角处和背对圆角处;法兰承受推力的端面上,分布有最
大压应力 39 MPa。
为确保锚固法兰设计安全可靠,分别取法兰截面
1 的管颈处 A、圆角处 B、法兰盘中心 C 和对称面管颈
处 D 和圆角处 E 共 5 个危险点应力值(表 1)。连接各
危险点路径值,可得沿各路径各危险点的应力及应力
分量(图 6),法兰危险截面的等效应力及各应力分量
均小于两端危险点应力-113.25 MPa 和 186.75 MPa。
赵振兴等:油气管道的锚固法兰结构设计与有限元分析
Zhao Zhenxing,et al:Structural design and finite element analysis of anchoring flange for oil and gas pipelines
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兰的结构尺寸进行优化,以节省锻件材料费用,减少工
程项目投资。
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[10] American Society of Mechanical Engineers. ASME B16.47-2006
Large diameter steel flanges[S]. 2006
(收稿日期:2011-09-02;编辑:熊寅铭)
作者简介:赵振兴,工程师,1980 年生,2007 年硕士毕业于吉林大
学机械电子工程专业,现主要从事压力容器和压力管道附件的设计
工作。
电话:0316-2072461;Email:[email protected]
根据输入法兰推力和内压等约束条件,利用有限
元计算分析结果,生成锚固法兰位移(图 7),法兰最
大变形发生在法兰颈部,为-0.119 473 mm,小于文献
[4] 中规定的最大变形量 0.03 D=37.224 mm,故位移
满足要求。
根据以上有限元分析结果,在法兰的圆角处和管
颈处分布有最大的应力强度,其余位置的各应力分量
均较小,主要分量应力值与复合应力值均小于材料
最小允许屈服应力(415×0.5=207.5 MPa)的 0.9 倍
(207.5×0.9=186.75 MPa),满足文献 [4]的有关规定。
另外,法兰对管道的轴向约束效果显著。
综上所述,通过锚固法兰结构设计和强度计算,结
合有限元分析计算和优化,能够确保设计质量,满足规
范和工程要求。今后的研发工作,应进一步对锚固法
图 6 法兰截面 1 上的等效应力及应力分量
图 7 锚固法兰位移图