一種基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法
2023-10-06 01:41:14 1
一種基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，包括以下步驟：S1：建立閥體、管道及連接件的三維幾何模型；S2：對三維幾何模型進行有限元網格劃分建立有限元網格模型；S3：在有限元網格模型上建立極限外載荷有限元計算模型；S4：通過極限外載荷有限元計算模型計算得到極限外載荷；S5：在有限元網格模型上建立多種極限外載荷和最大工作壓力同時作用下的聯合外載荷有限元計算模型；S6：通過聯合外載荷有限元計算模型計算管線閥門的應力分布並根據應力分布確定管線閥門的安全性能。使用本發明的方法，可以在樣機生產前就考慮外載荷對管線閥門的影響，並且能判斷閥門的強度性能是否滿足設計要求，預測潛在的風險，縮短產品開發周期。
【專利說明】一種基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，屬於閥門設計計 算及結構安全性能預測領域。
【背景技術】
[0002] 管線閥門主要是指安裝在輸送原油、天然氣等介質且用於遠距離供給管道上的閥 門。這些閥門及管道常安裝或鋪設在野外，使用環境極其惡劣，往往會遭受地面沉降、泥石 流、洪水等自然災害以及溫度的極端變化。因此，對於安裝在管線上的閥門除了承壓內部介 質產生的壓力及它機械載荷之外，還承受外部連接管道由於管道自重、安裝誤差、管系反力 引起的接管載荷，以及由於上述自然災害和溫度效應引起的附加外載荷（主要是外來力矩 載荷和軸向拉壓載荷），接管載荷及這些附加外載荷統稱為閥門外載荷。
[0003] 閥門外載荷對於閥門技術性能的影響是極其關鍵的。這些外載荷對閥門的影響主 要在接管與閥體連接處附近的局部區域，常會產生較高的局部應力，再疊加上由於介質壓 力載荷在這些局部區域產生另外一些局部應力，使得此區域的總應力非常大。所以閥門外 載荷和介質壓力載荷的聯合作用將會使管道和閥體連接區域成為閥門發生破壞的主要根 源。
[0004] 由於閥門設計方法和規範的局限性，目前管線閥門的閥體在設計計算時只能考慮 設計內壓的影響，而會引起高應力的外載荷根本無法考慮，這就使得所設計的閥門往往不 合理和質量難以保證。
[0005] 為了確保產品的可靠性，國外公司提出了一種管線閥門的抗外載荷試驗方法。但 這種方法存在暫無可操作的標準規程、應力數據的難以獲取以及數據結果的如何評價等問 題。而且由於建立試驗平臺投入大，進行試驗的成本高，在現實中往往難以實施。更重要的 是，這種試驗方法需要研製樣機後才能進行，無法在設計階段即對閥門的設計合理性和質 量可靠性進行評價。
[0006] 目前對於如何在概念設計階段進行計算或獲取閥門到底能夠承受最大的外載荷 數據（即極限外載荷），以及如何評價閥體在這些外載荷作用下的結構安全性，還沒有合適 的方法可供使用。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在於解決現有技術中沒有合適的管線閥門安全評估方法來對設計 階段中的管線閥門的設計合理性和質量可靠性進行評價的問題，從而提供一種能夠在設計 階段就對管線閥門的設計合理性和質量可靠性進行評價的基於極限外載荷計算的管線閥 門安全評估方法。
[0008] 為實現上述發明目的，本發明提供一種基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估 方法，包括以下步驟：
[0009] Sl :建立閥體、管道及連接件的三維幾何模型；
[0010] S2 :對三維幾何模型進行有限元網格劃分建立有限元網格模型；
[0011] S3 :在有限元網格模型上建立極限外載荷有限元計算模型；
[0012] S4 :通過極限外載荷有限元計算模型計算得到極限外載荷；
[0013] S5:在有限元網格模型上建立多種極限外載荷和最大工作壓力同時作用下的聯合 外載荷有限元計算模型；
[0014] S6:通過聯合外載荷有限元計算模型計算管線閥門的應力分布並根據應力分布確 定管線閥門的安全性能。
[0015] 本發明的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，所述Sl步驟中，利用三 維幾何建模軟體對閥體、管道及連接件建立1/2三維幾何模型，所述模型中所述管道的長 度大於管道直徑的2倍以上。本發明中，連接件可以為焊接袖管或連接法蘭等。
[0016] 本發明的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，所述S2步驟中，建立有 限元網格模型的方法為：對所述三維幾何模型進行網格劃分，並設置閥體、管道及連接件之 間接觸面的綁定關係來建立閥體、管道及連接件間的載荷傳遞完成建立有限元網格模型。
[0017] 本發明的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，所述S3步驟中，建立極 限外載荷有限元計算模型的方法為：在所述有限元網格模型中設置閥體、管道及連接件的 材料屬性以及對稱邊界、位移邊界條件和載荷邊界條件完成建立極限外載荷有限元計算模 型；所述外載荷包括彎曲力矩、扭轉力矩和軸向載荷。
[0018] 本發明的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，所述載荷邊界條件為：
[0019] 計算極限彎曲力矩時，載荷邊界條件為作用在管道兩端的彎曲力矩與施加在管道 和閥門內腔上的最大工作壓力；
[0020] 計算極限扭轉力矩時，載荷邊界條件為作用在管道兩端的扭轉力矩與施加在管道 和閥門內腔上的最大工作壓力；
[0021] 計算極限軸向載荷時，載荷邊界條件為作用在管道兩端的軸向載荷與施加在管道 和閥門內腔上的最大工作壓力。
[0022] 本發明的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，所述S3步驟中，所述材 料屬性包括彈性模量、泊松比；所述位移邊界條件為將閥門支撐部位定義為全約束，並在所 述S3步驟中定義對稱邊界。
[0023] 本發明的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，所述S4步驟中，所述極 限外載荷值Mkr的計算包括以下步驟：
[0024] Al :預設外載荷值M為初始值M始；
[0025] A2 :通過有限元模型計算所述外載荷值M時的管線閥門的最大應力值，並對 該最大應力值〇 _是否會對管線閥門產生破壞進行判定，得到判定結果；
[0026] A3 :根據微調外載荷值後重新計算其對應的管線閥門的最大應力值〇 _並針對 該最大應力值〇 _是否會對管線閥門產生破壞進行判定，得到判定結果；將本次得到的判 定結果與上次得到的判定結果進行比較，如果相同則循環本步驟；如果不同，則進入下一 I K
【權利要求】
1. 一種基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，其特徵在於，包括以下步驟： 51 :建立閥體、管道及連接件的三維幾何模型； 52 :對三維幾何模型進行有限元網格劃分建立有限元網格模型； 53 :在有限元網格模型上建立極限外載荷有限元計算模型； 54 :通過極限外載荷有限元計算模型計算得到極限外載荷； 55 :在有限元網格模型上建立多種極限外載荷和最大工作壓力同時作用下的聯合外載 荷有限元計算模型； 56 :通過聯合外載荷有限元計算模型計算管線閥門的應力分布並根據應力分布確定管 線閥門的安全性能。
2. 如權利要求1所述的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，其特徵在於， 所述Sl步驟中，利用三維幾何建模軟體對閥體、管道及連接件建立1/2三維幾何模型，所述 模型中所述管道的長度大於管道直徑的2倍以上。
3. 如權利要求1或2所述的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，其特徵在 於，所述S2步驟中，建立有限元網格模型的方法為：對所述三維幾何模型進行網格劃分，並 設置閥體、管道及連接件之間接觸面的綁定關係來建立閥體、管道及連接件間的載荷傳遞 完成建立有限元網格模型。
4. 如權利要求1-3任一所述的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，其特徵 在於，所述S3步驟中，建立極限外載荷有限元計算模型的方法為：在所述有限元網格模型 中設置閥體、管道及連接件的材料屬性以及對稱邊界、位移邊界條件和載荷邊界條件完成 建立極限外載荷有限元計算模型；所述外載荷包括彎曲力矩、扭轉力矩和軸向載荷。
5. 如權利要求4所述的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，其特徵在於， 所述載荷邊界條件為： 計算極限彎曲力矩時，載荷邊界條件為作用在管道兩端的彎曲力矩與施加在管道和閥 門內腔上的最大工作壓力； 計算極限扭轉力矩時，載荷邊界條件為作用在管道兩端的扭轉力矩與施加在管道和閥 門內腔上的最大工作壓力； 計算極限軸向載荷時，載荷邊界條件為作用在管道兩端的軸向載荷與施加在管道和閥 門內腔上的最大工作壓力。
6. 如權利要求4或5所述的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，其特徵在 於，所述S3步驟中，所述材料屬性包括彈性模量、泊松比；所述位移邊界條件為將閥門支撐 部位定義為全約束，並在所述S3步驟中定義對稱邊界。
7. 如權利要求1-6任一所述的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，其特徵 在於，所述S4步驟中，所述極限外載荷值M kr的計算包括以下步驟： Al :預設外載荷值M為初始值M# ; A2 :通過有限元模型計算所述外載荷值M時的管線閥門的最大應力值〇 _，並對該最 大應力值σ _是否會對管線閥門產生破壞進行判定，得到判定結果； A3 :根據微調外載荷值後重新計算其對應的管線閥門的最大應力值σ_並針對該最 大應力值σ_是否會對管線閥門產生破壞進行判定，得到判定結果；將本次得到的判定結 果與上次得到的判定結果進行比較，如果相同則循環本步驟；如果不同，則進入下一步； A4 :使用公式
_，重新計算外載荷值，其中Mm與Mn為判定結果不同且數值 最接近的兩個外載荷值；重新計算M"對應的管線閥門的最大應力值〇 _並針對該最大應 力值σ _是否會對管線閥門產生破壞進行判定，得到判定結果； Α5 :若
其中Mx為與外載荷值Μ"計算的判定結果不同 的最接近的外載荷值，則認為極限載荷值
\計算結束；
，則重複Α4。
8. 如權利要求7所述的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，其特徵在於， 在所述A3步驟中所述管線閥門產生破壞進行判定的方法為 ： 外載荷為彎曲力矩時，當最大應力值超過1倍的材料屈服強度〇y，即認為所述管 線閥門出現破壞，此時〇 P艮=Oy; 外載荷為扭轉力矩時，當最大應力值σ _超過1倍的材料屈服強度〇 y，即認為所述管 線閥門出現破壞，此時〇 P艮=Oy; 外載荷為軸向載荷時，當最大應力值超過0.5倍的材料屈服強度〇y，即認為所述 管線閥門出現破壞，此時σ P艮=0.5 〇y。
9. 如權利要求7或8所述的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，其特徵在 於，在所述步驟A3中微調外載荷值的方法為： 微調後的外載荷值M'與上一次外載荷值M的關係式為，M' = k · M ; 其中k為修正係數，在外載荷值M的判定結果為管線閥門不產生破壞的情況下，計算極 限彎曲力矩時，k取值1. 5 ;計算極限扭轉力矩時，k取值I. 1 ;計算極限軸向載荷時，k取值 1. 2 ;在外載荷值M的判定結果為管線閥門會產生破壞的情況下，計算極限彎曲力矩時，k取 值1/1. 5 ;計算極限扭轉力矩時，k取值1/1. 1 ;計算極限軸向載荷時，k取值1/1. 2。
10. 如權利要求1-9任一所述的基於極限外載荷計算的管線閥門安全評估方法，其特 徵在於，在所述S6步驟，應用應力線性化法來進行應力的評定： 所述安全性能的評估結果為安全時需同時滿足下列條件： a，一次總體薄膜應力不超過I. 0倍的材料許用應力；或一次局部薄膜應力不超過L 5 倍的材料許用應力； b，一次總體薄膜應力或一次局部薄膜應力加一次彎曲應力不超過L 5倍的材料許用 應力； c，一次應力加二次應力不超過3倍的材料許用應力； d，部件最大應力不超過3倍的材料許用應力。
【文檔編號】G06F17/50GK104392070SQ201410766153
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月12日 優先權日:2014年12月12日
【發明者】陳天敏 申請人:蘇州紐威閥門股份有限公司