陶伟莉 袁会赞 刘金宝 程志杰

中国石油管道局工程有限公司维抢修分公司

摘要：管道泄漏抢修卡具是专门针对管道腐蚀或裂纹泄漏的快速抢修机具，在管道运行过程中直接覆盖管道泄漏点，快速安装完成后立即恢复管道的正常运行。为确保抢修卡具结构合理，需对其初步设计整体建模，通过有限元应力、位移模拟分析，提出优化建议并据此确定最终加工图纸。优化设计的卡具结构更合理，重量更轻。

关键词：油气管道；泄漏；抢修卡具；有限元分析；优化设计

管道泄漏抢修卡具用于在役油气管道突发泄漏事故的快速抢修。通过对卡具进行结构有限元优化设计，可确保卡具承压堵漏密封效果，最大限度优化卡具壳体结构实现卡具的轻量化设计，便于现场的快速安装，降低制造成本。

1  有限元分析基本原理

非线性有限元分析数值求解方法主要有直接迭代法、简单增量法及自校正增量法、牛顿－拉普森（N-R）方法三种。对比三种数值求解方法，牛顿－拉普森（N-R）法在自校正增量法的基础上，对每一级增量过程进行多次校正，以此消除不平衡力，使得计算结果满足给定的精度要求。通过使用平衡迭代，迫使在每一个载荷增量结束时，在某个容限范围内求解并最终达到平衡收敛。其收敛速度为二阶，对于正定二次函数一步迭代即达最优解，收敛速度快，优选此方法进行计算。

2  卡具分析模型的建立和约束

根据工程应用实体模型进行有限元分析。以设计压力10 MPa、1016 mm对开式泄漏抢修卡具的优化设计为例。在进行网格划分时，对于应力集中、接触面处受力的关键部位进行了加密、细化，如细化圆弧过渡处、上下壳体的接触面、螺栓孔及螺栓孔与壳体连接周围，从而使计算精度得以提高。

在轴向方向使用参考几何体，使模型在轴向方向位移为零，在周向可以任意转动，这种模型约束方式更接近卡具的实际使用情况。

3  卡具受压分析结果

没有管路约束时卡具的应力分析结果。通过分析卡具壳体Y向位移，在弧顶处最大位移为6.8 mm，耳板内侧的张口为2.04 mm（图 1）。变形量已经超出密封允许范围，肯定无法实现承压密封。根据分析结果多方查找原因，最终认为没加管路约束进行有限元分析，有悖于卡具的实际使用情况，卡具壳体失去管路约束，自然会产生较大变形。

图 1 仅受预紧力时Y向位移分布

增加管路约束后卡具有限元分析。上下耳板接触内侧张口1.66 mm，弧顶处最大位移为3.1 mm（图 2、图 3）。弧顶处位移偏大，可能会出现承压泄漏的情况。

图 2 卡具整体应力分布情况

图 3 卡具Y向位移分布

4  优化设计

通过变化不同卡具壳体环形厚度和耳板厚度，查找影响卡具应力分布和位移大小的关键因素。

图 4所示为不同卡具壳体环形厚度与卡具壳体位移张口的尺寸，可以看出，卡具壳体环形厚度越厚，卡具张口变形越小。如图 5所示，随着卡具壳体环形厚度越厚，卡紧螺栓的应力有所降低。卡具张口变形与螺栓应力变化见表 1。

图 4 卡具壳体环形厚度和张口尺寸的关系

图 5 卡具壳体环形厚度和螺栓应力的关系

表 1 不同耳板厚度卡具张口变形尺寸与螺栓应力关系

从表 1可以看出，卡具耳板的厚度对卡具张口变形影响很小，但耳板越厚卡具螺栓的应力越小。

如表 2所示，优化后卡具壳体的最大应力有所降低，壳体弧顶的位移明显减小，开口位移减小了34%，螺栓应力有所增高，这是由于壳体壁厚减小后，液压载荷的作用使螺栓承受较大的拉力，但应力仍小于ASME《锅炉及压力容器规范VIII》规定的屈服强度。卡具变形张口满足密封承压要求，可达到承压10 MPa不泄漏的预期指标。

表 2 优化后卡具壳体的应力和位移情况

5  结语

综合考虑卡具壳体和耳板厚度对卡具位移和应力的影响，建议有限元优化设计时在确保螺栓应力满足条件的前提下，适当降低壳体厚度和耳板厚度以有效降低卡具重量，达到更好的承压密封效果。优化设计后的抢修卡具结构更为合理，重量相对较轻，便于快速安装。优化设计后的10 MPa、1016 mm对开式泄漏抢修卡具经应用测试，承压10 MPa无泄漏，实测耳板内侧最大开口变形1.16 mm，实现预期指标，与有限元分析结果吻合。

作者简介：陶伟莉，1978年生，高级工程师，毕业于西安石油学院，现从事管道维抢修技术研发工作。联系方式：13785605625，158179575@qq.com。