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摘要:管道应用于各个行业，根据应用场所不同，管道所输送的介质压力也有很大的差距，为使管道能承受更大的介质压力，在设计时往往通过增加壁厚来实现，但这在很大程度上增加了成本。本文在传统管道研究基础上，利用ANSYS有限元分析软件针对高压工况对管道进行了应力分析，分析了管道厚度对承受介质压力的影响。结果表明：管道厚度增加固然可以承受更大的压力，但是随着壁厚的增大，管道能承受的压力极限增大幅度越来越小。针对以上研究研究结果，本文提出了一种新型局部加强型管道，并对其进行了有限元分析，证明了其在较小壁厚下可以承受较大的介质压力，可以很大程度上降低成本。
关键词: 高压工况；管道；有限元分析；ANSYS；局部加强
Abstract: the pipe used in every field, according to different fields, the pipeline transport medium pressure also have a large gap, to make the pipe can accept more of the medium pressure, in the design, often by increasing the thickness to achieve, but this greatly increased the cost. In this paper, based on the research of traditional pipe, ANSYS finite element analysis software for high pressure conditions on the stress analysis of pipeline, this paper analyzes the pipeline thickness under the influence of the media to pressure. The results show that the pipeline thickness can take more increase is the pressure, but with the increase of wall thickness, pipe can withstand the pressure increases more and more small amplitude limit. According to the research results, this paper puts forward a new local reinforced pipe, and analyses the finite element analysis, it is proved in the smaller wall thickness can withstand the big medium pressure and can greatly reduce the cost.
Keywords: high pressure conditions; Pipe; The finite element analysis; ANSYS; Local strengthen
中图分类号：U173 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
管道是用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。管道广泛用于给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中[1,2]。通常，流体经鼓风机、压缩机、泵和锅炉等增压后，从管道的高压处流向低压处，也可利用流体自身的压力或重力输送。由此可见，管道不同位置会出现压力不均匀的现象，因此从经济方面、安全方面考虑，管道不宜采用同一种结构，尤其是管线较长或者是压差较大的管道[3,4]。管道应用场所不同，其所承受的压力亦有很大的差距。在传统设计中，往往通过增加管壁的厚度来输送更大压力的介质，但是管壁的增加往往会很大程度上提高成本，因此提高管道安全性和经济性成为管道设计的重点[5-8]。本文通过对传统管道进行有限元分析，指出传统管道设计的弊端，并针对传统管道的设计缺陷，提出一种新型局部加强型管道，以解决管道长度方向压力不均匀的问题。
2数学模型
传统圆形管道几何模型如图1所示。本文重点在于设计新型高压管道，因此首先利用ANSYS有限元分析软件[9]对传统管道形式进行应力分析。研究时，各几何参数和工况参数的取值设定为：管道内径ri=100mm，外径ro1=120mm（薄壁），外径ro2=150mm（厚壁），介质压力p=10Mpa。计算时，除被研究参数和特别说明参数之外，其他参数均保持不变。
3 计算结果与讨论
3.1高压工况下薄壁管道应力、应变分析
图2、3分别为管道内径ri=100mm，外径ro1=120mm时薄壁管道壁面应力、应变分布图。由图所示，管壁应力、应变由内径向外径处应力逐渐减小。内径处应力约为45.4MPa，外经处应力约为55.5MPa，内径处应变约为2×10-4m，外经处应变约为2.7×10-4 m。图4为圆管应力、应变沿半径方向的变化规律，由图所示，应力、应变沿半径方向的变化趋势逐渐趋于平缓，因为壁厚较薄，变化趋势并不十分明显。
3.2高压工况下厚壁管道应力、应变分析
图5、6分别为管道内径ri=100mm，外径ro1=150mm时薄壁管道壁面应力、应变分布图。由图所示，管壁应力、应变由内径向外径处应力逐渐减小。内径处应力约为16MPa，外经处应力约为26Mpa，内径处应变约为0.72×10-4m，外经处应变约为1.4×10-4 m。图6为圆管应力、应变沿半径方向的变化规律，由图所示，应力、应变沿半径方向的变化趋势逐渐趋于平缓，因此说明随着壁厚的增加，外壁面处承受越来越小的壓力，所以不能单靠增加壁厚来达到承受更大介质压力的目的。
3.3管道所能承受介质压力随管壁厚度的变化规律
图8所示为传统管道所能承受介质压力随管壁厚度的变化规律图。如图所示，随着壁厚的增加，管道所能承受的介质压力逐渐增大，但增大趋势逐渐趋于平缓。因此，单纯增加壁厚并不能明显的实现承受更高压力的目的，应该采用更先进的结构设计。
4 新型高压管道结构设计
如图9所示，为作者设计的新型高压管道结构示意图，在高压管壁面周围隔一定的距离加设一定的加强筋。加强筋可以在铸造时加工或者在加工好圆管之后，将两个半圆分半环通过螺栓夹紧，以达到加强的目的。
新型高压管道有限元分析如图10所示，由图可见，对于圆管采用局部加强以后，管壁面的应力峰值降低，并分散到各个加强筋之间。这种应力的重新分配使得管道壁面应力均匀分布，从而实现整体承受高压的效果。新型高压管道结构设计，包括加强筋的宽度、厚度、间隔距离等将在后续论文中进行分析设计。
5 结论
（1）对于高压工况下的传统管道，应力、应变沿着半径方向逐渐减小，但减小趋势减缓。
（2）随着管壁厚度的增加，外经处的应力、应变逐渐较小，说明随着管壁厚度的增加，外壁面并不能真正起到承受高压的作用。
（3）随着管壁厚度的增加，管道所能承受的压力逐渐增加，但是增加趋势减缓，说明通过单纯的增加管壁厚度来实现承受高压的目的意义不大。
（4）本文提出了新型局部加强型管道，通过局部采用加强筋的处理方法使得壁面应力分布均匀化，从而使管道承受更大的压力，并对其加工方法提出了一定的建议，其具体结构进行优化设计将在后续论文中进行。
6 符号说明
ri——管道内径，mm； ro1——薄壁圆管管道外径，Pa； ro2——厚壁圆管管道外径，mm； p——管道内介质压力，Pa； δ——壁厚，mm
参考文献
[1] 中国市政工程华北设计研究院.GB50028-2006城镇燃气设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社,2006.
[2] 王蓉. 城镇超高压天然气管道的选线[J]. 煤气与热力, 2005, 25(9): 30-33.
[3] 詹淑慧．燃气供应[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004.
[4] 谭洪艳．燃气输配工程[M]．北京：冶金工业出版社，2009.
[5] 蔡柏松, 朱建华, 杨晓宁等. 黄土陷穴对陕京输气管道的危害及处理[J]. 油气储运, 2002， 21(4)：35- 36.
[6] 韩树新，郑翔宇，金志江等.含未焊透缺陷工业压力管道的安全性试验研究[J].轻工机械，2008，26（04）：103-106.
[7] 李培宁,徐宏. ASMEIWB-3650压力管道缺陷评定规范介绍[J].压力容器,1993,10(6):67-71.
[8] 张叔自. 对《在用工业管道定期检验规程》(试行)几个问题的探讨[J].化工设备与管道,2005,42(1):21-23,26.
[9] 余伟炜. ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词: 高压工况；管道；有限元分析；ANSYS；局部加强
Abstract: the pipe used in every field, according to different fields, the pipeline transport medium pressure also have a large gap, to make the pipe can accept more of the medium pressure, in the design, often by increasing the thickness to achieve, but this greatly increased the cost. In this paper, based on the research of traditional pipe, ANSYS finite element analysis software for high pressure conditions on the stress analysis of pipeline, this paper analyzes the pipeline thickness under the influence of the media to pressure. The results show that the pipeline thickness can take more increase is the pressure, but with the increase of wall thickness, pipe can withstand the pressure increases more and more small amplitude limit. According to the research results, this paper puts forward a new local reinforced pipe, and analyses the finite element analysis, it is proved in the smaller wall thickness can withstand the big medium pressure and can greatly reduce the cost.
Keywords: high pressure conditions; Pipe; The finite element analysis; ANSYS; Local strengthen
中图分类号：U173 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
管道是用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。管道广泛用于给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中[1,2]。通常，流体经鼓风机、压缩机、泵和锅炉等增压后，从管道的高压处流向低压处，也可利用流体自身的压力或重力输送。由此可见，管道不同位置会出现压力不均匀的现象，因此从经济方面、安全方面考虑，管道不宜采用同一种结构，尤其是管线较长或者是压差较大的管道[3,4]。管道应用场所不同，其所承受的压力亦有很大的差距。在传统设计中，往往通过增加管壁的厚度来输送更大压力的介质，但是管壁的增加往往会很大程度上提高成本，因此提高管道安全性和经济性成为管道设计的重点[5-8]。本文通过对传统管道进行有限元分析，指出传统管道设计的弊端，并针对传统管道的设计缺陷，提出一种新型局部加强型管道，以解决管道长度方向压力不均匀的问题。
2数学模型
传统圆形管道几何模型如图1所示。本文重点在于设计新型高压管道，因此首先利用ANSYS有限元分析软件[9]对传统管道形式进行应力分析。研究时，各几何参数和工况参数的取值设定为：管道内径ri=100mm，外径ro1=120mm（薄壁），外径ro2=150mm（厚壁），介质压力p=10Mpa。计算时，除被研究参数和特别说明参数之外，其他参数均保持不变。
3 计算结果与讨论
3.1高压工况下薄壁管道应力、应变分析
图2、3分别为管道内径ri=100mm，外径ro1=120mm时薄壁管道壁面应力、应变分布图。由图所示，管壁应力、应变由内径向外径处应力逐渐减小。内径处应力约为45.4MPa，外经处应力约为55.5MPa，内径处应变约为2×10-4m，外经处应变约为2.7×10-4 m。图4为圆管应力、应变沿半径方向的变化规律，由图所示，应力、应变沿半径方向的变化趋势逐渐趋于平缓，因为壁厚较薄，变化趋势并不十分明显。
3.2高压工况下厚壁管道应力、应变分析
图5、6分别为管道内径ri=100mm，外径ro1=150mm时薄壁管道壁面应力、应变分布图。由图所示，管壁应力、应变由内径向外径处应力逐渐减小。内径处应力约为16MPa，外经处应力约为26Mpa，内径处应变约为0.72×10-4m，外经处应变约为1.4×10-4 m。图6为圆管应力、应变沿半径方向的变化规律，由图所示，应力、应变沿半径方向的变化趋势逐渐趋于平缓，因此说明随着壁厚的增加，外壁面处承受越来越小的壓力，所以不能单靠增加壁厚来达到承受更大介质压力的目的。
3.3管道所能承受介质压力随管壁厚度的变化规律
图8所示为传统管道所能承受介质压力随管壁厚度的变化规律图。如图所示，随着壁厚的增加，管道所能承受的介质压力逐渐增大，但增大趋势逐渐趋于平缓。因此，单纯增加壁厚并不能明显的实现承受更高压力的目的，应该采用更先进的结构设计。
4 新型高压管道结构设计
如图9所示，为作者设计的新型高压管道结构示意图，在高压管壁面周围隔一定的距离加设一定的加强筋。加强筋可以在铸造时加工或者在加工好圆管之后，将两个半圆分半环通过螺栓夹紧，以达到加强的目的。
新型高压管道有限元分析如图10所示，由图可见，对于圆管采用局部加强以后，管壁面的应力峰值降低，并分散到各个加强筋之间。这种应力的重新分配使得管道壁面应力均匀分布，从而实现整体承受高压的效果。新型高压管道结构设计，包括加强筋的宽度、厚度、间隔距离等将在后续论文中进行分析设计。
5 结论
（1）对于高压工况下的传统管道，应力、应变沿着半径方向逐渐减小，但减小趋势减缓。
（2）随着管壁厚度的增加，外经处的应力、应变逐渐较小，说明随着管壁厚度的增加，外壁面并不能真正起到承受高压的作用。
（3）随着管壁厚度的增加，管道所能承受的压力逐渐增加，但是增加趋势减缓，说明通过单纯的增加管壁厚度来实现承受高压的目的意义不大。
（4）本文提出了新型局部加强型管道，通过局部采用加强筋的处理方法使得壁面应力分布均匀化，从而使管道承受更大的压力，并对其加工方法提出了一定的建议，其具体结构进行优化设计将在后续论文中进行。
6 符号说明
ri——管道内径，mm； ro1——薄壁圆管管道外径，Pa； ro2——厚壁圆管管道外径，mm； p——管道内介质压力，Pa； δ——壁厚，mm
参考文献
[1] 中国市政工程华北设计研究院.GB50028-2006城镇燃气设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社,2006.
[2] 王蓉. 城镇超高压天然气管道的选线[J]. 煤气与热力, 2005, 25(9): 30-33.
[3] 詹淑慧．燃气供应[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004.
[4] 谭洪艳．燃气输配工程[M]．北京：冶金工业出版社，2009.
[5] 蔡柏松, 朱建华, 杨晓宁等. 黄土陷穴对陕京输气管道的危害及处理[J]. 油气储运, 2002， 21(4)：35- 36.
[6] 韩树新，郑翔宇，金志江等.含未焊透缺陷工业压力管道的安全性试验研究[J].轻工机械，2008，26（04）：103-106.
[7] 李培宁,徐宏. ASMEIWB-3650压力管道缺陷评定规范介绍[J].压力容器,1993,10(6):67-71.
[8] 张叔自. 对《在用工业管道定期检验规程》(试行)几个问题的探讨[J].化工设备与管道,2005,42(1):21-23,26.
[9] 余伟炜. ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。