管道内检测设备密封舱的设计及有限元分析

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油气管道是连接油气资源与市场的桥梁和纽带，油气管道的安全运营，为我国的经济建设的快速稳定发展提供了可靠保证。油气管道大多埋于地下，而且由于管材、施工质量、内外环境腐蚀等因素。容易导致管线发生失效事故。管道-旦发生失效事故 ，会对沿线居民的生命及财产安全、环境等造成巨大的危害。随着我国油气管道建设的全面展开.管道安全问题 日益突出。油气管道 的安全运营是石油、天然气可靠供应的基础，管道的在线检测是保证管道安全性和完整性 的主要方法 。管道 内检测设 备可以在不影 响管道 正常安全生产 的情况下 ，对管道进行在线检测 ，将管道上的变形、腐蚀 、裂纹等缺陷的相关信息准确检测出来 ，业主可根据检测结果 ，采取相应的措施 .提前对危 险缺陷点进行维修 ，因此管道内检测设备在油气管道检测中得到广泛应用。

修稿日期：2013-01-29作者简介：张志文(1987-)，男，山东诸城人，在读硕士研究生。主要研究方向 ：精密检测技术及应用 ；胡铁华 (1960-)，女，研究员，博士生导师。长期从事精密检测技术、机械设计及理论等领域的研究工作。

管道 内油气介质的压力通常都在 IOMPa左右 。因此管道内检测设备正常工作时完全处在外部压强为 10MPa的油气环境中。然而，管道内检测设备的电子系统需要电池进行供电，因此 ，为了保证内检测工作的安全进行 ，必须确保电子系统及其供电电池的有效密封。电子系统及其 电池密封舱的设计是管道内检测设备设计过程中非常重要 的-个环节 。在以往的管道内检测工作中 。

曾多次出现因电子系统密封舱密封失效而造成电子元器件损坏 ，无法实现有效检测 ，造成人力物力 的巨大浪费 ，同时也带来了巨大的安全隐患。

1 密封舱的设计及计算根据管道内检测设备的工作环境 ，其密封舱属于外压容器的范畴。外压容器是指工作时内压小于外压的压力容器 ，真空容器 、海洋开发用 的潜水器外壳等都属于这类容器 。外压容器的失效机制与内压容器不 同，其失效形式可能有两种，-种是在壳体有足够的厚度时，压缩应力超过材料 的极 限强度 .发 生塑性压缩变 形或破坏 ，属于强度问题 ；另-种是在壳体厚度相 当薄的情况下，当外压力达到某-数值时，容器就会因丧失稳定性而产生突然的挠曲(也称翘曲)，此时 ，壳体 中的压缩应力 尚未达到材料的屈服极限强度 ，此现象如 同受 压杆件· 测试与控制 ·丧失稳定 .把容器 的这种失效现象称为外压容器 的失稳或屈曲。圆筒形容器失稳后 出现不 同的波形 ，长 圆筒呈现两个波 ，短 圆筒则会出现两个以上 的波形 。失稳 的临界压力撒于材料的弹性模量、泊松比和圆筒的直径、长 度和壁 厚 。如 图 1所 示 ，在均匀外压力作用下的圆筒形壳体发生翘 曲的情形 。

利 用 Solidworks软件 三维建模功能对所用密 封舱进行三维实体建模 。并运用 内嵌 于 Solidworks软 件 的有 限元分析拈 Simulation。根据图 1圆筒壳体在均匀外压下 其 实 际运 行 环 境. 进 行 仿苎塞后发生翘曲 真、计算。在密封舱正常工 Fig.1 Cvlindrical shell under - - ～ f0 e temal p re 作状态下的应力 、应 变 、变was warped after instabilty 形等信 息通过 云图的形式显示出来，计算过程方便、快捷，计算结果详细直观。为实现密封舱 的优化设计提供依据 ，可以有效地减少设计时的计算量 。提高工作效率。

根据外压容器的设计标准及规范 ，结合其实际的使用环境 ，对密封舱的结构形式和尺寸进行初步设计 ，并根据其实际运行时的载荷进行应力计算1.1 密封舱筒体的尺寸确定油气管道内检测设备正常运行时，完全处在管道 内的油气介质中。由于油气中存在腐蚀性杂质。因此密封舱简体 的材质选用不锈钢(1Crl8Ni9Ti)。根据实际的使用要 求 ，确定 出其外形尺寸 ，并借鉴类 似产 品的设 计经验 ，取定壁厚 t6mm，进行试算 ，由此初步确定 的密封舱 筒 体 尺 寸 如 图 2 旦 纩 所示。其筒体外径 PzZzzzZ 彳Do76mm，内径Di J- --- L～- L ----J型64mm，简体的计算 I i I l长 度 即筒 体上 两个 互z刚性构件 (封头、法 l ---。- - --叫 i兰 、加 强 圈 )之间 的 图2 密封舱简体尺寸最大距离 L165mm。 Fig.2 The size of the sealed cabin1.2 密封舱简体的应力计算油气管道 内的介质压力通 常都在 10MPa左右 ，那么取定该简体的设计压力为 10MPa，属于高压容器的范畴 。通常，当壳体厚度 t与 中面的最小曲率半径 R的比值远远小于 1时，称为鼻 ，否则为厚壳。就工程而言，t/R<1/20，则视为鼻，否则为厚壳。本例中.t/R6/38>1/20，属于厚壁容器。厚壁容器承受压力 载荷作用时所产生的应力具有如下特点：①厚壁容器中压力很高，径向应力不能忽略，应考虑作三向应力分析；②在薄壁容器中将二向应力视为沿壁厚均匀分布薄膜应力 ，而厚壁容器沿壁厚出现应力梯度，薄膜假设不成立；③内外壁间的温差随壁厚的增大而增加 ，由此产生的温差应力相应增大，厚壁容器中的温差应力不应忽视。

l 内外压作用下厚壁圆筒的三向应力表达式如下：l 应力： 错 ·径向应力： r - ㈩l 应力： 错 ： 式 中：P。，P。- 内压载荷及外 压载荷 ；Ri，Ro-圆l 筒的内径及外径；r圆筒壁内任意点的半径，有Ri≤r≤ 。

l 根据该密封舱的实际运行情况，其内压为1标准大l 气压 ，即 Pi：1.01xl0 Pa，外部环境压强 po10xl06pa，该： 简体 Ri32mm，Ro38mm，代入式(1)得 ：f 盯。：-(34.14-34854.03)MPa lr! 盯 -(34.14～34854.03)MPal 盯 -34.14MPaf 现讨论三向应力沿厚度的分布规律：(1)当r32时，即简体内壁上 ，有 ：周向应力ors-68。

(2)当 r38时，即简体外壁上 ，有 ：周 向应力 盯。-58。

I 28MPa，径向应力orr-10MPa，轴向应力 or，34.14MPa。

由此结果可看出.受外压的厚壁筒体 内三 向应力均为负值 ，即均为压应力 。在数值上 ，内壁周向应力 or。

为所有应力中的最大值，内外壁 。之差为筒体内外压强之差 ；内外壁径 向应力 的大小分别与简体 内外压强的值相等 ；轴向应力是周向应力和径 向应力的平均值 ，且为常数 ，即 orz 1(or。盯 )，沿壁厚均匀分布。

由于本例 中，密封舱 内外温差很小 ，其温差应力可忽略不计 。

针对强度失效 的设计准则-般有三种 ：弹性失效设计准则 、塑性失效设计准则 和爆 破失效设计准则 。 目前 ，世界各 国使用 的最多的设计准则是弹性失效设计准则，我国高压容器设计通常也都是采用此准则，本文也按该准则进行设计。

为防止筒体 内壁发生屈服 ，以内壁相当应力 or 达到屈服状态 时为发 生弹性 失效 。这就应 将 内壁 的应力状态控制在弹性范围以内，此为弹性失效设计准则 。设计计算时如何表达 内壁 三向应力 的相当应力 (应力强度)需要采用各种强度理论 ，通常用第 四强度理论计算的筒体 内壁开始屈服 的压力更 为准确。由第 四强度理论式 ：97· 测试与控 制·盯eq：、/ 1[cr z]2(盯 叮 )2(叮广盯e)2] (2)Y 厶得 ：cr58.96MPa通常情况下 ，不锈钢(1Crl8Ni9Ti)的许用应力为 [叮] 140MPa，显然 [盯，则该简体的强度满足使用要求。

2 密封舱简体的实体建模及其有限元仿真计算整个密封舱筒体为回转体，结构简单 ，可以直接通过旋转或者拉伸命令实现三维实体模型的建立，如图3所示。

三维实体模型完成后 ，启动 Simulation组件 ，对其进行有限元分析，其步骤如下：①定义材质；②新建算例，其类型选为静态；③定义夹具和外部载荷。根据筒体实际运行时的固定方式 ，选择夹具类型及夹持位置 ；载荷类型为压力 .并且 方向垂直 于舱体外表 面指向 内图3 密封舱筒体三维实体模型Fig.3 Theentity model of the sealedcabin部.压强值为 IOMPa.即密封舱在实际工作 时完 全处 在 l0MPa的外 压 环 境下；④ 网格划分 ；⑤计算及结果显示 。计算完成后 ，即可显示 出整个 密封舱在所模拟工作状态 下的应力分布情况，如图 4所示。

通过仿 真计算所 得 的结果可 以看出 ：该密封舱简体最大应力出现在简体内表面。应力值大约在66MPa左右，仿真所得结果与计算所得 的筒体 内壁周向应力值68.18MPa相近。

图 4 密封舱简体在 10MPa外压作用下的应力分布Fig.4 The stress of the sealed cabinunder 10MPa uniform externalpressureSimulation组 件 的有限元分析结果 .除了可以显示简体各处的应力分布情况外 .还可以显示整个密封舱筒体各处的应变及位移的分布情况 。从不同的角度分析筒体的各项力学性能是否满足设计要求以及其工作状态是否正常。

3 结论本文 以管道内检测设备的密封舱筒体这-类外压容器为例 ，对其进行初步设计 ，利用 Solidworks的三维建模功能对所设计的简体进行实体建模。并结合其自带的有限元分析拈 Simulation对筒体的强度进行有限元分析。通过软件仿真得到的应力分布情况与理论计算所得的结果基本相符 ，对外压容器 的设计及优化具有重要的指导意义，为同类产品的设计提供参考 。