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液化石油气储配站管道开裂失效分析与应用

作　者: 陈英姿
导　师: 方德明
学　校: 浙江工业大学
专　业: 机械工程
关键词: 液化石油气有限元裂纹振动疲劳应力
分类号: TE973.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

液化石油气(Liquid Petroleum Gas,LPG)储配站用于储存和向钢瓶、槽车等移动式压力容器灌装液化石油气,管系较为复杂,开启烃泵或压缩机会引起振动,且灌装LPG是间歇操作,管系将承受疲劳载荷,从而造成有些管道开裂失效,发生LPG泄漏事故,严重影响LPG储配站的正常运行。本论文就某储配站一管道三通同一部位多次发生开裂进行分析、研究,以求对储配站的设计、安装、运行管理有一定指导作用。该储配站开裂管道为一同管径焊接三通,位于烃泵出口部位,开裂处在三通交接的最低区域,裂纹垂直于焊缝。本论文根据管系的结构、开裂三通所处的位置及储配站的操作特性等,对管道开裂原因进行了以下三个方面的分析研究:(1)对三通上产生的穿透裂纹进行宏观、微观观察,对材质也进行了化学成分、金相组织分析。管材的化学成分符合质保书以及材料标准要求;但焊缝热影响区晶粒较母材粗大,并出现针状魏氏体组织。从裂纹断口宏观形貌看,断口表面平整,显示有疲劳辉纹,是一典型的疲劳裂纹断口。(2)采用有限元计算方法,对管系模态和静力学进行分析,获取管系的固有频率及振型,其中管系的最低阶固有频率(13.8HZ)与烃泵的固有频率(13HZ)非常接近,将可能引起共振,特别是管道三通附近,受振动影响较为明显。(3)在内压和振动的共同作用下,采用ANSYS有限元计算软件,对三通进行应力分析计算等。不仅三通交界处的应力集中现象严重,振动造成的交变应力也高达423MPa,故其疲劳寿命只有2.5×10~4次。为了提高管道使用寿命,文中对管系进行了优化改造。一是改变主管道的截面尺寸以减少三通交界处的应力集中,二是在三通两侧增设支架,有效地限制了该处的振幅减小了由振动产生的应力,使总的交变应力强度下降到管件材料疲劳极限强度以下,从理论上讲,满足了无限疲劳寿命的要求。同时,使管系的固有频率从原来的13.8HZ提高到15.7HZ,避开了烃泵的运转频率,减少发生共振的可能性。改造后的烃泵管系运行6个多月后,未发现泄漏现象。这表明上述的优化改造对提高管道的使用寿命是有效的。由于开裂处发生在三通焊缝上,焊缝的各种影响也是有的,如焊接残余应力、金相组织、焊接缺陷等,故文中建议采用整体的三通结构。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
主要符号说明  11-12
第1章绪论  12-21
  1.1 工程背景  12-14
  1.2 国内外相关研究  14-18
    1.2.1 LPG储配站安全管理现状  14-15
    1.2.2 管道失效分析有关研究  15-16
    1.2.3 目前管道设计研究现状  16-17
    1.2.4 机械振动分析相关研究  17-18
  1.3 本课题意义  18-19
  1.4 本文研究的主要内容和章节结构  19-21
    1.4.1 本文研究主要内容  19
    1.4.2 本文结构  19-21
第2章 LPG储配站管系及开裂管道检验  21-35
  2.1 LPG储配站  21-24
    2.1.1 LPG储配站的功能结构  21-22
    2.1.2 LPG储配站工艺流程介绍  22-24
  2.2 LPG储配站主要设备和工艺管道系统  24-29
    2.2.1 主要设备的技术参数  24-26
    2.2.2 工艺管道技术参数  26-27
    2.2.3 烃泵管道系统工作流程  27-29
  2.3 工艺管道开裂失效检验分析  29-33
    2.3.1 管道开裂经过  29
    2.3.2 开裂部位的宏观观察  29-30
    2.3.3 管道三通相关尺寸的检测  30
    2.3.4 开裂部位的渗透检查  30-31
    2.3.5 管道材质化学成分分析  31
    2.3.6 金相组织检验  31-32
    2.3.7 裂纹断口检验  32-33
    2.3.8 烃泵管道系统的运行检查  33
  2.4 三通管件开裂原因初步分析  33-34
  2.5 本章小结  34-35
第3章管系有限元计算和疲劳失效分析  35-55
  3.1 管系振动概述  35-37
    3.1.1 有关振动的几个基本术语的定义  36
    3.1.2 振动的形式  36-37
  3.2 ANSYS有限元分析软件对管系分析计算的简述  37-41
    3.2.1 管系的结构静力学分析  37-38
    3.2.2 模态分析  38-39
    3.2.3 分析设计法简介及三通交变应力计算  39-41
  3.3 有限元模型建立  41-47
    3.3.1 管系的实际模型  41-42
    3.3.2 有限元模型及边界条件  42-47
  3.4 有限元计算结果及分析  47-53
    3.4.1 管系模态分析结果  47
    3.4.2 管系静力学分析  47-48
    3.4.3 管道三通三维实体模型计算结果  48-53
  3.5 疲劳分析  53-54
  3.6 结论  54
  3.7 本章小结  54-55
第4章改进管系的有限元计算及无限寿命设计  55-66
  4.1 概述  55
  4.2 改进后管系的有限元模型  55-56
  4.3 有限元计算结果  56-63
    4.3.1 管系模态分析结果  56-58
    4.3.2 管系静力学分析  58
    4.3.3 改进后三通三维实体模型计算结果  58-63
  4.4 无限寿命设计分析  63-64
  4.5 实际应用情况  64-65
  4.6 结论  65
  4.7 本章小结  65-66
第5章结论与展望  66-68
  5.1 全文总结  66-67
  5.2 展望  67-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
攻读学位期间参加的科研项目和成果  72

液化石油气储配站管道开裂失效分析与应用

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