设计计算

685

2012 年 9 月　第 31 卷 第 9 期

网络出版时间：2012-7-17 9:52:00　　　　　　网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1093.TE.20120717.0952.001.html

油气管道的锚固法兰结构设计与有限元分析

赵振兴　赵树炳　朱慧峰　崔成山

中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000

赵振兴等.油气管道的锚固法兰结构设计与有限元分析. 油气储运，2012，31（9）：685-688.

文章编号：1000-8241（2012）09-0685-04

摘要：锚固法兰按照常规计算方法得到的各部位尺寸较为保守，重要部位的结构尺寸往往不合理，局

部应力过大，缺少必要的分析优化过程。以某规格高压、大口径锚固法兰为例，采用理论计算与有限

元分析方法相结合进行设计计算。结果表明：在法兰的圆角处和管颈处有最大的应力强度分布，其

余位置的各应力分量均较小，强度校核满足要求，结构设计合理。因此，锚固法兰设计计算结合有限

元分析方法，可确保设计质量，满足不同工程项目锚固的技术要求。

关键词：油气管道；锚固法兰；结构设计；有限元分析

中图分类号：TE974　　　　　 文献标识码：A　　　　　doi：10.6047/j.issn.1000-8241.2012.09.010

锚固法兰是大口径、高压力、长距离油气管道工程

为防止轴向推力对各站场阀室造成破坏而设置的一种

关键装置，多设在管道的入土端和出土端，起到固定管

道、约束管道轴向位移、保护站内地面管道和设备等作

用，在我国的西气东输、西气东输二线等管道工程中均

有大量应用。锚固法兰及其相连工艺管道受力情况十

分复杂，必须对其进行强度校核、抗疲劳与抗脆断等评

定[1]。然而，目前我国尚无完整的锚固法兰设计计算

资料可供参考，结构设计多参考相关法兰标准和已有

锚固法兰尺寸数据等；结构尺寸可调、可变，缺少必要

的有限元分析计算和优化过程；重要部位的结构尺寸

往往不合理，局部应力较大，存在一定的安全隐患。以

某工程高压、大口径锚固法兰设计为例，将理论计算与

有限元分析方法的数值模拟技术相结合，对锚固法兰

进行结构设计与优化。

1 结构设计

1.1 结构形式

锚固法兰应是一种带有凸缘的轴对称环锻件结

构，其凸缘两侧为对称的法兰颈部，两个法兰颈部的端

口分别与管道端口焊接，埋入锚固墩中。采用现有技

术将原本用螺栓连接的两片法兰合并在一起，取消螺

栓和密封垫，制成整体法兰，通过焊接方式与管道联

接，并依靠其凸缘和法兰体与锚固墩固定，从而固定管

道连接，保护站内地面管道和设备，以便确保油气输送

安全（图 1）。

1.2 受力分析

锚固法兰（图 2，因法兰为轴对称结构，图中只画

出 1/2 部分）主要承受内压 p 和总轴向推力F（包括因

管道内压、温差及其他载荷引起的轴向推力）作用。

图 1　锚固法兰外形图

图 2　锚固法兰受力示意图

2012 年 9 月　第 31 卷 第 9 期

686 www.yqcy.net

设计计算

式中：pw 为混凝土墩单位面积承受的压力，MPa；W 为

计算推力，N；F 为锚固墩承受推力总面积，mm2；f c 为

混凝土抗压强度设计值，MPa。

1.3.2 法兰弯曲应力校核

由于锚固法兰没有螺栓和垫片，因此推力W 相当

于作用在螺栓中心圆的轴向力，法兰力矩公式为：

M 0 ＝W ·LD

式中：M 0 为法兰力矩，N ·mm；LD 为锚固法兰计算力

臂，mm。

盘面弯曲应力：

式中：σ为弯曲应力，MPa；D i为锚固法兰内径，mm；δ f

为锚固法兰壁厚，mm； 为锚固法兰材料许用应力，

MPa。

锚固法兰端部强度条件应使：

式中：σS2为锚固法兰屈服强度，MPa；σS1为外接管屈服

强度，MPa；δ0为法兰颈部小端有效厚度，mm；δ为接管

壁厚，mm。

2 有限元应力分析

锚固法兰的结构尺寸可调可变，计算并优化后应

满足强度要求且节省材料。强度计算为近似计算，依

据压力容器设计规范计算结果偏于保守，有必要运用

有限元方法进行详细分析计算。

2.1 设计参数

以某规格为 PN 12.0 MPa DN1200 的锚固法兰为

例，根据其设计参数（表 1）进行有限元分析。

1.3 结构设计

根据 GB 50253－2003《输油管道工程设计规范》、

GB 50251－2003《输气管道工程设计规范》、ASME

B31.8-2010《输气和配气管道系统》或 ASME B31.4-

2009《液态烃和其他流体管道输送系统》，计算管道

由内压和温度引起的轴向推力[3-6]。参照 GB l50－

1998《钢制压力容器》或 ASME BPV Code VIII Div.I

Appendix 2 中宽面法兰模式进行力矩和应力计算。参

照 ASME B16.5-2009《管法兰和法兰管件》和 ASME

B16.47-2006《大直径钢制法兰（NPS26-NPS60）》等系

列标准中的法兰尺寸[7-10]，结合相关生产实践经验，

设计锚固法兰结构（图 3，L 1 为锚固法兰壁厚，D i、D f、

D o、D a 分别为锚固法兰的内径、外径、坡口端外径、圆

角处外径）。

锚固法兰为整体锻件，材料所用锻件的标准屈服

强度函 σS1 应与所连管道材料标准屈服强度 σS2 一致

或略低，二者的屈强比应不小于 2/3，且具有良好的可

焊性。锚固法兰应能克服结构给施工带来的困难，并

能承受和传递由内压、温差及其他载荷产生的轴向力。

锚固法兰不仅应该使用寿命长、安全可靠，且强度和弯

曲应力校核应满足相关要求。锚固法兰结构尺寸因设

计人员不同，结构尺寸亦不同，能否满足要求，还需要

进行强度计算、校核。

1.3.1 锚固墩耐压强度校核

混凝土墩单位面积承受的压力：

图 3　锚固法兰结构设计图

输送介质设计压力

/MPa总轴向推力

/（104 N）管颈端壁厚

/mm法兰有效厚度

/mm法兰长度

/mm材料弹性模量

/MPa

天然气 1） 12.0 450 37.3 80 380 2.0×105

设计系数 2） 泊松比

管道直径/mm 材质

屈服强度/MPa

抗拉强度/MPa

温度/℃

外径 内径 锻件 外接管 锻件 外接管 混凝土 锻件 设计 安装

0.5 0.3 1 240.8 1 166.2 07MoCrMoVR X80 415 555 14.3 550 -10~60 20~25

表 1　PN 12.0 MPa DN1200 锚固法兰设计参数

　　1）H2S 摩尔质量分数小于 0.002％；2）用于三级地区。

，pw<f c

687www.yqcy.net

设计计算

2.2 有限元模型

定义单元类型为 SOLID45，由于模型轴对称，故

取其四分之一进行网格划分。为提高计算结果的精确

性，在应力较大处，对网格进行适当细化。假设混凝土

有效浇灌法兰止推环全部表面，锚固法兰的轴向推力

均匀作用在法兰管颈端的一侧，并沿圆周均匀分布，

法兰内压 12 MPa 沿圆周内侧表面均匀分布，由此建

立锚固法兰有限元模型（图 4，其中绿色 1 和粉色 2 表

示约束、红色 3 表示气体压力、蓝色 4 表示轴向推力）。

在端面 1、2 施加轴向约束，在法兰内表面 3 施加内压

12 MPa，在端面 4 施加轴向推力 450×104 N。设定轴

向应力沿x 轴，环向应力沿 y 轴，切向应力沿 z 轴。

2.3 结果分析

根据有限元应力分析结果（图 5），可知锚固法

兰的最大轴向应力为 113.545 MPa，分布在法兰管颈 图 4　锚固法兰有限元模型

图 5　锚固法兰有限元应力分析图

（a）等效应力 （b）轴向应力

（c）环向应力 （d）切向应力

应力点应力 /MPa

等效 轴向 环向 切向

A 0 -71.9 -75.20 -38.4B 65.6 31.1 -11.7 -2.4C 78.7 51.7 0.93 4.8D 104.9 92.7 26.30 19.2E 118.0 113.5 39.00 26.4

表 1　锚固法兰截面 1 各点应力值

处；最大复合应力、最大拉应力、最大环向应力分别为

118.033 MPa、－71.927 MPa、－75.230 MPa，均分布在法

兰圆角处；最大剪应力为－38.366 MPa，分布在法兰圆

角处和背对圆角处；法兰承受推力的端面上，分布有最

大压应力 39 MPa。

为确保锚固法兰设计安全可靠，分别取法兰截面

1 的管颈处 A、圆角处 B、法兰盘中心 C 和对称面管颈

处 D 和圆角处 E 共 5 个危险点应力值（表 1）。连接各

危险点路径值，可得沿各路径各危险点的应力及应力

分量（图 6），法兰危险截面的等效应力及各应力分量

均小于两端危险点应力－113.25 MPa 和 186.75 MPa。

赵振兴等：油气管道的锚固法兰结构设计与有限元分析

Zhao Zhenxing，et al：Structural design and finite element analysis of anchoring flange for oil and gas pipelines

2012 年 9 月　第 31 卷 第 9 期

688 www.yqcy.net

设计计算

兰的结构尺寸进行优化，以节省锻件材料费用，减少工

程项目投资。

参考文献：

[1] 潘家华. 埋地管道强度设计中存在的一些问题[J]. 油气储运，

1985，4（3）：1-5.

[2] 田继红，陈慧琴，郭会光，等. 锚固法兰结构设计与有限元分

析[J]. 大型锻铸件，2009（2）：1-3.

[3] 中国石油天然气集团公司. GB 50253-2003 输油管道工程设计

规范[S]. 北京：中国计划出版社，2007.

[4] 油气田及管道建设设计专业标准化委员会. GB 50251-2003 输

气管道工程设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2003.

[5] American Society of Mechanical Engineers. ASME B31.8-2010 输

气和配气管道系统[S].2010.

[6] American Society of Mechanical Engineers. ASME B31.4-2009 液

态烃和其他流体管道输送系统[S].2009.

[7] 叶乾惠，秦晓钟，汪子云，等. GB 150-1998 钢制压力容器[S].

北京：中国计划出版社，1998.

[8] American Society of Mechanical Engineers. ASME BPV Code

VIII Div. I Appendix 2. Rules for construction of pressure vessels

division 2[S].2007.

[9] American Society of Mechanical Engineers. ASME B16.5-2009

Pipe flanges and flanged fittings[S]. 2009.

[10] American Society of Mechanical Engineers. ASME B16.47-2006

Large diameter steel flanges[S]. 2006

（收稿日期：2011-09-02；编辑：熊寅铭）

作者简介：赵振兴，工程师，1980 年生，2007 年硕士毕业于吉林大

学机械电子工程专业，现主要从事压力容器和压力管道附件的设计

工作。

电话：0316-2072461；Email：zhenxing-42@cnpc.com.cn

根据输入法兰推力和内压等约束条件，利用有限

元计算分析结果，生成锚固法兰位移（图 7），法兰最

大变形发生在法兰颈部，为－0.119 473 mm，小于文献

[4] 中规定的最大变形量 0.03 D=37.224 mm，故位移

满足要求。

根据以上有限元分析结果，在法兰的圆角处和管

颈处分布有最大的应力强度，其余位置的各应力分量

均较小，主要分量应力值与复合应力值均小于材料

最小允许屈服应力（415×0.5=207.5 MPa）的 0.9 倍

（207.5×0.9=186.75 MPa），满足文献 [4]的有关规定。

另外，法兰对管道的轴向约束效果显著。

综上所述，通过锚固法兰结构设计和强度计算，结

合有限元分析计算和优化，能够确保设计质量，满足规

范和工程要求。今后的研发工作，应进一步对锚固法

图 6　法兰截面 1 上的等效应力及应力分量

图 7　锚固法兰位移图