異形壓力管道的應(yīng)力分析及評價(jià)

金志浩，劉峻嵩

（沈陽化工大學(xué)， 遼寧 沈陽 110142）

工業(yè)壓力管道被稱作工業(yè)產(chǎn)業(yè)的動(dòng)脈，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，其廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、冶金、機(jī)械、交通運(yùn)輸、醫(yī)藥、食品等重要領(lǐng)域，輸送的介質(zhì)大多具有易燃、易爆、有毒、強(qiáng)腐蝕性及高溫高壓的性質(zhì)，極易發(fā)生泄漏、爆炸、燃燒及中毒事故。壓力管道一旦在使用過程中發(fā)生爆炸、泄漏、斷裂等失效行為，其所造成的后果不管是在財(cái)產(chǎn)方面還是人身安全都將不堪設(shè)想，因而其安全運(yùn)行受到企業(yè)的廣泛關(guān)注［1-3］。

某異形壓力管道是上世紀(jì)50年代制造，并投入使用，其最大工作壓力為 0.6 MPa。隨著時(shí)間的推移，管道逐漸老化，已進(jìn)入“老齡期”。由于設(shè)備耗資巨大，盲目的對其進(jìn)行更新?lián)Q代不但造成資源的浪費(fèi)，也不符合現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)狀況。該設(shè)備的管道部分能否在更高載荷（0.8 MPa）下安全使用不僅對實(shí)驗(yàn)的良好完成起著至關(guān)重要的作用，而且為國家財(cái)產(chǎn)及人的生命安全提供保障。因此對該異形壓力管道的應(yīng)力分析及評價(jià)是十分必要的。本文通過ANSYS有限元軟件對其進(jìn)行應(yīng)力分析，并與應(yīng)變測試儀的測試結(jié)果相比較以確保有限元模型的真實(shí)性，最后根據(jù)JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對更高壓力下的壓力管道進(jìn)行應(yīng)力分析及評價(jià)。

1 壓力管道技術(shù)

壓力管道技術(shù)是一門應(yīng)用技術(shù)，對使用安全的要求，是壓力管道技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)。使用安全涉及到材料、設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢驗(yàn)、使用、管理等諸多環(huán)節(jié)，是一門多學(xué)科交叉的技術(shù)領(lǐng)域。壓力管道的失效，一般是由多種因素綜合作用而引起的，其中三個(gè)主要因素是：設(shè)計(jì)不合理、操作不正確以及在關(guān)鍵部位存在缺陷。壓力管道在制造和使用過程中，由于焊接工藝、壓力加工、熱處理、機(jī)械加工、應(yīng)力水平、腐蝕環(huán)境等原因，將不可避免地產(chǎn)生各種缺陷。且隨著設(shè)備大型化和高強(qiáng)鋼的使用，產(chǎn)生缺陷的可能性隨之增加，因而造成的后果將更為嚴(yán)重［4］。

2 實(shí)驗(yàn)方案

首先用三維繪圖軟件建模，將模型導(dǎo)入ANSYS軟件生成有限元模型并進(jìn)行分析；然后用應(yīng)變測試儀進(jìn)行現(xiàn)場測試，測試壓力分別為0.43 MPa和0.55 MPa，并將實(shí)測結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果相比較，以此來校準(zhǔn)有限元模型的準(zhǔn)確性；最后對改進(jìn)的有限元模型的有限元分析結(jié)果進(jìn)行分析處理，并根據(jù)分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力分析及評價(jià)。

2.1 異形壓力管道概況

該異形壓力管道的管徑為732 mm，最小壁厚約為11 mm，材質(zhì)為Q235，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.25，最低抗拉強(qiáng)度、最低屈服強(qiáng)度、許用應(yīng)力分別為375, 235, 113 MPa，最大工作壓力為0.6 MPa。由于實(shí)驗(yàn)需要，預(yù)計(jì)工作壓力為0.8 MPa。

2.2 有限元模型的建立和分析

運(yùn)用三維繪圖軟件 UG進(jìn)行建模，并導(dǎo)入ANSYS軟件后生成有限元模型。在單元的選擇和網(wǎng)格劃分時(shí)，為了即滿足較好的計(jì)算精度，又考慮計(jì)算的效率，有限元模型采用20節(jié)點(diǎn)SOLID92單元，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.25。由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故采用自由網(wǎng)格劃分，智能網(wǎng)格劃分精度為 6。壓力管道兩端的約束為固支，內(nèi)壓載荷直接施加于管道的內(nèi)表面，分別為0.43 MPa和0.55 MPa。按照第三強(qiáng)度理論通過線性計(jì)算得出應(yīng)力云圖，圖1和圖2分為0.43 MPa和0.55 MPa內(nèi)壓下異形管道的有限元應(yīng)力云圖，目的是分析異形管道的整體應(yīng)力分布情況，為后續(xù)應(yīng)變測試布點(diǎn)做準(zhǔn)備。

圖1 0.4 MPa內(nèi)壓下有限元模型應(yīng)力云圖Fig.1 The stress nephogram of the finite element model under 0.43 MPa pressure

從圖1中可以看出整體模型的應(yīng)力分布情況，在總體結(jié)構(gòu)連續(xù)處應(yīng)力較小；在管道入口處由于分岔管和人孔的影響，導(dǎo)致總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)而使結(jié)構(gòu)在較大范圍內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生變化，即總應(yīng)力顯著增強(qiáng)；而在管道三角形區(qū)域的肋板尖端處，由于結(jié)構(gòu)發(fā)生突變導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)而產(chǎn)生應(yīng)力集中，但它僅使結(jié)構(gòu)在很小范圍內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生變化，而對結(jié)構(gòu)總的應(yīng)力分布和變形無顯著影響。

圖2 0.55 MPa內(nèi)壓下有限元模型應(yīng)力云圖Fig.2 The stress nephogram of the finite element model under 0.55 MPa pressure

2.3 應(yīng)變測試和結(jié)果對比

采用應(yīng)變測試儀，分別在0.43 MPa和0.55 MPa內(nèi)壓下進(jìn)行測量。根據(jù)上述分析，應(yīng)變測試的布點(diǎn)選著在總體結(jié)構(gòu)連續(xù)處、結(jié)構(gòu)不連續(xù)處和最大應(yīng)力附近，共6個(gè)點(diǎn)A，B，C，D，E，F(xiàn)，如圖3所示。

圖3 應(yīng)變測試點(diǎn)布置Fig.3 The location of the strain test points

測量的應(yīng)變值有3個(gè)方向，垂直的兩個(gè)方向分別對應(yīng)管道的軸向和環(huán)向，用X和Y表示，第三方向與X和Y成45°夾角，用Z來表示。具體測量結(jié)果見表1、表2。

表1 0.43 MPa內(nèi)壓的應(yīng)變測試結(jié)果Table 1 The strain testing results under 0.43 MPa pressure

表2 0.55 MPa內(nèi)壓的應(yīng)變測試結(jié)果Table 2 The strain testing results under 0.55 MPa pressure μm

純內(nèi)壓載荷條件下的壓力管道可看成平面應(yīng)變狀態(tài)，由《材料力學(xué)》［5］第七章節(jié)中的平面應(yīng)變狀態(tài)分析，可通過各測點(diǎn)測出的3個(gè)線應(yīng)變求得其主應(yīng)力的大小，并與ANSYS有限元結(jié)果對比，詳細(xì)結(jié)果見表3、表4。

表3 0.43 MPa壓力下實(shí)測應(yīng)力與有限元結(jié)果對比Table 3 The stress testing results comparing with the finite element results under 0.43 MPa pressure

表4 0.55 MPa壓力下實(shí)測應(yīng)力與有限元結(jié)果對比Table 4 The stress testing results comparing with the finite element results under 0.55 MPa pressure

從表3、表4可以看出有限元結(jié)果與實(shí)際應(yīng)變測試比較一致，即創(chuàng)建的有限元模型與實(shí)際符合，具有較好的可行性。而造成偏差的主要原因是由于現(xiàn)場測試過程中本身會(huì)存在一些不確定的因素，如加載速度不易控制，記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)時(shí)的延遲，以及人為操作因素的影響等。

2.4 0.8MPa內(nèi)壓下的壓力管道應(yīng)力分析

將上述有限元模型的載荷刪除，并施加新的載荷（0.8 MPa），該管道的應(yīng)力分布情況如圖4所示。

圖4 0.8 MPa內(nèi)壓下有限元模型應(yīng)力云圖Fig.4 The stress nephogram of the finite element model under 0.8 MPa pressure

從圖4中可以看出整體模型的總體應(yīng)力很小，為40 MPa左右，安全性完全滿足要求。最大應(yīng)力在發(fā)生在三角形區(qū)肋板的尖端處，最大應(yīng)力值為344.722 MPa。局部應(yīng)力過大，這是由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生應(yīng)力集中原因造成的，因此需要對其進(jìn)行安全評定。

2.5 壓力管道安全評定

本文壓力管道的安全評定是按照 JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行的。根據(jù)該管道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及載荷條件，沿厚度方向選取了 4條路徑，如圖5所示。

圖5 路徑示意圖Fig.5 The path schematic diagram

然后，利用ANSYS軟件提取路徑處的線性化應(yīng)力結(jié)果，圖6、7、8、9分別為沿路徑B-A、D-C、F-E、H-G的線性化應(yīng)力圖。

圖6 沿路徑B-A的線性化應(yīng)力圖Fig.6 The linearized stress on path B-A

從圖6可以看出，總體結(jié)構(gòu)連續(xù)處的薄膜應(yīng)力較小約為26.58 MPa，最大總應(yīng)力（薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力）為28.53 MPa。從圖7、8、9中可以看出，在三角形區(qū)肋板的尖端附近無峰值應(yīng)力，只有薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，且彎曲應(yīng)力較大。

圖7 沿路徑D-C的線性化應(yīng)力圖Fig.7 The linearized stress on path D-C

圖8 沿路徑F-E的線性化應(yīng)力圖Fig.8 The linearized stress on path F-E

圖9 沿路徑H-G的線性化應(yīng)力圖Fig.9 The linearized stress on path H-G

對所選路徑的應(yīng)力進(jìn)行分類和強(qiáng)度校核，詳細(xì)結(jié)果見表6。

3 結(jié)束語

本文通過應(yīng)變測試和有限元結(jié)果對比，驗(yàn)證了異形壓力管道有限元模型的準(zhǔn)確性；對該模型在0.8MPa內(nèi)壓下進(jìn)行了應(yīng)力分析，并按照J(rèn)B4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對其應(yīng)力進(jìn)行分類及評價(jià)。結(jié)果表明：盡管在三角區(qū)肋板的尖端處應(yīng)力比較大，但其仍能滿足安全要求，即該異形壓力管道能夠在 0.8 MPa內(nèi)壓下安全運(yùn)行。

表6 安全評定結(jié)果Table6 Safety evaluation result

［1］ 劉展，王智平，俞樹榮,等.壓力管道風(fēng)險(xiǎn)管理理論研究－壓力管道風(fēng)險(xiǎn)管理理論及其關(guān)鍵技術(shù)研究(1)[J].石油化工設(shè)備，2007，36(5)：1-4.

［2］ 董玉華，周敬恩，高惠臨,等.長輸管道穩(wěn)態(tài)氣體泄漏率的計(jì)算[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2002，21(8)：11-5

［3］ 董玉華，高惠臨，周敬恩,等.長輸管道定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法研究[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2001，20(8)：5-8.

［4］ 關(guān)衛(wèi)和.高溫環(huán)境下壓力容器與管道超聲橫波檢測方法研究及影響因素[D].杭州：浙江大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，2004-05.

［5］ 劉鴻文.材料力學(xué) I[M].4版.北京：高等教育出版社，2004-01：237-246.

［6］ 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB4732-30764《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995：11-18.