聚四氟乙烯金屬網罩軟管失效分析

盧江，王一寧

(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇南京 210036)

0 引言

某公司用于輸送極度危害介質的聚四氟乙烯(F4)金屬網罩軟管(以下簡稱:軟管)，在操作前端閥門時發生破裂，現對該軟管的破裂進行分析，確定其破裂的原因。

該DN65 mm×400/P2.5 MPa軟管的套管鋼絲直徑d0.378 mm，F4波紋管內徑D60 mm，波高 9 mm，壁厚1.7 mm，波距13.5 mm。失效的軟管如圖1所示。

對破裂的軟管中F4內襯斷口、絲網斷口和鋼絲斷口進行掃描電鏡觀察，確定軟管的斷裂形式;應用計算流體力學軟件(FLUENT)和結構分析有限元軟件(ABAQUS)對實際工況的管道內流速、壓力分布以及應力分布進行模擬分析，從而確定該軟管失效發生的直接原因。

圖1 發生失效的軟管

2 失效軟管形貌分析

2.1 失效軟管外觀檢查

圖2 F4內襯的裂紋示意圖

失效后的軟管照片如圖2、圖3所示。從圖2破裂的斷口看，其原因是由于管道局部壓力瞬間升高造成的;從圖3中可以看出，軟管表面并不平整，直徑不一致，局部位置的直徑明顯大于公稱直徑，可見該部分是由于絲網承受過高壓力而發生了塑性變形從圖3中還可以看出在軟管沒有破裂處的絲網中鋼絲已有多處斷裂。為保持F4內襯波紋管形狀的鋼絲也已全部斷裂，這也進一步證實該軟管是在比較高的壓力下造成失效。

圖3 軟管外形圖

2.2 材料掃描電鏡觀察

對軟管中斷口進行掃描電鏡觀察和能譜分析。由于所裝介質具有較強的腐蝕性，泄漏后未及時清洗，絲網和鋼絲腐蝕比較嚴重，獲得的電鏡圖不能反應真實情況，現給出部分圖僅供參考。

圖4為絲網斷口掃描電鏡圖以及能譜分析圖，由此可以看出，絲網腐蝕比較嚴重，有明顯的腐蝕裂紋;對裂紋部分進行能譜分析。圖5為鋼絲斷口，該電鏡圖中可以明顯看出有疲勞裂紋，說明使用過程中頻繁壓力沖擊，已經發生局部疲勞損傷。

泄漏后金屬絲網和鋼絲腐蝕嚴重，對材料性能影響很大，由絲網和鋼絲的斷口掃描電鏡圖不能直接給出結論。由于軟管內襯主要起防腐作用，不起承載作用。而軟管內襯為F4，不容易被腐蝕，可以根據F4內襯的斷口掃描電鏡圖知道軟管為脆性斷裂。據此可以推斷，軟管的破裂是由于瞬間高壓導致絲網或鋼絲斷裂，當絲網或者鋼絲斷裂后，軟管的F4內襯由于不具備承載能力也隨之破裂，從而造成了整個軟管的破裂。與發生斷裂的軟管斷口以及軟管外型比較吻合。

3 液體錘擊分析

經以上分析，需要確定導致軟管失效的瞬間高壓是如何產生的。管線整體模型如圖6所示。根據現場數據分析，迅速關閉前端閥門(圖6)導致閥門附近管道發生錘擊現象，使閥門附近管道局部壓力過高。采用FLUENT軟件對液體錘擊進行模擬。

圖6 管線整體模型圖

3.1 邊界條件

壓力進出口邊界:根據廠家提供的數據:進口壓力0.80 MPa，出口壓力 0.438 MPa。

3.2 管道錘擊分析

當壓力管道中的流體因某些原因而產生流速的急劇變化時，由于流體的慣性作用而引起管道的流體壓力急劇變化，這種現象作為水錘現象或流體瞬變過程。

在壓力管道含氣的情況下，或者管道壓力未達到飽和蒸汽壓，按照波爾氣體定律，會在液體中產生空洞而造成液柱分離現象，在錘擊發生時發生空泡潰滅，會大大加重液體的錘擊壓力。

由于介質是進行加壓后輸送的，在輸送過程中可能夾帶少量氣體，所以分析本文的錘擊現象屬于氣液兩相錘擊現象(空泡潰滅)，比單純的液體錘擊危害更大。

以下定量分析前端閥門不同的關閉時間(5 s，8 s，10 s)對最大錘擊壓力的影響。

根據5 s關閉前端閥門的FLUENT模擬結果，可以由《流體力學》相似理論提供的近似公式，推算8 s，10 s最大錘擊壓力的計算，計算公式如下:

最大壓力:Hmax=H0+ΔHmax

5 s關閉前端閥門模擬結果如圖7、圖8所示，圖7表示管道的局部計算模型，模型長度900 mm，公稱直徑DN65，氣液兩相入口壓力取前步驟模擬計算的壓力平均值，閥門為動網格模擬，圖8為圖7中前端閥門放大的區域壓力云圖，從圖中可以看出，5 s關閉前端閥門時，前端閥門前端局部最大錘擊壓力達到15.5 MPa。

根據相似理論計算得到:

8 s最高錘擊壓力為9.69 MPa;

10 s最高錘擊壓力為7.56 MPa。

由此可以得出5 s，8 s，10 s關閉前端閥門時，閥門前端的最大壓力值:

Hmax，5s=H0+ ΔHmax，5s=0.8+15.5=16.3 MPa;

Hmax，8s=H0+ ΔHmax，8s=0.8+9.69=10.49 MPa;

Hmax，10s=H0+ ΔHmax，10s=0.8+7.56=8.36 MPa。

4 軟管的應力分析

軟管結構如圖9所示，僅受到內壓載荷的作用，在FLUENT有限元分析的基礎上應用大型有限元軟件ABAQUS對該軟管的應力狀態進行分析和校核。

4.1 計算數據

由上述液體錘擊分析模型可得前端閥門關閉時間為5 s時，閥門前端局部壓力最大達到16.3 MPa;8 s時閥門前端局部壓力最大達到10.49 MPa;10 s時閥門前端局部壓力最大達到為8.36 MPa。

金屬絲網不銹鋼鋼絲材料為302，彈性模量184 GPa，泊松比0.3，屈服強度248 MPa，拉伸強度520 MPa;

波紋管為F4材料，彈性模量為58.9 MPa，泊松比0.3，屈服強度為12 MPa;

圖9 結構示意圖

鋼管材料為20#鋼，彈性模量為206 GPa，泊松比0.3，屈服強度為283 MPa。

4.2 有限元分析模型

根據管道的結構特點，從偏安全考慮，模型略去法蘭，選取一段管道進行分析，采用了三維力學可變形實體模型，對管道進行彈塑性計算分析。有限元網格劃分，網格劃分如圖10所示，單元總數:110 149。有限元模型建立位移邊界條件，取管道靠近法蘭一段界面建立約束，加內壓均布載荷。

圖10 網格示意圖

4.3 有限元分析結果

根據FLUENT計算模擬結果，5 s關閉前端閥門前端局部最大壓力為16.3 MPa，施加均布載荷。

圖11為16.3 MPa的局部壓力下的結果云圖，上端為靠近法蘭連接處。圖中顯示最大Mises應力達到1 195 MPa，遠大于鋼絲的抗拉強度520 MPa。

同時針對8 s，10 s關閉前端閥門時產生的最大壓力10.49 MPa，8.36 MPa的作用下進行管道應力分析，得出計算結果見應力云圖(圖12、圖13)，圖中顯示:8 s關閉前端閥門時，最大Mises應力達到965.2 MPa，10 s關閉前端閥門時，最大Mises應力達到717.1 MPa。

5 結語

根據金相分析，流體計算力學以及管道應力分析可以得出以下結論:

1)軟管的破裂是由于瞬間高壓導致絲網或鋼絲斷裂，當絲網或者鋼絲斷裂后，軟管的F4內襯由于不具備承載能力也隨之破裂，從而造成了整個軟管的破裂。從電鏡掃描圖中可以明顯看出有疲勞裂紋，說明使用過程中有頻繁壓力沖擊，已經發生局部疲勞損傷。

2)管道產生氣液錘擊壓力隨關閥時間的增大而減小，計算得到5 s關閉前端閥門的最大壓力為16.3 MPa，8 s為10.49 MPa，10 s為8.36 MPa。理論上分析當前端閥門關閉無限緩慢時，錘擊壓力可無限的減小;同時，在前端閥門關閉的初始階段(從全開狀態開始關閉)，管中流速幾乎沒有什么變化，可以關的較快，不會產生大的錘擊壓力。

3)在5 s，8 s，10 s關閉前端閥門(在1#閥門不關閉的情況下)的情況下，鋼絲網套最大Mises應力分別為1 195 MPa，956.2 MPa 和 717.1 MPa。結果顯示，在 5 s，8 s，10 s關閉前端閥門的情況下，其最大應力遠遠超過鋼絲的抗拉強度520 MPa。

所以該軟管的失效，是由于關閉閥門過快，產生的錘擊力遠超過軟管的承受能力，從而導致破裂。

［1］歐陽小琴.某液壓金屬紡織軟管失效分析［J］.材料工程，2003，1.

［2］GTB2837-97，聚四氟乙稀軟管組件規范.國家軍用標準［GJB］.

［3］杜金強，朱伯偉.兩種高壓軟管接頭組件的非線性有限元對此分析［J］機械設計，2010(11).