襯氟管道的形變量仿真分析

聶興臻 黃顏鋒 劉奇英（湖北興發(fā)化工集團(tuán)股份有限公司 443007）

聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethene）一般稱作“不粘涂層”或“易潔鑊物料”；是一種使用了氟取代聚乙烯中所有氫原子的人工合成高分子材料。這種材料具有抗酸抗堿、抗各種有機(jī)溶劑的特點(diǎn)，幾乎不溶于所有的溶劑。同時(shí)，聚四氟乙烯具有耐高溫的特點(diǎn)，它的摩擦系數(shù)極低，所以可作潤滑作用之余，亦成為了易潔鑊和水管內(nèi)層的理想涂料。在化工生產(chǎn)中，強(qiáng)酸強(qiáng)堿性物料必不可少，因而鋼襯聚四氟乙烯（PTFE）管道應(yīng)運(yùn)而生，經(jīng)過多年來的實(shí)際使用得出，直接影響其使用壽命和性能穩(wěn)定的因素是溫度、壓力、介質(zhì)等。由于內(nèi)襯是聚四氟乙烯，故而鋼襯聚四氟乙烯（PTFE）管道具有如下特點(diǎn)：1、使用溫度高：在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)條件下，可以滿足使用溫度范圍-60℃～150℃，在此溫度范圍內(nèi)（除了熔融堿金屬、元素氟及芳香烴類外），可滿足所有化學(xué)介質(zhì)。2、耐高壓：在溫度使用范圍內(nèi)，可承受高達(dá)3Mpa的使用壓力。3、抗?jié)B透：選用優(yōu)質(zhì)的聚四氟乙烯樹脂，經(jīng)過先進(jìn)襯里工藝加工成高密度、足夠厚度的PTFE襯里層，使產(chǎn)品具有優(yōu)越的抗?jié)B透性。

一、鋼襯聚四氟乙烯（PTFE）管道使用現(xiàn)狀

鋼襯聚四氟乙烯管件在使用過程中，由于使用溫度的變化，容易出現(xiàn)襯氟層的撕裂或斷裂（見圖1所示，圖1襯聚四氟乙烯管件撕裂破壞狀況），而且發(fā)生此類狀況的一般為長管件。產(chǎn)生上述情況，由于聚四氟乙烯和碳鋼的熱膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)致襯聚四氟乙烯管道在熱脹冷縮的狀況下，熱形變不一致，產(chǎn)生的局部破損嚴(yán)重，從而出現(xiàn)撕裂或斷裂。聚四氟乙烯的線膨脹系數(shù)為鋼的10～20倍（聚四氟乙烯：（25～250℃）10～12×10-5/℃；碳鋼：（20-200℃）12.32e-6），比多數(shù)塑料大，其線膨脹系數(shù)隨著溫度的變化而發(fā)生變化。考慮到生產(chǎn)過程的要節(jié)約備用件的儲(chǔ)存，即減少后期維護(hù)成本，并通過此類分析，得出聚四氟乙烯管隨厚度的變化關(guān)系及隨溫度及長度的變化關(guān)系，厚度的關(guān)系，有利于采購的過程中確定襯聚四氟乙烯管件長度尺寸。

二、鋼襯聚四氟乙烯（PTFE）管道形變量仿真分析的模型

考慮到鋼襯聚四氟乙烯管件的復(fù)雜性，在此形變分析中，采用的模型為外徑為57mm的鋼管，鋼管壁厚為3mm，內(nèi)襯聚四氟乙烯（PTFE或F4），聚四氟乙烯的厚度為2mm、3mm、4mm及5mm，即聚四氟乙烯管的管外徑為51mm。考慮實(shí)際使用溫度為150～170℃之間，分析的溫度值采用了100～180℃之間，間隔為10℃。考慮到分析的簡化，直接使用聚四氟乙烯管，由于液體在鋼襯聚四氟乙烯管流動(dòng)，使管內(nèi)具有一定的壓力，保證了聚四氟乙烯管的外壁與鋼管一直緊密接觸，故在管外徑曲面上施加X向及Y向位移約束（即在四氟管外表面上施加周向約束，四氟層在長度方向上具有軸向移動(dòng)）。此模型中主要分析聚四氟乙烯的形變，為了體現(xiàn)形變的綜合值，故在管的一個(gè)截面上施加X向、Y向、Z向位移約束（即，四氟層在長度方向上向一側(cè)軸向移動(dòng)）。

聚四氟乙烯性能參數(shù)的取值：導(dǎo)熱系數(shù)為0.256W/m?K，密度為2200Kg/m3，線膨脹系數(shù)為12.8e-5/℃，比熱為1.05e-5 J/kg·K ，泊松比為0.4，摩擦系數(shù)0.11。

三、聚四氟乙烯仿真分析

1.聚四氟乙烯管（4mm）在不同溫度及長度下的分析

考慮生產(chǎn)實(shí)際中，鋼襯聚四氟乙烯管件使用溫度一般在150～170℃之間，使用的聚四氟乙烯的厚度在3.5mm左右，在此分析中，選用160℃作為仿真分析時(shí)的聚四氟乙烯管內(nèi)液體的溫度，選用4mm作為仿真分析時(shí)的聚四氟乙烯管壁厚，四氟乙烯管對管內(nèi)液體的對流換熱考慮為強(qiáng)制對流，對流換熱系數(shù)為1000W/（m^2·℃）。

采用ANSYS有限元分析軟件，由于考慮的是最終結(jié)果的影響，利用穩(wěn)態(tài)分析，得出在160℃內(nèi)部液體的作用下，200mm長、4mm壁厚聚四氟乙烯管的變形量為6.175mm（如圖3聚四氟乙烯管仿真分析結(jié)果（L=200mm）所示）。根據(jù)200mm長的管件的變形分析結(jié)果，將液體的溫度變化范圍設(shè)置為100、110、120、130、140、150、160、170、180℃等9個(gè)值，而聚四氟乙烯管的長度設(shè)置為200、400、600、800、1000、1200、1400、1600、1800、2000mm等10個(gè)值進(jìn)行全范圍的分析，得出一系列的變形數(shù)值，利用origin7.5建立了分析結(jié)果云圖（如圖4聚四氟乙烯管仿真分析結(jié)果云圖（4mm）所示）。

根據(jù)所得云圖可以得出，在一定的厚度（4mm）下，同長度下隨著管內(nèi)液體溫度的升高，聚四氟乙烯變形量（伸長量）成線性變化，在同管內(nèi)液體溫度下也隨聚四氟乙烯管的長度成線性變化，也即在一定厚度下，聚四氟乙烯管的熱形變是一個(gè)線性變化，可以根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)得出具體的數(shù)值，有利于實(shí)際運(yùn)用中根據(jù)此結(jié)果進(jìn)行查詢，得出在不同溫度及管徑下最佳的鋼襯聚四氟乙烯管件長度。

2.不同長度及厚度的聚四氟乙烯管在160℃的分析

考慮生產(chǎn)實(shí)際中，鋼襯聚四氟乙烯管件使用溫度一般在150～170℃之間，使用的聚四氟乙烯的厚度在3.5mm左右，在此分析中，在此“3.1聚四氟乙烯管（4mm）在不同溫度及長度下的分析”比較中，選用160℃作為仿真分析時(shí)的聚四氟乙烯管內(nèi)液體的溫度，選用2mm、3mm、4mm、5mm作為仿真分析時(shí)的聚四氟乙烯管壁厚，而聚四氟乙烯管的長度設(shè)置為200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1400、1500、1600、1800、1900、2000、2200、2400、2600、2800、3000mm等22個(gè)值進(jìn)行全范圍的分析，將分析的結(jié)果統(tǒng)計(jì)歸納，利用origin7.5建立了有關(guān)壁厚及長度的分析結(jié)果線圖（如圖5所示，聚四氟乙烯管在160℃液體作用下不同的壁厚同長度的真分析結(jié)果線圖），由此可見，聚四氟乙烯管的形變量同管長度是成線性變化，而且變化同聚四氟乙烯管的壁厚是有密切關(guān)系的，在圖6聚四氟乙烯管仿真分析結(jié)果線圖（內(nèi)部液體溫度為160℃，聚四氟乙烯管管長為200至1200mm局部詳細(xì)線圖）中，可以看出，聚四氟乙烯壁厚越厚，其在線圖中的斜率越大，即在相同的溫度下，其形變量越大，而且斜率還是一個(gè)恒定值。

根據(jù)上述的分析結(jié)果，將其聚四氟乙烯管壁厚對應(yīng)的形變量增量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，再利用origin7.5建立了有關(guān)壁厚及長度的分析結(jié)果線圖（如圖7所示，聚四氟乙烯管在160℃液體作用下，不同壁厚管在不同長度下對應(yīng)的形變量增量線圖，其值取的為每100mm管長的增量值），由此可見，壁厚對應(yīng)的形變量增量是一個(gè)幾乎恒定值，2mm的壁厚對應(yīng)的100mm形變量增量的值為2.964mm，而3mm的為3.017mm、4mm為3.075mm、5mm為3.136mm。

小結(jié)

通過以上有關(guān)聚四氟乙烯管的形變量的分析，得出了相關(guān)的管長、使用溫度、壁厚的相關(guān)關(guān)聯(lián)信息，由于本文只是利用簡化模型分析，還未加入管徑等相關(guān)信息，有待于進(jìn)一步的完善，但是通過相關(guān)結(jié)果可見，使用鋼襯聚四氟乙烯管，要充分考慮聚四氟乙烯管的使用溫度或壁厚，再來選擇合適的長度，這樣可以充分保證鋼襯聚四氟乙烯管管內(nèi)襯里在一個(gè)可預(yù)見的范圍內(nèi)，這樣可控，并且可以保證在使用過程中不會(huì)因?yàn)橥饺坏臏囟茸兓瘜?dǎo)致鋼襯聚四氟乙烯管管內(nèi)襯里撕裂。以上只是利用仿真分析所得結(jié)果，有待于實(shí)驗(yàn)來論證，但是通過相關(guān)仿真可以節(jié)約大量的人力、物力、時(shí)間。將在以后的過程中，通過相關(guān)系列的仿真分析來完善相關(guān)的鋼襯聚四氟乙烯管信息。

[1]康玉昆化工用襯四氟管的損壞分析和處理[J]化工設(shè)備與管道 2010年10月第47卷第5期 57～60.

[2]張朝輝 ANSYS8.0熱分析教程與實(shí)例解析[M]北京：中國鐵道出版社，2005.