襯氟管道在一定溫度下管徑與長度變化的熱應力仿真分析

何云飛 尹華金 黃顏鋒 高英（湖北興發(fā)化工集團股份有限公司,湖北 宜昌 443007）

聚四氟乙烯聚四氟乙烯被稱“塑料王”，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。中文商品名“特氟隆”（teflon)、“特氟龍”、“特富隆”、“泰氟龍”等。它是由四氟乙烯經(jīng)聚合而成的高分子化合物，其結(jié)構(gòu)簡式為-[-CF2-CF2-]n-，具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性，是當今世界上耐腐蝕性能最佳材料之一，除熔融堿金屬、三氟化氯、五氟化氯和液氯外，能耐其它一切化學藥品，在王水中煮沸也不起變化，廣泛應用于各種需要抗酸堿和有機溶劑的場合。

1 鋼襯聚四氟乙烯（F4）管道在一定溫度下管徑與長度變化的熱應力仿真模型

在鋼襯聚四氟乙烯（F4）管道在一定溫度下管徑與長度變化的熱應力仿真模擬中，長度值為200至3000mm，200mm的遞增，2mm聚四氟乙烯壁厚，3mm壁厚鋼管的直徑數(shù)據(jù)為32mm、38mm、48mm、57mm、76mm、89mm、108mm、133mm、159mm、219mm、273mm、325mm、377mm、426mm，分析的溫度值為170℃之間。簡化分析為聚四氟乙烯管，施加X向及Y向位移約束于管外徑曲面上，并施加X向、Y向、Z向位移約束于管的一個截面上（即，四氟層在長度方向上向一側(cè)軸向移動）。

聚四氟乙烯物理性能參照以前數(shù)據(jù):密度為2200Kg/m3，導熱系數(shù)為0.256W/m·K，比熱為1.05e-5J/kg·K，線膨脹系數(shù)為12.8e-5/℃，摩擦系數(shù)0.11，泊松比為0.4，初始溫度為20℃。

2 聚四氟乙烯仿真分析及結(jié)果

在熱仿真模擬分析中，溫度為170℃，壁厚為2mm，聚四氟乙烯管對管內(nèi)液體為強制對流，對流換熱系數(shù)為1000W/(m^2·℃)。

圖1、2mmPTFE管道不同管徑下對應長度遞增的變形量

利用ANSYS有限元分析軟件的穩(wěn)態(tài)分析，得出在170℃的溫度條件下，不同管徑的聚四氟乙烯管(32mm、38mm、48mm、57mm、76mm、89mm、108mm、133mm、159mm、219mm、273mm、325mm、377mm、426mm)在不同長度下的熱變形量的數(shù)值，依據(jù)這一系列對應的變形數(shù)值，利用origin7.5建立了分析結(jié)果線圖（如圖1、2mmPTFE管道不同管徑長度對應的變形量所示）。根據(jù)線圖可以得出，2mm厚度聚四氟乙烯管道，隨長度的遞增，200mm的遞增量的單位變形量隨管徑的增大逐漸減小，通過線圖所示可見400mm內(nèi)徑的管道200mm遞增量的變形數(shù)值只有6.14mm左右，而25mm內(nèi)徑的的變形數(shù)值達到6.88mm，上述的分析數(shù)值還能得出管徑也小，其遞增變形量的波動也大，隨著管徑的增大，變形量是趨于穩(wěn)定值。

圖2、2mmPTFE管道不同管徑下長度對應的變形云圖

根據(jù)上述數(shù)據(jù)建立的云圖（圖2、2mmPTFE管道不同管徑下長度對應的變形云圖），從云圖中可以發(fā)現(xiàn):對于整體的聚四氟乙烯管道來說，一定溫度下對應的管徑與長度的變形量處于一個平面內(nèi)，在整體考慮時可以不做微觀處理，即可以不考慮管徑對變形量的考慮，按照單位長度折算變形量即可。

3 結(jié)語

通過一定溫度條件下，2mm壁厚的聚四氟乙烯管不同管徑及長度的的仿真分析，得出了長度及管徑的關(guān)聯(lián)信息，通過分析結(jié)果可見，使用鋼襯聚四氟乙烯管過程中，對于長度及管徑的關(guān)系，整體考慮時只要考慮長度關(guān)系即可，管徑對變形量的影響可以忽略不計。溫度一定的條件下，只要鋼襯聚四氟乙烯管道的長度，可以保證管道變形在一個可接受的范圍內(nèi)，并且確保在使用過程中不會因為溫度的徒然變化導致管內(nèi)襯里撕裂。以上結(jié)論只是利用仿真分析所得結(jié)果，有待于生產(chǎn)或?qū)嵺`來論證，但是通過仿真可以節(jié)約大量的人力、物力、時間。將在以后的過程中，繼續(xù)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使用信息。

[1]聶興臻,黃顏鋒,劉奇英.襯氟管道的熱應力仿真分析[J]北京:化工管理，2014年9月總第349期,154-155.

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