異形壓力管道的應力分析及評價

金志浩，劉峻嵩

（沈陽化工大學， 遼寧 沈陽 110142）

工業壓力管道被稱作工業產業的動脈，在國民經濟中占有重要的地位，其廣泛應用于石油化工、電力、冶金、機械、交通運輸、醫藥、食品等重要領域，輸送的介質大多具有易燃、易爆、有毒、強腐蝕性及高溫高壓的性質，極易發生泄漏、爆炸、燃燒及中毒事故。壓力管道一旦在使用過程中發生爆炸、泄漏、斷裂等失效行為，其所造成的后果不管是在財產方面還是人身安全都將不堪設想，因而其安全運行受到企業的廣泛關注［1-3］。

某異形壓力管道是上世紀50年代制造，并投入使用，其最大工作壓力為 0.6 MPa。隨著時間的推移，管道逐漸老化，已進入“老齡期”。由于設備耗資巨大，盲目的對其進行更新換代不但造成資源的浪費，也不符合現實經濟狀況。該設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驗的良好完成起著至關重要的作用，而且為國家財產及人的生命安全提供保障。因此對該異形壓力管道的應力分析及評價是十分必要的。本文通過ANSYS有限元軟件對其進行應力分析，并與應變測試儀的測試結果相比較以確保有限元模型的真實性，最后根據JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》對更高壓力下的壓力管道進行應力分析及評價。

1 壓力管道技術

壓力管道技術是一門應用技術，對使用安全的要求，是壓力管道技術的一個顯著特點。使用安全涉及到材料、設計、制造、安裝、檢驗、使用、管理等諸多環節，是一門多學科交叉的技術領域。壓力管道的失效，一般是由多種因素綜合作用而引起的，其中三個主要因素是：設計不合理、操作不正確以及在關鍵部位存在缺陷。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、機械加工、應力水平、腐蝕環境等原因，將不可避免地產生各種缺陷。且隨著設備大型化和高強鋼的使用，產生缺陷的可能性隨之增加，因而造成的后果將更為嚴重［4］。

2 實驗方案

首先用三維繪圖軟件建模，將模型導入ANSYS軟件生成有限元模型并進行分析；然后用應變測試儀進行現場測試，測試壓力分別為0.43 MPa和0.55 MPa，并將實測結果與有限元計算結果相比較，以此來校準有限元模型的準確性；最后對改進的有限元模型的有限元分析結果進行分析處理，并根據分析設計標準進行應力分析及評價。

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，材質為Q235，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.25，最低抗拉強度、最低屈服強度、許用應力分別為375, 235, 113 MPa，最大工作壓力為0.6 MPa。由于實驗需要，預計工作壓力為0.8 MPa。

2.2 有限元模型的建立和分析

運用三維繪圖軟件 UG進行建模，并導入ANSYS軟件后生成有限元模型。在單元的選擇和網格劃分時，為了即滿足較好的計算精度，又考慮計算的效率，有限元模型采用20節點SOLID92單元，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.25。由于模型結構復雜，故采用自由網格劃分，智能網格劃分精度為 6。壓力管道兩端的約束為固支，內壓載荷直接施加于管道的內表面，分別為0.43 MPa和0.55 MPa。按照第三強度理論通過線性計算得出應力云圖，圖1和圖2分為0.43 MPa和0.55 MPa內壓下異形管道的有限元應力云圖，目的是分析異形管道的整體應力分布情況，為后續應變測試布點做準備。

圖1 0.4 MPa內壓下有限元模型應力云圖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力分布情況，在總體結構連續處應力較??；在管道入口處由于分岔管和人孔的影響，導致總體結構不連續而使結構在較大范圍內的應力和應變發生變化，即總應力顯著增強；而在管道三角形區域的肋板尖端處，由于結構發生突變導致局部結構不連續而產生應力集中，但它僅使結構在很小范圍內的應力和應變發生變化，而對結構總的應力分布和變形無顯著影響。

圖2 0.55 MPa內壓下有限元模型應力云圖Fig.2 The stress nephogram of the finite element model under 0.55 MPa pressure

2.3 應變測試和結果對比

采用應變測試儀，分別在0.43 MPa和0.55 MPa內壓下進行測量。根據上述分析，應變測試的布點選著在總體結構連續處、結構不連續處和最大應力附近，共6個點A，B，C，D，E，F，如圖3所示。

圖3 應變測試點布置Fig.3 The location of the strain test points

測量的應變值有3個方向，垂直的兩個方向分別對應管道的軸向和環向，用X和Y表示，第三方向與X和Y成45°夾角，用Z來表示。具體測量結果見表1、表2。

表1 0.43 MPa內壓的應變測試結果Table 1 The strain testing results under 0.43 MPa pressure

表2 0.55 MPa內壓的應變測試結果Table 2 The strain testing results under 0.55 MPa pressure μm

純內壓載荷條件下的壓力管道可看成平面應變狀態，由《材料力學》［5］第七章節中的平面應變狀態分析，可通過各測點測出的3個線應變求得其主應力的大小，并與ANSYS有限元結果對比，詳細結果見表3、表4。

表3 0.43 MPa壓力下實測應力與有限元結果對比Table 3 The stress testing results comparing with the finite element results under 0.43 MPa pressure

表4 0.55 MPa壓力下實測應力與有限元結果對比Table 4 The stress testing results comparing with the finite element results under 0.55 MPa pressure

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

2.4 0.8MPa內壓下的壓力管道應力分析

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

圖4 0.8 MPa內壓下有限元模型應力云圖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力很小，為40 MPa左右，安全性完全滿足要求。最大應力在發生在三角形區肋板的尖端處，最大應力值為344.722 MPa。局部應力過大，這是由于局部結構不連續產生應力集中原因造成的，因此需要對其進行安全評定。

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-分析設計標準》進行的。根據該管道的結構特點及載荷條件，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力結果，圖6、7、8、9分別為沿路徑B-A、D-C、F-E、H-G的線性化應力圖。

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

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

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

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

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

對所選路徑的應力進行分類和強度校核，詳細結果見表6。

3 結束語

本文通過應變測試和有限元結果對比，驗證了異形壓力管道有限元模型的準確性；對該模型在0.8MPa內壓下進行了應力分析，并按照JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》的分析設計準則對其應力進行分類及評價。結果表明：盡管在三角區肋板的尖端處應力比較大，但其仍能滿足安全要求，即該異形壓力管道能夠在 0.8 MPa內壓下安全運行。

表6 安全評定結果Table6 Safety evaluation result

［1］ 劉展，王智平，俞樹榮,等.壓力管道風險管理理論研究－壓力管道風險管理理論及其關鍵技術研究(1)[J].石油化工設備，2007，36(5)：1-4.

［2］ 董玉華，周敬恩，高惠臨,等.長輸管道穩態氣體泄漏率的計算[J].油氣儲運，2002，21(8)：11-5

［3］ 董玉華，高惠臨，周敬恩,等.長輸管道定量風險評價方法研究[J].油氣儲運，2001，20(8)：5-8.

［4］ 關衛和.高溫環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：浙江大學材料與化學工程學院，2004-05.

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

［6］ 全國壓力容器標準化技術委員會.JB4732-30764《鋼制壓力容器-分析設計標準》[S].北京：中國標準出版社，1995：11-18.