高壓聚乙烯裝置超高壓反應管內腐蝕缺陷有限元分析

任世科 劉雪梅 張振杰

(中國石油蘭州石化公司研究院)

高壓聚乙烯裝置超高壓反應管內腐蝕缺陷有限元分析

任世科**劉雪梅 張振杰

(中國石油蘭州石化公司研究院)

基于Von Mises 屈服準則，采用有限元彈塑性分析方法對含腐蝕缺陷的高壓聚乙烯裝置超高壓反應管道的應力分布進行有限元分析，研究腐蝕缺陷的長度、寬度和深度對壓力管道極限載荷的影響，把分析得到的臨界失效狀態下的壁厚作為超高壓管道爆破的安全閾值。

管道 超高壓管式反應器 腐蝕缺陷 極限載荷 有限元分析

超高壓管式反應器(超高壓反應管道)是石化產業生產裝置的關鍵設備之一，在生產過程中反應器內的工作壓力屬于超高壓，而且操作溫度一般在200℃以上。反應器中的介質具有易爆特性，超高壓管式反應器在役期間受到開停工循環載荷、正常操作條件下的壓力和溫度波動、伺服閥動作產生的脈動壓力沖擊、管內介質發生超溫分解反應時的熱沖擊、交變應力及冷卻水等作用，這些因素單獨或者綜合作用時會引起超高壓管式反應器內自增強殘余應力的松弛和材料損傷，或內表面產生表面裂紋，或發生部分腐蝕現象。腐蝕現象的發生將降低設備的安全性，因此如何有效地對超高壓管式反應器內的腐蝕缺陷進行分析研究具有重大的現實意義[1～4]。

高壓聚乙烯裝置超高壓反應管道內發生部分腐蝕呈現各種缺陷，如點蝕、環向及軸向腐蝕等。筆者基于Von Mises 屈服準則，采用有限元彈塑性分析方法對含缺陷的壓力管道進行有限元分析，研究腐蝕缺陷的長度、寬度和深度對壓力管道極限載荷的影響。

1 建模依據

文中主要涉及到熱分析、結構分析和耦合分析，應用熱-結構耦合分析，在熱分析結果的基礎上對管道腐蝕模型進行有限元分析，模擬實際管道的工作情況。

根據圣維南定理[5]，為了消除邊界效應，分析模型的長度取管線直徑的3～5倍，這里取腐蝕尺寸的10倍及以上。同時為減少分析時間取模型的1/8加邊界對稱約束來分析。以國際標準單位建模，并考慮到環向腐蝕作為一種特殊的軸向腐蝕，將兩者合為一種情況進行分析。圖1為軸向腐蝕和點蝕缺陷模型。表1列出K10X(30CrNiMo8)的力學性能參數，計算所需的其他參數如下：

管內壁壓強 260～285MPa

管外壁壓強 6.4MPa

管內溫度 300℃

管外溫度 189℃

管內介質平均密度 0.922/water

流量 88t/h

圖1 缺陷模型表1 K10X(30CrNiMo8)的力學性能參數

溫度℃導熱系數W·m-1·K-1比熱容J·kg-1·K-1膨脹系數×1062533.746111.510036.247912.120037.849912.730037.251713.240035.753613.650034.055814.060032.058714.4

分析中采用美國ASME VII-3規程，許用應力的計算采用全屈服壓力的1/2，即：

式中K——腐蝕軸向長度/腐蝕深度；

pw——全屈服壓力，MPa；

[δ]——許用應力，MPa；

δs——自增強殘余應力，MPa。

2 分析結果

2.1軸向、環向腐蝕分析結果

從圖2中曲線的變化可以看出，隨著缺陷長度的增加，缺陷處等效應力有增大趨勢，但是增大到一定程度后最大、最小等效應力不再增加；而隨缺陷寬度的增加，并不對計算結果產生大的影響，可以忽略該因素；缺陷深度是影響應力變化的主要因素，可以看出在較小的缺陷深度下，缺陷處應力分布只與深度有關，隨著缺陷深度和缺陷長度的增加，應力值有較大的變化。該研究中，采用美國ASME VIII-3規程，即許用應力的計算采用全屈服壓力的1/2，約為500MPa，當缺陷處的最大應力達到該值時，原則上管道開始產生破壞，應該停止使用或更換新的管道系統。通過對模型進行計算，并剔除其中由于模型建立和軟件分析中的各種各樣精度導致的奇異值，最終在軸向、環向腐蝕下允許管道正常工作的缺陷深度低于7.36mm，該值可以作為預警閾值。

圖2 工作應力下耦合等效應力隨缺陷深度的變化

2.2點蝕有限元分析結果

超高壓管道在點蝕缺陷下，最大、最小等效應力隨缺陷深度的增加而不斷增加，并且隨缺陷外輪廓長度的增加，相應應力值也不斷增加(圖3)。主要原因為模型在建立時，尺寸相對管道外徑較小，由于缺陷外部輪廓不可避免地對工作應力的作用產生一定限制作用，當缺陷長度增加到一定值時，等效應力值不再發生變化。同樣剔除奇異值，得出管道在點蝕缺陷下的臨界破壞深度約為9.62mm。考慮到在實際管道系統中，往往在一個局部區域分布多個點蝕，并且各個點蝕相互連接，單個點蝕存在的情況較少，因此，應該參考軸向、環向腐蝕的臨界壁厚值。

圖3 工作應力下耦合最大、最小等效 應力隨點蝕缺陷深度的變化

2.3流固耦合模態分析

流固耦合系統的模態分析，根據計算過程可以分為濕模態法和干模態法。在流固耦合系統中往往由于耦合作用，導致濕模態小于干模態。將管道系統等效為高效的梁單元分析模型，可加快計算速度，并獲得準確的模態計算結果。根據管道系統結構構成，在支撐處實施全約束或截面法向約束，分別求取此兩種情況下的干模態(圖4～6中的系列5)和濕模態(25%管內介質、50%管內介質、75%管內介質和充滿介質時，圖4～6中的系列1、系列2、系列3、系列4)。提取管道系統前20階模態值，并剔除重復值，求得結果分別如圖4～6所示，可以看出濕模態小于干模態，由于該管道為厚壁容器，導致兩種情況下各階模態數值相差不大，因此對干模態分析結果進行管道系統的振動分析。

圖4 全約束時的各階固有頻率分布曲線

圖5 截面法向約束時的各階固有頻率分布曲線

圖6 前段約束時的各階固有頻率值分布曲線

2.4激勵載荷下的諧響應分析

現場了解可知，該超高壓管道的激勵源主要來自于壓力閥門的開啟，未開啟時管道處于一個穩定狀態，因此，來源于閥門的激勵可以描述為諧信號。模態分析后可以提取各階振型，由于低階頻率較密集，在20階以上的頻率時管道已經進入高頻振動段，但由于高階頻率難以激發，且實際分析中通常以低階頻率為主，所以應該優先考慮低階頻率下的振型，即最易發生的振型。

圖7是選取的管道系統左側節點，從圖中可以看出，其在0～10Hz 處易被激發。在上述激勵作用下，管道發生振動，由于激勵源來自于閥門，因此流體瞬時沖擊載荷會在水平方向對彎管處會產生沖擊，考慮到在10Hz下產生振動高峰， 其最大振動幅值大約為靜力分析結果最大值1.5%～7.3%左右。

圖7 左側節點處的沖擊響應

3 結論

3.1缺陷長度對最大應力值有影響，隨缺陷長度的增加最大應力值逐漸增加，當達到一定值時不再發生變化，缺陷的寬度對最大應力值影響不是很大。

3.2針對該復雜的管道系統，模態主要考慮流固耦合下的模態分析，但考慮到該管道系統為復雜的厚薄容器，結構復雜、自重較大、支撐較多，導致其干模態和濕模態數值相差不大，但流固耦合作用會在一定程度上降低系統的模態值。

3.3該管道系統主要以穩態形式工作，根據現場提供的工作狀態，主要的激勵源來自于閥門的開啟，閥門的開啟具有較好的規律性，分析中把該激勵用諧波信號進行仿真，模態分析后根據振型找到低頻段易發生振動的節點進行諧響應分析，并求出該節點的頻率-幅值響應，并把最大振動量作為考慮因素疊加到靜力分析中。

3.4采用美國ASME 的VIII-3 規程，即許用應力的計算采用全屈服壓力的1/2 準則，缺陷模型的最大等效應力值不超過該值，并把該值作為系統的安全閾值。

3.5管道系統的軸向、環向腐蝕分析中，考慮到溫度載荷和振動量的影響，建議腐蝕的最大深度值在7.1mm 左右；管道系統點蝕分析中，考慮到溫度載荷和振動量的影響，建議腐蝕的最大深度在8.9mm 左右；考慮到實際的管道腐蝕多為局部多點蝕狀態，腐蝕區為軸向、環向腐蝕和點蝕共存的狀態，因此建議把軸向、環向腐蝕的臨界深度設為最大腐蝕深度(即安全閾值)，腐蝕深度超過該值時，應采取相應措施。

[1] 柳曾典，朱磊，王印培，等.在役高壓聚乙烯管式反應器的安全性研究[J].壓力容器，1992，9(1)：22～48.

[2] 關家餛，柳曾典.高壓聚乙烯裝置超高壓管失效分析[J].中國鍋爐壓力容器安全，1997，13(6)：22～25.

[3] 鐘漢通，陳國理，王作池.超高壓聚乙烯反應管爆破試驗[J].壓力容器，1991，8(2)：21～24.

[4] 翟鵬.SB4反應器超溫后的安全分析[J].壓力容器，1998，15(2)：11～18.

[5] 曾攀.有限元分析及應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

FiniteElementAnalysisofCorrosionDefectsinUltrahighPressurePolytheneReactionTube

REN Shi-ke, LIU Xue-mei, ZHANG Zhen-jie

(CNPCLanzhouPetrochemicalCompanyResearchInstitute,Lanzhou730060,China)

Based on Von Mises yield criterion, making use of the finite element method to analyze stress distributions in LDPE ultrahigh pressure reaction tube with corrosion defects inside was implemented, including having the length, width and depth influence of corrosion defects on the limit load of pressure pipeline discussed. The wall thickness from the analysis in the critical failure conditions can be taken as the safety threshold.

pipeline, ultrahigh pressure tubular reactor, corrosion defect, limit load, finite element analysis

**任世科，男，1969年5月生，高級工程師。甘肅省蘭州市，730060。

TQ055.8+1

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0254-6094(2015)02-0245-04

2014-05-29)

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