溫度作用下變徑管道的應力應變分析

薛景宏，儲陽華

(東北石油大學 土木建筑工程學院， 黑龍江 大慶 163318)

溫度作用下變徑管道的應力應變分析

薛景宏，儲陽華

(東北石油大學 土木建筑工程學院， 黑龍江 大慶 163318)

管道在發生熱脹冷縮效應時會產生熱應力，由于熱應力的存在使管道發生伸縮擠壓從而使管道發生變形，在管道變徑處可能發生破壞。通過有限元軟件ANSYS進行建模分析，采用8節點solid實體單元模型模擬變徑管道。研究同心變徑管道在溫度作用下最易發生破壞的薄弱位置、溫度對變徑管道的影響以及溫差對變徑管道的影響。結果表明：在溫度作用下，變徑管道薄弱位置位于管道的變徑處周圍；變徑管道的極限應力和管道溫度、溫差都有聯系。該研究為熱力管道的設計提供參考，使得熱力輸能變徑管道設計合理節能。

同心變徑管道；有限元軟件；溫度；溫差；薄弱位置

目前，管道工程已經成為了各個國家和地區的民生工程，成為了一項生命工程[1]。在許多地方都已經離不開管道的應用，比如供暖工程、天然氣運輸、市政工程等。管道的諸多優勢決定了其可以作為國家經濟發展和居民生活的重要工程項目。但是，管道自身制作工藝的差異為正常作業和環保節能帶來了挑戰，人們對這類問題也越來越重視。

通過對管道節能環保分析，國內外諸多學者在管線的節能方面做了大量的理論、實驗研究有限元模擬分析，取得了許多有用的研究成果。在供熱供暖中通常需要考慮管道變徑的問題[2-4]，很多關于管道的研究成果都是針對直管道得出了結果，但在工程實踐中，很多的管道避免不了的要變徑。筆者在前期學者的研究基礎上，通過有限元仿真軟件對變徑管道模型進行了模擬[5-7]，可以為管道的設計提供很好的參考。研究了變徑管道在溫度作用下的薄弱位置、溫度對管道熱應力的影響、溫差對管道熱應力的影響。

1 有限元模型建立

1.1 變徑管道邊界條件

在工程設計中,為了使變徑管道在作業時處于穩定狀態，對于變徑管道設計都有一定要求。本文選用管道材料為API5LX60，采用8節點solid單元建立同心變徑管道模型進行分析。對變徑裝置處的變徑角度取90°，管道兩端采用固端約束，同時在變徑處采用固端約束，應用焊接連接。

1.2 幾何模型和網格劃分

本文選用API5LX60進口鋼材作為研究材料。該材料的應力應變關系為輸油氣鋼質管道設計規范中的三折線簡化模型，見圖1。大直徑管道16 m,小直徑管道16 m,管道總長度是32 m，采用8節點solid單元建立管道模型進行數值模擬分析，通過ANSYS有限元軟件劃分網格功能對管道進行網格單元劃分，沿管道軸向方向為0.5 m一個單元，沿管道圓周方向劃分32個單元。變徑管道有限元模型如圖2所示。

圖1 應力應變關系三折線模型

圖2 變徑管道有限元模型

2 數值模擬結果分析

2.1 溫度變化下對管道參數確定

1) 溫度變化對管道膨脹系數影響

鋼材在溫度作用下，鋼材的膨脹系數會發生相應的變化。根據我國《鋼結構設計規范》規定，溫度變化對鋼材膨脹系數取值影響可忽略，均取常數αs=1.25×10-5，而美國和澳大利亞則建議采用隨溫度變化的膨脹系數值。具體系數計算公式[8-9]如下：

αs=0.8×10-8(TS-20)+1.2×10-5

20 ℃≤TS≤750 ℃

(1)

αs=0, 750 ℃≤TS≤860 ℃

(2)

根據式(1)計算得到溫度TS與膨脹系數αs關系值，見表1。

由于本文中所取溫度均低于100 ℃，通過式(1)計算可得的熱膨脹系數與我國規范擬合較好，故溫度低于100 ℃時，αs的取值為1.25×10-5，即在本文索取的溫度中，溫度對剛才的影響很小，可以按照與溫度無關取值。

表1 αs和TS關系

2) 溫度變化對管道熱傳導系數影響

熱傳導系數取值以標準單位鋼材作為基準，在實際工程計算中，鋼材的厚度不厚時，可以采用假定的與溫度無關的熱傳導系數值。本文熱傳導系數[28-29]λs取值為45。

3) 溫度變化對鋼材彈性模量影響

在溫度變化環境下，鋼材結構的材料性能受溫度影響明顯，ECCS[31]中規定其影響方式為:

0 ℃≤TS≤600 ℃

(3)

式中：E是鋼材常溫下的彈性模量(N/mm2)；ET是一定溫度時鋼材的初始彈性模量(N/mm2)。

根據式(4)計算鋼材的彈性模量，結果如表2所示。

表2 Er與TS關系

通過表2可以看出：溫度變化在100 ℃以內時，溫度變化對鋼材的彈性模量影響很小，故可以按照與溫度無關取值，取值為2.1E+11 N/mm2。

4) 溫度變化對鋼材屈服強度的影響

鋼材結構的屈服強度可以根據以下公式進行確定：

(4)

(5)

本文中所選取溫度在100 ℃以內，選擇式(4)進行計算，可得fyT=fy。

5) 其他參數

泊松比受組成成分與施工工藝影響較小，常溫下通常取0.27～0.30，其受溫度影響也很小，可以按照與溫度無關取值，本文μs=0.3。本文鋼材料結構單位密度通常取為ρs=7 850 kg/m3。

2.2 變徑管道應變分析

通過有限元軟件ANSYS建立并分析中砂場地上變徑管道，選取API5LX6進口鋼材。大管徑D1=0.762 m,壁厚δ=0.023 8 m;小管徑D2=0.508 m,壁厚δ=0.023 8 m;彈性模量E=2.1×1011Pa,泊松比μ=0.3；傳熱系數為45 W/(m·K)，熱膨脹系數為1.25×10-5，屈服強度為520～620 MPa。在變徑管道內部施加溫度為70 ℃，在變徑管道外部施加溫度為20 ℃，通過有限元軟件ANSYS模擬對供熱供暖管道進行應力應變分析，結果見圖3～5。通過有限元軟件模擬分析得出變徑管道最大拉壓應力點和最大拉壓應變點都位于管道變徑處附近。最大拉應變為0.959×10-2,最大壓應變為-1.028 3×10-2,最大拉應力為0.672×10-2Pa,最大壓應力為-0.444×1010Pa,都發生在變徑處。

圖3 變徑管道沿軸向溫度分布

圖4 變徑管道沿徑向溫度分布

圖5 變徑管道軸向拉(壓)應力云圖

圖6 變徑管道軸向拉(壓)應變云圖

2.3 溫度對變徑管道的影響

通過有限元軟件ANSYS建立并分析中砂場地上變徑管道，選取API5LX60型進口鋼材。大管徑D1=0.762 m,壁厚δ=0.023 8 m;小管直徑D2=0.508 m,壁厚δ=0.023 8 m;彈性模量E=2.1×1011Pa,泊松比μ=0.3；管道埋置深度H=2 m;傳熱系數為45 W/(m·K),熱膨脹系數為1.25×10-4，屈服強度為520～620 MPa。分別模擬了變徑管道在溫差為5 ℃，變徑管道外部溫度為20 ℃、25 ℃、30 ℃，對應的管道內部溫度為25 ℃、30 ℃、35 ℃下變徑管道下的變徑管道的應力應變分析。

通過ANSYS有限元模擬研究發現，在溫差一定的情況下，變徑管道隨著溫度的升高，最大拉壓應變點的位置都大約位于變徑裝置的周圍附近。

變徑管道在溫度影響下的軸向最大拉、壓應變如表3、圖7所示。

表3 溫度影響下管道最大拉、壓應變值

圖7 溫度不同，不同變徑管道最大拉、壓應變值

有限元模擬結果表明：在變徑管道的內外溫差一定的情況下，溫度對變徑管道的影響較大，管道的最大拉(壓)應變都隨著溫度的增加而增加，變徑管道的拉應變變化值比管道壓應變變化值要大。

變徑管道在溫度影響下的軸向最大拉、壓應力如表4、圖8所示。

圖8 溫度不同變徑管道最大拉、壓應力值

有限元模擬結果表明：在變徑管道的內外溫差一定的情況下，變徑管道在變徑處附近的拉壓應力達到最大值，同時隨著溫度的增加，變徑管道的拉、壓應力隨之增加。

2.4 溫差對變徑管道的影響

通過有限元軟件ANSYS建立并分析中砂場地上變徑管道，選取API5LX60型進口鋼材。大管徑D1=0.762 m,壁厚δ=0.023 8 m;小管直徑D2=0.508 m,壁厚δ=0.023 8 m;彈性模量E=2.1e11Pa,泊松比μ=0.3；傳熱系數為45 W/(m·K),熱膨脹系數為1.25×10-4，屈服強度為520～620 MPa。分別模擬變徑管道在不同溫差下的最大拉(壓)應力，進行溫差為10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃下的變徑管道的應力應變分析。

變徑管道在溫差影響下的軸向最大拉、壓應變值如表5、圖9所示。

表5 溫差影響下管道最大拉、壓應變值

有限元模擬結果表明:溫差對變徑管道的影響很大，變徑管道在變徑裝置附近的極限拉壓應變隨著溫差的增加而增加。

變徑管道在溫差影響下的軸向最大拉、壓應力值如表6、圖10所示。

表6 溫差影響下管道最大拉、壓應力值

圖10 溫差不同變徑管道最大拉、壓應力值

有限元模擬結果表明：溫差對變徑管道的影響很大，變徑管道的拉、壓應力值隨著溫差的增加而增大，同時在在變徑裝置附近的極限拉、壓應力值隨著溫差的增加而增加。

3 結論

研究表明：變徑管道的薄弱位置是在大直徑管道和小直徑管道連接處附近；溫度的變化對變徑管道影響較大，當溫差一定下，變徑管道應變隨著溫度的增加而增加；溫差對變徑管道具有一定影響，變徑管道的拉、壓應變隨著溫差的增加而增加，極易發生斷裂。在實際工程中，需要加強對變徑管道在變徑裝置處的抗拉、壓設計。本文研究對工程中管道變徑裝置設計具有指導意義。

[1] 趙成剛，馮啟民.生命線地震工程[M].北京：地震出版社，1994.

[2] 王宇.變徑管道對冷熱原油順序輸送混油的影響[J].山東工業技術,2017(5):266.

[3] 薛景宏,婁彥鵬.跨斷層埋地變徑管道抗震分析[J].黑龍江科技大學學報,2016(3):272-276.

[4] 黃凱,郭晉川,姚瑤. 管道變徑調壓效果試驗[J]. 廣西水利水電,2014(2):6-8.

[5] 臧延旭,楊寒,白港生,等.長輸管道變徑清管器研究進展[J].管道技術與設備,2013(6):45-48.

[6] 李勇,朱秀蘋.氣力輸送中變徑管道系統設計的研究[J].起重運輸機械,2008(10):25-27.

[7] 方明. 管道熱應力分析實例[J]. 廣州化工,2005(2):49-51.

[8] European Committee for Standardization, ENV 1993-1-2, Eurocode 3, Design of Steel Structures, Part 1.2: Structural Fire Design [S].

[9] European Committee for Standardization, ENV 1994-1-2, Eurocode 4, Design of Comosue and Concrete Structures, Part 1.2: Structural Fire Design [S].

(責任編輯 劉 舸)

Stress-Strain Analysis of Reducing Pipe Under Temperature

XUE Jinghong, CHU Yanghua

(College of Civil Engineering and Architecture, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

In the event of thermal expansion and contraction in the pipeline, thermal stress is generated. Due to the existence of thermal stress, the pipe is stretched and contracted to cause deformation of the pipe and damage may occur at the pipe diameter. In this paper, the finite element software ANSYS is used for modeling and analysis, and the eight-node solid solid element model is used to simulate the variable pipe. The influence of temperature on the diameter of the pipeline is studied. The influence of the temperature difference on the variable pipe is studied. The results show that the weak position of the variable pipe is located around the change of the pipeline under the action of temperature. The limit stress of the variable pipe is related to the temperature and temperature of the pipeline. The study provides a reference for the design of thermal pipelines, making the heat transfer variable diameter pipeline design reasonable energy saving.

concentric variable pipe; finite element software; temperature; temperature difference; weak position

2017-05-22 基金項目：國家自然科學基金資助項目(51578120)

薛景宏(1968—)，男，吉林梨樹人，博士，教授，主要從事防震減災工程研究，E-mail:xjh0459@126.com。

薛景宏，儲陽華.溫度作用下變徑管道的應力應變分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(8):51-56.

format：XUE Jinghong, CHU Yanghua.Stress-Strain Analysis of Reducing Pipe Under Temperature[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):51-56.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.008

TV67

A

1674-8425(2017)08-0051-06