有限元法在化工管道應力分析中的應用探討

賈麗君

摘要：有限元分析法是一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數值分析方法，其在化工管道應用分析中的應用重要作用。采用有限元法及優化設計思想對管道進行剩余強度評價和剩余壽命預測，為管道如何繼續使用和檢測周期的制定提供理論依據。基于此，文章主要對有限元分析法進行了簡單的介紹，并對其在化工管道應力分析中的應用進行了研究，希望為化工管道的維護管理工作提供參考。

關鍵詞：化工管道；應力分析；有限元分析法；應用

隨著工業化的高速發展，化工管道在各類物料運輸的環節中的應用越來越廣泛。但是，在化工管道運輸過程中，受運輸原料、方式等因素的影響，化工管道常常會出現應力變形問題，影響管道運輸水平。采用有限元法分析化工管道焊接接頭殘余應力，能夠得到準確的應力變形數據，及時發現化工管道存在的問題，并制定相應的處理措施，避免管道運輸事故的出現，從而提高化工管道運輸水平。

1化工管道概述

1.1化工管道的特點

在化工行業，化工管道得到廣泛的應用，在石油和天然氣的運輸中，管道的用途廣泛。管道根據用途的不同，也被分成不同的類型，現在，不同的化工管道都是采用焊接的技術制作。但是管道在焊接的環節中，由于加熱不均勻，或者冷卻方式不對，就會導致管道出現熱脹冷縮的問題，在管道的內部會產生很大的殘余應力，其對管道的強度和剛度產生很大的影響，也會導致管道的穩定性的下降，長時間會導致管道產生嚴重的變形問題。

1.2化工管道的設計優化

化工生產的過程非常的復雜，化工機械是一類常見的機械設備，在設計的環節中，除了要遵循機械設計的共性特征，而且還要分析設計的特殊性，在設計的過程中，要面對不同的參數，其難度非常大。在進行機械設計的環節中，應該采用優化設計的方式，在一定的工作條件下，要對機械的性能和尺寸進行設計，還要分析外界環境對機械運行的影響，從而達到設計的目的。在進行變量選取的環節中，應該通過對自變量和因變量的分析，建立起目標函數，從而獲得最佳值。在進行變量和目標函數設計的環節中，完善空間設計。

2有限元分析法在化工管道應力分析中的應用

2.1有限元分析法

有限元法在實際的應用中，主要是采用有限元分析的方式，可以對偏微方程進行求解，是一類常見的數值方法。近年來，大量的研究針對優先單元，這種方法逐漸地被工業領域接受。有限元法主要采用了變分原理和加權余量的方法，將一個結構分成不同的組合體，將這些組合體分成不同的單元，科學地選擇節點，從而可以建立函數，將微分方程中的變量轉化成各個變量和其他的倒數的節點值，從而運用函數的方式進行線性表達，通過加權余量的方式，對方程進行離散求解。在對各項權重進行分析的環節中，應該采用權函數和插值函數結合的方式，從而形成科學的有限元的方法。由于有限元法的通用性非常強，其在工程領域的應用非常的廣泛，如今，計算機技術實現了高速的發展，有限元法成為計算機輔助技術的重要代表，在數值的仿真中發揮的作用非常的明顯。

2.2化工管道的有限元分析流程

首先要建立模型，建立起管道模型和焊縫的模型，其次要進行溫度場和應力場的分析，并且劃分單元，增加束縛和荷載，最后求解，從而得到溫度和殘余應力的分布情況，找到最佳的解決方案。采用有限元法對化工管道進行保護，運用軟件對化工管道的保溫過程進行熱分析，從而在化工管道保溫的環節中，可以防止各類損失的產生；采用有限元法對化工管道承受的壓力進行分析，分析小尺寸的缺陷對管道應力產生的影響，從而找到規律，對管道的熱應力進行有限元的分析，從而使應力的分布呈現出一定的規律性；還能對管道的腐蝕情況進行分析，防止大量的腐蝕問題產生。

2.3含腐蝕缺陷化工管道剩余壽命預測

由于化工管道所輸送的介質往往具有高溫高壓、易燃易爆和有毒等特點，化工管道缺陷的存在始終是化工行業安全生產的重大隱患，運用有限元法可以有效地計算腐蝕管線的剩余強度。

2.3.1剩余壽命預測方法

第一，基于概率統計的預測方法。由于影響腐蝕的因素很多，腐蝕缺陷的發生和發展難以預測，管道腐蝕具有相當的隨機性。但對于相同環境、操作工況和工作介質的管道，其腐蝕特點服從一定的統計規律，因此可通過概率統計分析研究腐蝕管線的剩余壽命。

第二，基于腐蝕速率的預測方法。強度是對在役油氣管線和設備進行安全一性分析的主要依據。當腐蝕缺陷擴展到某一極限尺寸，管線強度也對應衰減到最小值，此時管線達到最大使用壽命，即剩余壽命為零。因此，將當前狀態發展到強度極限狀態時的壁厚減薄量除以相應的腐蝕速率，所得的時間值即為腐蝕管道的剩余壽命。

第三，概率統計與腐蝕速率結合的方法由于基于概率統計和基于腐蝕速率這兩種腐蝕速率預測方法均有各自的優點，將二者有機地結合起來便可形成新的預測方法。

根據腐蝕速率的確定方法確定管線腐蝕速率Rc，根據式：

經計算得到含缺陷管道最大允許腐蝕深度dmax，則由下式：

可計算得到腐蝕管道剩余壽命T，其中，RC為腐蝕速率，mm/a。

2.3.2有限元法確定最小剩余壁厚

有限元法可較精確地預測腐蝕管線的最小剩余壁厚。根據腐蝕缺陷表征化處理結果，利用ANSYS軟件可建立含缺陷管線的有限元計算模型，經有限元計算可獲得其詳盡的應力場分布并預測其剩余強度。基于有限元優化設計的思想，可計算腐蝕管道最小剩余壁厚，實現剩余壽命的預測。邊界條件處理，管道對稱面上施加對稱約束，缺陷所在橫截面上施加軸向位移約束，管道內壁施加內壓，管道端面施加軸向平衡面載荷Pc，其按式：

其中，PL為工作壓力，Mpa；Di為管子內直徑，mm；tys為缺陷管道原始壁厚；Pc為軸向平衡面載荷，Mpa。由于壓力管道穿越地域廣闊、服役環境復雜，以及輸送介質的特殊性，因而會在管道內外壁大量地出現腐蝕缺陷。腐蝕造成的直接結果是管道的壁厚減薄，當壁厚減少到一定程度時，剩余的管壁金屬再也不能承受管道的實際工作載荷而失效，這一程度下的剩余壁厚就是腐蝕管道允許的最小剩余壁厚。腐蝕管線最小剩余壁厚值的確定，是剩余壽命預測必須解決的問題。腐蝕管線最小剩余壁厚是管道安全與失效的分界線。在該剩余壁厚下，管道工作應力達到了極限狀態，剩余壁厚再減小，就會穿孔泄漏失效，到達有效使用壽命，而高于該值腐蝕管道則是安全的。

結束語

總而言之，在科學技術的推動下，有限元分析法在工業設計中的應用越來越廣泛，在化工管道應力分析過程中，引入有限元分析方法，能夠通過數據或圖像等比較直觀的方法，得到詳細的檢測分析方案，對提高化工石化管道工程質量，降低管道應力變形事故的發展有著重要意義。

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