金屬軟管失穩(wěn)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱金花，牛錚，危書濤，范海俊，李永泰，董衛(wèi)華

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司；2.國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230031；3.中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207）

金屬軟管是一種重要連接構(gòu)件，具有柔性大和裝卸簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)管路系統(tǒng)中；主要作用是降低管路振動(dòng)的傳導(dǎo)、補(bǔ)償兩端連接管道的熱變形及沉降差。金屬軟管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由波紋管、金屬編織網(wǎng)套和接頭三部分組成，波紋管是主體，主要起密封作用；網(wǎng)套起加強(qiáng)和屏蔽的作用；接頭將網(wǎng)套與波紋管連接為一體，是金屬軟管之間、金屬軟管與其他設(shè)備和管件、連接的部件，其結(jié)構(gòu)形式主要是成品法蘭，為剛性元件。

近年來(lái)隨著金屬軟管的普及，其失效案例日益增多。研究表明金屬軟管的主要失效形式為波紋管腐蝕泄漏、鋼絲網(wǎng)套脫落及鋼絲斷裂、接頭焊縫開裂及腐蝕泄漏等，研究人員亦根據(jù)上述失效形式對(duì)應(yīng)的失效模式和機(jī)理提出相應(yīng)的預(yù)防措施。但調(diào)查發(fā)現(xiàn)金屬軟管的失效不僅僅包含以上形式，用作補(bǔ)償?shù)鼗两挡畹拇罅拷饘佘浌茉谑褂靡欢螘r(shí)間后表面變形嚴(yán)重（圖1），網(wǎng)套鼓包，局部與波紋管分離，已成為管路或設(shè)備系統(tǒng)的安全隱患，因此對(duì)該部分金屬軟管的失效模式及失效原因開展研究，提出相應(yīng)的解決方案尤為必要。

圖1 金屬軟管變形形貌

1 金屬軟管概況

圖1為安裝在某油罐根部進(jìn)出油管閥門前的金屬軟管，主要用途是補(bǔ)償管路系統(tǒng)和油罐的沉降差。照片顯示該金屬軟管網(wǎng)套已發(fā)生失穩(wěn)失效，失效形貌為兩端鼓包位置波紋管與網(wǎng)套分離，宏觀檢查未發(fā)現(xiàn)網(wǎng)套鋼絲有斷裂現(xiàn)象。表1為該金屬軟管的主要參數(shù)。

表1 金屬軟管主要參數(shù)

2 失效分析

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T30579-2014《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》，初步判斷金屬軟管的失效模式為過(guò)載引起的失穩(wěn)。拆卸后對(duì)金屬軟管解剖后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部波紋管平面失穩(wěn)，其失穩(wěn)形貌為波峰半徑增大，波谷半徑減小，兩邊側(cè)壁互相靠攏。對(duì)金屬軟管的工作工況調(diào)查確認(rèn)該金屬軟管兩端的管路系統(tǒng)和油罐的沉降差已達(dá)30mm，該沉降差形成的附加橫向位移可能是金屬軟管發(fā)生失穩(wěn)的主要原因。

3 失穩(wěn)計(jì)算

采用有限元方法對(duì)金屬軟管進(jìn)行分析時(shí)，不考慮端部法蘭結(jié)構(gòu)對(duì)波紋管及網(wǎng)套的影響，僅考慮直管、波紋管與網(wǎng)套三部分。

3.1 技術(shù)參數(shù)

波紋管、直管及網(wǎng)套鋼絲材質(zhì)均為0Cr18Ni9，計(jì)算時(shí)本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性模型，屈服強(qiáng)度205MPa，彈性模量195GPa，泊松比0.3。金屬軟管的主要幾何參數(shù)見表2。

表2 金屬軟管主要幾何參數(shù)

圖2 波紋管剖面圖

3.2 計(jì)算模型

圖3 金屬軟管有限元計(jì)算模型圖

圖4 橫向位移作用下一階失穩(wěn)模態(tài)

有限元計(jì)算時(shí)采用參數(shù)化建模，直管和波紋管壁厚較小，可考慮為薄板結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格選用板殼單元shell181，網(wǎng)套選用梁?jiǎn)卧猙eam189。網(wǎng)套與直管段、網(wǎng)套和波紋管之間設(shè)置接觸對(duì)，接觸類型為standard，摩擦系數(shù)為0.2；直管段與網(wǎng)套端部節(jié)點(diǎn)之間同樣設(shè)置接觸對(duì)，接觸類型為bonded（always）。有限元計(jì)算模型及劃分后的網(wǎng)格如圖3。金屬軟管法蘭剛度遠(yuǎn)大于網(wǎng)套、波紋管及直管段剛度，因此有限元模型一端端面施加全約束，另一端端面根據(jù)計(jì)算要求設(shè)置不同的邊界條件。

3.3 失穩(wěn)計(jì)算

有限元計(jì)算采用屈曲分析方法，圖4為該金屬軟管在橫向位移作用下的一階失穩(wěn)模態(tài)，臨界失穩(wěn)載荷為217mm。失穩(wěn)模態(tài)為網(wǎng)套兩端鼓凸，一側(cè)與波紋管分離，與圖1所示的失穩(wěn)形貌吻合。

圖5為金屬軟管內(nèi)壓作用下的一階失穩(wěn)模態(tài)，對(duì)應(yīng)的失穩(wěn)載荷為0.35MPa。失穩(wěn)形貌為波紋管波峰外凸半徑變大，波谷弧度減小、兩側(cè)壁靠攏，和圖2中波紋管剖面圖變形趨勢(shì)一致。

有限元計(jì)算分析表明該金屬軟管的失效模式為過(guò)載引起的失穩(wěn)，其中網(wǎng)套失穩(wěn)原因?yàn)楣苈废到y(tǒng)和罐底基礎(chǔ)的沉降差引起的附加橫向位移，波紋管失穩(wěn)原因?yàn)閮?nèi)壓引起的平面失穩(wěn)。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

圖5 內(nèi)壓作用下一階失穩(wěn)模態(tài)

金屬軟管在橫向位移作用下發(fā)生失穩(wěn)，網(wǎng)套與波紋管分離，失去網(wǎng)套的支撐保護(hù)，金屬軟管的承載能力急劇下降，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大大增加。標(biāo)準(zhǔn)SH3412-2017《石油化工管道用金屬軟管選用、檢驗(yàn)及驗(yàn)收》中規(guī)定了不同用途的金屬軟管的長(zhǎng)度選擇要求，但對(duì)長(zhǎng)徑比小的金屬軟管在安裝時(shí)無(wú)法預(yù)留合適的長(zhǎng)度，后期安裝后沉降差形成的附加橫向位移無(wú)法避免，因此應(yīng)對(duì)金屬軟管的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高其承載能力。下文對(duì)波紋管和網(wǎng)套的幾何參數(shù)影響進(jìn)行了相關(guān)分析，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

4.1 波紋管幾何參數(shù)影響

波高和壁厚是波紋管的重要參數(shù)，其數(shù)值不僅影響金屬軟管在位移作用下的穩(wěn)定載荷，同時(shí)影響內(nèi)壓作用下的穩(wěn)定載荷。

表3列出了不用波高對(duì)應(yīng)的橫向位移和內(nèi)壓作用下的金屬軟管失穩(wěn)載荷，圖6為變化趨勢(shì)曲線。結(jié)果表明隨波高增加，橫向位移作用下的失穩(wěn)載荷呈線性增大趨勢(shì)，但內(nèi)壓作用下的失穩(wěn)載荷呈線性下降趨勢(shì)。因此波紋管波高增加，金屬軟管的橫向位移補(bǔ)償能力提升，但內(nèi)壓穩(wěn)定性下降。當(dāng)管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力較低且位移補(bǔ)償量較大時(shí)應(yīng)采用增大金屬軟管波紋管波高的方法提高其穩(wěn)定性，保障金屬軟管安全運(yùn)行。

表3 不同波高對(duì)應(yīng)的失穩(wěn)載荷

圖6 失穩(wěn)載荷隨波紋管波高的變化曲線

表4列出了不同波紋管壁厚對(duì)應(yīng)的橫向位移和內(nèi)壓作用下的金屬軟管失穩(wěn)載荷，圖7為變化趨勢(shì)曲線。結(jié)果表明隨壁厚增加，橫向失穩(wěn)位移和內(nèi)壓作用下的失穩(wěn)載荷均呈線性增加趨勢(shì)。因此波紋管壁厚增加，金屬軟管位移和內(nèi)壓作用下的穩(wěn)定性均得到提高。當(dāng)管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力較高且位移補(bǔ)償量較大時(shí)應(yīng)采用增加金屬軟管波紋管壁厚的方式提高其承載能力，保障金屬軟管安全運(yùn)行。

4.2 網(wǎng)套幾何參數(shù)影響

網(wǎng)套編織角和鋼絲股數(shù)是網(wǎng)套最重要的工藝參數(shù)，主要影響金屬軟管在位移作用下的失穩(wěn)載荷。

表4 不同波厚對(duì)應(yīng)的失穩(wěn)載荷

圖7 失穩(wěn)載荷隨波紋管壁厚的變化曲線

表5列出了不同編織角對(duì)應(yīng)的橫向和內(nèi)壓作用下的金屬軟管失穩(wěn)載荷，圖8為變化趨勢(shì)曲線。結(jié)果表明編織角在40°～50°時(shí)，橫向和軸向壓縮位移作用下的失穩(wěn)載荷基本保持不變，當(dāng)編織角繼續(xù)增大，數(shù)值迅速減小；內(nèi)壓作用下的失穩(wěn)載荷一直保持不變，數(shù)值為0.35MPa。因此金屬軟管的網(wǎng)套編織角參數(shù)不可過(guò)大，應(yīng)小于50°。研究了內(nèi)壓、軸向拉壓及彎曲載荷單獨(dú)和聯(lián)合作用下的最佳編織角，指出內(nèi)壓作用下的網(wǎng)套編織角應(yīng)小于50°40’，軸向位移作用下的網(wǎng)套編織角應(yīng)為35°～50°間，為保證金屬軟管的柔性和穩(wěn)定性，推薦金屬軟管的最佳編織角為40°～50°之間。

表5 不同編織角對(duì)應(yīng)的失穩(wěn)載荷

圖8 失穩(wěn)載荷隨網(wǎng)套編織角的變化曲線

表6給出了不同鋼絲股數(shù)對(duì)應(yīng)的橫向位移和內(nèi)壓作用下的金屬軟管失穩(wěn)載荷，圖9繪制了變化趨勢(shì)曲線。結(jié)果表明當(dāng)網(wǎng)套鋼絲股數(shù)從136股增大到296股，橫向位移和內(nèi)壓作用下的失穩(wěn)載荷保持不變，其承載能力未得到有效提高。韓淑潔等研究亦表明網(wǎng)套鋼絲股數(shù)增加對(duì)金屬軟管的彎曲剛度影響較小，且伴隨著金屬軟管柔性性能下降，因此不建議采用增加鋼絲股數(shù)的方法來(lái)提高其穩(wěn)定性。

表6 不同鋼絲股數(shù)對(duì)應(yīng)的橫向失穩(wěn)載荷和軸向載荷

圖9 失穩(wěn)載荷隨網(wǎng)套鋼絲股數(shù)的變化曲線

5 結(jié)語(yǔ)

金屬軟管的網(wǎng)套失穩(wěn)為橫向位移作用，波紋管失穩(wěn)為內(nèi)壓作用；失穩(wěn)時(shí)網(wǎng)套與波紋管分離，金屬軟管承載能力將大大下降，影響金屬軟管甚至管路系統(tǒng)的安全運(yùn)行，應(yīng)予以重視。對(duì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)的金屬軟管可采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的長(zhǎng)度避免失穩(wěn)發(fā)生，對(duì)長(zhǎng)徑比小的金屬軟管可通過(guò)優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)提高其穩(wěn)定性。金屬軟管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)根據(jù)其使用條件選擇不同的優(yōu)化方法，具體建議如下：（1）沉降差大、設(shè)計(jì)壓力低的管路系統(tǒng)的金屬軟管應(yīng)適當(dāng)增大內(nèi)部波紋管波高；沉降差大、設(shè)計(jì)壓力高的管路系統(tǒng)的金屬軟管應(yīng)適當(dāng)增大內(nèi)部波紋管壁厚。（2）金屬軟管的最佳編織角在40°～50°之間；鋼絲股數(shù)增加不能提高金屬軟管在橫向位移和內(nèi)壓作用下的穩(wěn)定性。