輸酸管路有限元分析及結(jié)構(gòu)改進

楊曉武， 姚騰猛， 黃金豪

(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

硫酸生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，裝置內(nèi)輸酸管路數(shù)量繁多，輸酸管路往往具有管徑大、距離長的特點，容易產(chǎn)生應(yīng)力[1]。硫酸介質(zhì)具有腐蝕性和一定的毒性，如發(fā)生泄漏，可能會造成較嚴重的安全事故。因此，需要對可能存在應(yīng)力超標(biāo)的硫酸輸送管路進行應(yīng)力分析，以避免管路失效，消除輸酸管路的安全隱患[2]。

在管網(wǎng)中，每一條管路都會因為壓力、溫度的不同而發(fā)生不同程度的變形，每隔一定距離會設(shè)置管架。管架設(shè)計是管路工程設(shè)計的重要組成部分，其不僅要承受管路的軸向荷載，還要承受來自各方面作用于管路上的力和力矩，限制管路的位移，滿足管路系統(tǒng)的靜力和動力要求，確保管路和與之相連接的設(shè)備安全運行[3]。

某硫酸廠區(qū)輸酸管路發(fā)生了管架斷裂，膨脹節(jié)拉脫(如圖1所示)，造成失效的原因有待分析。本文使用ANSYS有限元軟件，建立失效管路的局部模型，分析造成管架斷裂以及膨脹節(jié)拉脫的原因。根據(jù)應(yīng)力分布以及變形情況，適當(dāng)調(diào)整管架布置以及管架連接方式，降低管路中產(chǎn)生的應(yīng)力，得到能夠有效降低管路應(yīng)力的最佳方案。

圖1 膨脹節(jié)拉脫現(xiàn)場圖

1 原始管路結(jié)構(gòu)分析

1.1 基本參數(shù)

1.1.1 材料參數(shù)

本文研究對象為某硫酸廠區(qū)輸酸管路，管路系統(tǒng)組成包括管路、管架、膨脹節(jié)，管路系統(tǒng)如圖2所示。管路各組成部分材料及設(shè)計溫度下的性能參數(shù)(彈性模量、泊松比和密度)如表1所示。

圖2 輸酸管路結(jié)構(gòu)圖

表1 材料參數(shù)表

1.1.2 設(shè)計工況參數(shù)

對輸酸管路進行應(yīng)力分析時，需考慮溫度與壓力的共同作用，表2所示為設(shè)計工況參數(shù)表，環(huán)境溫度取當(dāng)?shù)貧夂虻臉O端溫度。

表2 設(shè)計工況參數(shù)表

1.2 分析模型

本文所研究的輸酸管路，組件較多，模型龐大，采用solid185八節(jié)點六面體單元對管路、管架進行網(wǎng)格劃分，單元邊長為20 mm；采用solid285六節(jié)點四面體單元對膨脹節(jié)進行網(wǎng)格劃分，單元邊長為10 mm。圖3所示為輸酸管路幾何模型，其中1～6號管架為固定管架，其余為導(dǎo)向管架。圖4為輸酸管路的有限元網(wǎng)格模型。雅克比數(shù)值保證在0.9左右，網(wǎng)格數(shù)量為517 793，節(jié)點數(shù)量為700 689。

圖3 輸酸管路幾何模型

圖4 輸酸管路有限元網(wǎng)格模型

1.3 邊界條件及載荷

對輸酸管路進行分析，施加的邊界條件與載荷條件如下：

Step 1：在管路內(nèi)表面施加40 ℃的設(shè)計溫度，在管路外表面施加-30 ℃的空氣自然對流；

Step 2：對輸酸管路施加9.8 m/s2的重力加速度；

Step 3：在固定管架兩端面施加固定約束；

Step 4：在導(dǎo)向管架下端面施加垂直方向Y向位移約束；

Step 5：在導(dǎo)向管架左端面施加水平方向X向位移約束；

Step 6：在管路內(nèi)表面施加0.5 MPa的設(shè)計壓力。

1.4 結(jié)果分析

對輸酸管路原始結(jié)構(gòu)進行分析，應(yīng)力分析結(jié)果如表3所示，變形云圖如圖5所示。從圖中可以看到，高應(yīng)力均發(fā)生在固定管架約束部位，即管架與管廊焊接位置，其中1～6號管架最大應(yīng)力值均遠超安全許用應(yīng)力1.5 Sm=170 MPa，會發(fā)生強度失效。在管架斷裂之前，管路最大變形發(fā)生在膨脹節(jié)的位置，變形量為13 mm，一旦有固定管架發(fā)生損壞，管路熱膨脹造成的變形將急劇增大，導(dǎo)致膨脹節(jié)變形量超過許用變形量34 mm，進而發(fā)生圖1中的膨脹節(jié)拉脫。

表3 原始結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

圖5 硫酸管路原始結(jié)構(gòu)變形云圖

2 管路改進結(jié)構(gòu)分析

2.1 步驟一

根據(jù)輸酸管路原始結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，所有固定管架位置上的應(yīng)力均超過許用值，尤其是4號管架上的應(yīng)力值遠超出安全范圍。分析產(chǎn)生較高應(yīng)力的主要原因是輸酸管路較長，熱膨脹造成的變形較大。通常情況下，在管路中膨脹節(jié)起到主要的補償作用，除此之外，彎頭也會提供一定的補償量。但在管路最右端的彎頭處，臨近兩側(cè)均設(shè)置了導(dǎo)向管架，一個約束彎頭X方向位移，一個約束彎頭Z方向位移，限制了彎頭的補償作用，加上緊挨著的彎頭的5號固定管架使得Z向管路向4號固定管架的方向發(fā)生大量膨脹變形。為證明以上推測，對輸酸管路進行第一步的改進，即將圖6中所示的三個管架均改為滑動管架。

圖6 調(diào)整管架布置

計算結(jié)果顯示應(yīng)力最大的固定管架為1，應(yīng)力云圖如圖7所示，最大應(yīng)力值為300 MPa，大于材料許用應(yīng)力的1.5倍(170 MPa)，該改進有效減小了輸酸管路中的應(yīng)力，但仍不能保證固定管架的強度，依舊存在膨脹節(jié)拉脫的風(fēng)險，因此需要在此步驟上進一步改進，以提高輸酸管路的安全性。

圖7 1號管架應(yīng)力云圖

2.2 步驟二

在步驟一的基礎(chǔ)上，通過在固定管架焊接位置增加筋板，降低管架應(yīng)力值。筋板尺寸為80 mm×8 mm，布置方式如圖8所示，最大應(yīng)力發(fā)生在1號管架，應(yīng)力云圖如圖9所示，最大應(yīng)力值為288 MPa，大于材料許用應(yīng)力的1.5倍(170 MPa)，管架強度依舊不足。

圖8 筋板布置方式

圖9 1號管架應(yīng)力云圖

2.3 步驟三

在步驟二的基礎(chǔ)上，將筋板布置方式調(diào)整為如圖10所示，最大應(yīng)力依舊發(fā)生在1號管架，應(yīng)力云圖如圖11所示，最大應(yīng)力值為241 MPa，大于材料許用應(yīng)力的1.5倍(170 MPa)，管架強度還是不足。

圖10 筋板布置方式

圖11 1號管架應(yīng)力云圖

2.4 步驟四

在步驟三的基礎(chǔ)上，將使用筋板的尺寸改變?yōu)?20 mm×15 mm，布置方式如圖10所示，最大應(yīng)力依舊發(fā)生在1號管架，應(yīng)力云圖如圖12所示，最大應(yīng)力值為213 MPa，大于材料許用應(yīng)力的1.5倍(170 MPa)，該方案仍舊不可行。通過該結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然增加筋板已經(jīng)極大降低了管架上的應(yīng)力值，但仍然無法滿足強度要求，并且繼續(xù)加大筋板尺寸和厚度對降低應(yīng)力值的效果并不明顯。

圖12 1號管架應(yīng)力云圖

2.5 步驟五

通過對輸酸管路原始結(jié)構(gòu)和改進方案結(jié)果的分析對比，管架應(yīng)力已經(jīng)得到了很好地控制，除了固定管架上局部位置還存在超出許用值的較大應(yīng)力，其余管架均無明顯應(yīng)力分布。若將管架材料改為Q345R，材料的許用應(yīng)力為189 MPa，強度許用值1.5 Sm為283 MPa。在該情況下，步驟三與步驟四均能夠滿足強度要求。步驟三最大應(yīng)力值為241 MPa，安全裕量為15%，步驟四最大應(yīng)力值為213 MPa，安全裕量為25%。因此，可以在步驟四的基礎(chǔ)上，將管架材料改為Q345R，作為最終改進方案投入使用。

3 結(jié)論

本文針對某硫酸廠區(qū)輸酸管路發(fā)生的管架斷裂和膨脹節(jié)拉脫，使用ANSYS有限元分析軟件對其進行了模擬計算，分析了導(dǎo)致管架斷裂和膨脹節(jié)拉脫的原因是管架布置不合理導(dǎo)致應(yīng)力值超出許用值，從而發(fā)生強度失效。根據(jù)分析原因，進行了共五個步驟的結(jié)構(gòu)改進，依次為：

(1)將圖6中兩個導(dǎo)向管架和一個固定管架改為滑動管架；

(2)在步驟一基礎(chǔ)上，以圖8的方式在固定管架處焊接尺寸為80 mm×8 mm的筋板；

(3)在步驟二的基礎(chǔ)上,將筋板布置方式調(diào)整為如圖10所示；

(4)在步驟三的基礎(chǔ)上,將使用筋板的尺寸改變?yōu)?20 mm×15 mm；

(5)在步驟四基礎(chǔ)上，將管架材料改為Q345R。

最終經(jīng)過五個步驟優(yōu)化改進后，在保證管路安全性的同時，將安全富裕量提高到了25%。目前該方案已被該硫酸廠采用，該改進方案具有一定的工程意義，同時為今后類似輸酸管路的布置和優(yōu)化提供了參考。