襯氟管道溫度及管徑變化的形變量仿真分析

聶興臻 李祖榮 黃顏鋒 劉奇英（湖北興發(fā)化工集股份有限公司,湖北 宜昌 443007）

聚四氟乙烯(F4，PTFE)具有一系列優(yōu)良的使用性能：耐高溫—長(zhǎng)期使用溫度200-260度，耐低溫—在-100度時(shí)仍柔軟；耐腐蝕—能耐王水和一切有機(jī)溶劑。聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物。英文縮寫(xiě)為PTFE。結(jié)構(gòu)式為：CF3(CF2CF2)nCF3。化工生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用鋼襯聚四氟乙烯（PTFE）管道，而直接影響其使用壽命和性能穩(wěn)定的因素是溫度、壓力、介質(zhì)等。

1 鋼襯聚四氟乙烯（F4）管道變形量仿真模擬模型

在鋼襯聚四氟乙烯（F4）管道變形量仿真模擬中，長(zhǎng)度為200mm，3mm鋼管壁厚，內(nèi)襯2mm聚四氟乙烯（F4），而鋼管的直徑數(shù)據(jù)為 32mm、38mm、48mm、57mm、76mm、89mm、108mm、133mm、159mm、219mm、273mm、325mm、377mm、426mm，分析的溫度值采用了100-170℃之間，間隔為10℃。分析簡(jiǎn)化為直接使用聚四氟乙烯管，在管外徑曲面上施加X(jué)向及Y向位移約束（即在四氟管外表面上施加周向約束，四氟層在長(zhǎng)度方向上具有軸向移動(dòng)）。此模型中主要分析聚四氟乙烯的變形量，為了體現(xiàn)變形的綜合值，故在管的一個(gè)截面上施加X(jué)向、Y向、Z向位移約束（即，四氟層在長(zhǎng)度方向上向一側(cè)軸向移動(dòng)）。

聚四氟乙烯物理性能參數(shù)：密度為2200Kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.256W/m·K，比熱為1.05e-5J/kg·K，線膨脹系數(shù)為12.8e-5/℃，摩擦系數(shù)0.11，泊松比為0.4，初始溫度為20℃。

2 聚四氟乙烯仿真分析

在仿真分析中，聚四氟乙烯管內(nèi)部溫度選用100-170℃，聚四氟乙烯管壁厚為2mm，四氟乙烯管對(duì)管內(nèi)液體的對(duì)流換熱考慮為強(qiáng)制對(duì)流，對(duì)流換熱系數(shù)為1000W/(m^2·℃)。

圖1、200mmPTFE管道不同溫度下管徑對(duì)應(yīng)的變形量

采用ANSYS有限元分析軟件，利用穩(wěn)態(tài)分析，得出在液體的溫度變化范圍設(shè)置為100、110、120、130、140、150、160、170℃等8個(gè)值下的變形量，而聚四氟乙烯管的直徑按照模型中給定的14個(gè)值進(jìn)行分析，得出一系列對(duì)應(yīng)的變形數(shù)值，利用ori?gin7.5建立了分析結(jié)果線圖（如圖1、200mmPTFE管道不同溫度下管徑對(duì)應(yīng)的變形量所示）。根據(jù)線圖可以得出，2mm厚度聚四氟乙烯管道，長(zhǎng)度相同的狀態(tài)下，隨著管內(nèi)液體溫度的升高，聚四氟乙烯變形量（伸長(zhǎng)量）隨管徑的增大變形量而逐漸降低，管徑越小相同溫度下的變形量越大，管徑也小，相同的溫升條件下變形量也大。

圖2、200mmPTFE管道不同溫度下管徑對(duì)應(yīng)的變形云圖

根據(jù)上述數(shù)據(jù)建立的云圖（圖2、200mmPTFE管道不同溫度下管徑對(duì)應(yīng)的變形云圖），從云圖中可以發(fā)現(xiàn)：在長(zhǎng)度一定的狀況下，溫度一定時(shí)隨著管徑的增大，變形量變小，并趨于一定的3.5mm的變形。在管徑一定的狀況下，隨著溫度的升高，變形量趨于直線變化。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一定長(zhǎng)度下的聚四氟乙烯管在不同的溫度及管徑下的仿真分析，得出了溫度及管徑的關(guān)聯(lián)信息，通過(guò)分析結(jié)果可見(jiàn)，使用鋼襯聚四氟乙烯管過(guò)程中，要充分考慮使用溫度或管徑，再來(lái)確定鋼襯聚四氟乙烯管道的長(zhǎng)度，可以保證管道變形在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)，并且確保在使用過(guò)程中不會(huì)因?yàn)闇囟鹊耐饺蛔兓瘜?dǎo)致管內(nèi)襯里撕裂。以上結(jié)論只是利用仿真分析所得結(jié)果，有待于生產(chǎn)或?qū)嵺`來(lái)論證，但是通過(guò)仿真可以節(jié)約大量的人力、物力、時(shí)間。將在以后的過(guò)程中，繼續(xù)通過(guò)相關(guān)系列的仿真分析來(lái)完善相關(guān)的鋼襯聚四氟乙烯管使用信息。

[1]聶興臻,黃顏鋒,劉奇英.襯氟管道的熱應(yīng)力仿真分析[J]北京：化工管理，2014年9月總第349期：154-155.

[2]張朝輝.ANSYS8.0熱分析教程與實(shí)例解析[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.