溫度作用下變徑管道的應(yīng)力應(yīng)變分析

薛景宏，儲(chǔ)陽(yáng)華

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

溫度作用下變徑管道的應(yīng)力應(yīng)變分析

薛景宏，儲(chǔ)陽(yáng)華

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

管道在發(fā)生熱脹冷縮效應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，由于熱應(yīng)力的存在使管道發(fā)生伸縮擠壓從而使管道發(fā)生變形，在管道變徑處可能發(fā)生破壞。通過(guò)有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模分析，采用8節(jié)點(diǎn)solid實(shí)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(fā)生破壞的薄弱位置、溫度對(duì)變徑管道的影響以及溫差對(duì)變徑管道的影響。結(jié)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(yīng)力和管道溫度、溫差都有聯(lián)系。該研究為熱力管道的設(shè)計(jì)提供參考，使得熱力輸能變徑管道設(shè)計(jì)合理節(jié)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(jīng)成為了各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的民生工程，成為了一項(xiàng)生命工程[1]。在許多地方都已經(jīng)離不開管道的應(yīng)用，比如供暖工程、天然氣運(yùn)輸、市政工程等。管道的諸多優(yōu)勢(shì)決定了其可以作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活的重要工程項(xiàng)目。但是，管道自身制作工藝的差異為正常作業(yè)和環(huán)保節(jié)能帶來(lái)了挑戰(zhàn)，人們對(duì)這類問(wèn)題也越來(lái)越重視。

通過(guò)對(duì)管道節(jié)能環(huán)保分析，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者在管線的節(jié)能方面做了大量的理論、實(shí)驗(yàn)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(wèn)題[2-4]，很多關(guān)于管道的研究成果都是針對(duì)直管道得出了結(jié)果，但在工程實(shí)踐中，很多的管道避免不了的要變徑。筆者在前期學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元仿真軟件對(duì)變徑管道模型進(jìn)行了模擬[5-7]，可以為管道的設(shè)計(jì)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(duì)管道熱應(yīng)力的影響、溫差對(duì)管道熱應(yīng)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(shè)計(jì)中,為了使變徑管道在作業(yè)時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)于變徑管道設(shè)計(jì)都有一定要求。本文選用管道材料為API5LX60，采用8節(jié)點(diǎn)solid單元建立同心變徑管道模型進(jìn)行分析。對(duì)變徑裝置處的變徑角度取90°，管道兩端采用固端約束，同時(shí)在變徑處采用固端約束，應(yīng)用焊接連接。

1.2 幾何模型和網(wǎng)格劃分

本文選用API5LX60進(jìn)口鋼材作為研究材料。該材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為輸油氣鋼質(zhì)管道設(shè)計(jì)規(guī)范中的三折線簡(jiǎn)化模型，見圖1。大直徑管道16 m,小直徑管道16 m,管道總長(zhǎng)度是32 m，采用8節(jié)點(diǎn)solid單元建立管道模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)ANSYS有限元軟件劃分網(wǎng)格功能對(duì)管道進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑毓艿垒S向方向?yàn)?.5 m一個(gè)單元，沿管道圓周方向劃分32個(gè)單元。變徑管道有限元模型如圖2所示。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系三折線模型

圖2 變徑管道有限元模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 溫度變化下對(duì)管道參數(shù)確定

1) 溫度變化對(duì)管道膨脹系數(shù)影響

鋼材在溫度作用下，鋼材的膨脹系數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，溫度變化對(duì)鋼材膨脹系數(shù)取值影響可忽略，均取常數(shù)αs=1.25×10-5，而美國(guó)和澳大利亞則建議采用隨溫度變化的膨脹系數(shù)值。具體系數(shù)計(jì)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(jù)式(1)計(jì)算得到溫度TS與膨脹系數(shù)αs關(guān)系值，見表1。

由于本文中所取溫度均低于100 ℃，通過(guò)式(1)計(jì)算可得的熱膨脹系數(shù)與我國(guó)規(guī)范擬合較好，故溫度低于100 ℃時(shí)，αs的取值為1.25×10-5，即在本文索取的溫度中，溫度對(duì)剛才的影響很小，可以按照與溫度無(wú)關(guān)取值。

表1 αs和TS關(guān)系

2) 溫度變化對(duì)管道熱傳導(dǎo)系數(shù)影響

熱傳導(dǎo)系數(shù)取值以標(biāo)準(zhǔn)單位鋼材作為基準(zhǔn)，在實(shí)際工程計(jì)算中，鋼材的厚度不厚時(shí)，可以采用假定的與溫度無(wú)關(guān)的熱傳導(dǎo)系數(shù)值。本文熱傳導(dǎo)系數(shù)[28-29]λs取值為45。

3) 溫度變化對(duì)鋼材彈性模量影響

在溫度變化環(huán)境下，鋼材結(jié)構(gòu)的材料性能受溫度影響明顯，ECCS[31]中規(guī)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(shí)鋼材的初始彈性模量(N/mm2)。

根據(jù)式(4)計(jì)算鋼材的彈性模量，結(jié)果如表2所示。

表2 Er與TS關(guān)系

通過(guò)表2可以看出：溫度變化在100 ℃以內(nèi)時(shí)，溫度變化對(duì)鋼材的彈性模量影響很小，故可以按照與溫度無(wú)關(guān)取值，取值為2.1E+11 N/mm2。

4) 溫度變化對(duì)鋼材屈服強(qiáng)度的影響

鋼材結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度可以根據(jù)以下公式進(jìn)行確定：

(4)

(5)

本文中所選取溫度在100 ℃以內(nèi)，選擇式(4)進(jìn)行計(jì)算，可得fyT=fy。

5) 其他參數(shù)

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(wú)關(guān)取值，本文μs=0.3。本文鋼材料結(jié)構(gòu)單位密度通常取為ρs=7 850 kg/m3。

2.2 變徑管道應(yīng)變分析

通過(guò)有限元軟件ANSYS建立并分析中砂場(chǎng)地上變徑管道，選取API5LX6進(jìn)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(shù)為45 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)為1.25×10-5，屈服強(qiáng)度為520～620 MPa。在變徑管道內(nèi)部施加溫度為70 ℃，在變徑管道外部施加溫度為20 ℃，通過(guò)有限元軟件ANSYS模擬對(duì)供熱供暖管道進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，結(jié)果見圖3～5。通過(guò)有限元軟件模擬分析得出變徑管道最大拉壓應(yīng)力點(diǎn)和最大拉壓應(yīng)變點(diǎn)都位于管道變徑處附近。最大拉應(yīng)變?yōu)?.959×10-2,最大壓應(yīng)變?yōu)?1.028 3×10-2,最大拉應(yīng)力為0.672×10-2Pa,最大壓應(yīng)力為-0.444×1010Pa,都發(fā)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(yīng)力云圖

圖6 變徑管道軸向拉(壓)應(yīng)變?cè)茍D

2.3 溫度對(duì)變徑管道的影響

通過(guò)有限元軟件ANSYS建立并分析中砂場(chǎng)地上變徑管道，選取API5LX60型進(jìn)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(shù)為45 W/(m·K),熱膨脹系數(shù)為1.25×10-4，屈服強(qiáng)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(duì)應(yīng)的管道內(nèi)部溫度為25 ℃、30 ℃、35 ℃下變徑管道下的變徑管道的應(yīng)力應(yīng)變分析。

通過(guò)ANSYS有限元模擬研究發(fā)現(xiàn)，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(yīng)變點(diǎn)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(yīng)變?nèi)绫?、圖7所示。

表3 溫度影響下管道最大拉、壓應(yīng)變值

圖7 溫度不同，不同變徑管道最大拉、壓應(yīng)變值

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

變徑管道在溫度影響下的軸向最大拉、壓應(yīng)力如表4、圖8所示。

圖8 溫度不同變徑管道最大拉、壓應(yīng)力值

有限元模擬結(jié)果表明：在變徑管道的內(nèi)外溫差一定的情況下，變徑管道在變徑處附近的拉壓應(yīng)力達(dá)到最大值，同時(shí)隨著溫度的增加，變徑管道的拉、壓應(yīng)力隨之增加。

2.4 溫差對(duì)變徑管道的影響

通過(guò)有限元軟件ANSYS建立并分析中砂場(chǎng)地上變徑管道，選取API5LX60型進(jìn)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(shù)為45 W/(m·K),熱膨脹系數(shù)為1.25×10-4，屈服強(qiáng)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(yīng)力，進(jìn)行溫差為10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃下的變徑管道的應(yīng)力應(yīng)變分析。

變徑管道在溫差影響下的軸向最大拉、壓應(yīng)變值如表5、圖9所示。

表5 溫差影響下管道最大拉、壓應(yīng)變值

有限元模擬結(jié)果表明:溫差對(duì)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(yīng)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(yīng)力值如表6、圖10所示。

表6 溫差影響下管道最大拉、壓應(yīng)力值

圖10 溫差不同變徑管道最大拉、壓應(yīng)力值

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

3 結(jié)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(duì)變徑管道影響較大，當(dāng)溫差一定下，變徑管道應(yīng)變隨著溫度的增加而增加；溫差對(duì)變徑管道具有一定影響，變徑管道的拉、壓應(yīng)變隨著溫差的增加而增加，極易發(fā)生斷裂。在實(shí)際工程中，需要加強(qiáng)對(duì)變徑管道在變徑裝置處的抗拉、壓設(shè)計(jì)。本文研究對(duì)工程中管道變徑裝置設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)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(duì)冷熱原油順序輸送混油的影響[J].山東工業(yè)技術(shù),2017(5):266.

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[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(zé)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578120)

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

薛景宏，儲(chǔ)陽(yáng)華.溫度作用下變徑管道的應(yīng)力應(yīng)變分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，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