有限元法在化工管道應(yīng)力分析中的應(yīng)用探討

賈麗君

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

關(guān)鍵詞：化工管道；應(yīng)力分析；有限元分析法；應(yīng)用

隨著工業(yè)化的高速發(fā)展，化工管道在各類物料運輸?shù)沫h(huán)節(jié)中的應(yīng)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(xiàn)應(yīng)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(yīng)力，能夠得到準(zhǔn)確的應(yīng)力變形數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)化工管道存在的問題，并制定相應(yīng)的處理措施，避免管道運輸事故的出現(xiàn)，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(yè)，化工管道得到廣泛的應(yīng)用，在石油和天然氣的運輸中，管道的用途廣泛。管道根據(jù)用途的不同，也被分成不同的類型，現(xiàn)在，不同的化工管道都是采用焊接的技術(shù)制作。但是管道在焊接的環(huán)節(jié)中，由于加熱不均勻，或者冷卻方式不對，就會導(dǎo)致管道出現(xiàn)熱脹冷縮的問題，在管道的內(nèi)部會產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，其對管道的強(qiáng)度和剛度產(chǎn)生很大的影響，也會導(dǎo)致管道的穩(wěn)定性的下降，長時間會導(dǎo)致管道產(chǎn)生嚴(yán)重的變形問題。

1.2化工管道的設(shè)計優(yōu)化

化工生產(chǎn)的過程非常的復(fù)雜，化工機(jī)械是一類常見的機(jī)械設(shè)備，在設(shè)計的環(huán)節(jié)中，除了要遵循機(jī)械設(shè)計的共性特征，而且還要分析設(shè)計的特殊性，在設(shè)計的過程中，要面對不同的參數(shù)，其難度非常大。在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該采用優(yōu)化設(shè)計的方式，在一定的工作條件下，要對機(jī)械的性能和尺寸進(jìn)行設(shè)計，還要分析外界環(huán)境對機(jī)械運行的影響，從而達(dá)到設(shè)計的目的。在進(jìn)行變量選取的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該通過對自變量和因變量的分析，建立起目標(biāo)函數(shù)，從而獲得最佳值。在進(jìn)行變量和目標(biāo)函數(shù)設(shè)計的環(huán)節(jié)中，完善空間設(shè)計。

2有限元分析法在化工管道應(yīng)力分析中的應(yīng)用

2.1有限元分析法

有限元法在實際的應(yīng)用中，主要是采用有限元分析的方式，可以對偏微方程進(jìn)行求解，是一類常見的數(shù)值方法。近年來，大量的研究針對優(yōu)先單元，這種方法逐漸地被工業(yè)領(lǐng)域接受。有限元法主要采用了變分原理和加權(quán)余量的方法，將一個結(jié)構(gòu)分成不同的組合體，將這些組合體分成不同的單元，科學(xué)地選擇節(jié)點，從而可以建立函數(shù)，將微分方程中的變量轉(zhuǎn)化成各個變量和其他的倒數(shù)的節(jié)點值，從而運用函數(shù)的方式進(jìn)行線性表達(dá)，通過加權(quán)余量的方式，對方程進(jìn)行離散求解。在對各項權(quán)重進(jìn)行分析的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該采用權(quán)函數(shù)和插值函數(shù)結(jié)合的方式，從而形成科學(xué)的有限元的方法。由于有限元法的通用性非常強(qiáng)，其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用非常的廣泛，如今，計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)了高速的發(fā)展，有限元法成為計算機(jī)輔助技術(shù)的重要代表，在數(shù)值的仿真中發(fā)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(jìn)行溫度場和應(yīng)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(yīng)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(jìn)行保護(hù)，運用軟件對化工管道的保溫過程進(jìn)行熱分析，從而在化工管道保溫的環(huán)節(jié)中，可以防止各類損失的產(chǎn)生；采用有限元法對化工管道承受的壓力進(jìn)行分析，分析小尺寸的缺陷對管道應(yīng)力產(chǎn)生的影響，從而找到規(guī)律，對管道的熱應(yīng)力進(jìn)行有限元的分析，從而使應(yīng)力的分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性；還能對管道的腐蝕情況進(jìn)行分析，防止大量的腐蝕問題產(chǎn)生。

2.3含腐蝕缺陷化工管道剩余壽命預(yù)測

由于化工管道所輸送的介質(zhì)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(yè)安全生產(chǎn)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(qiáng)度。

2.3.1剩余壽命預(yù)測方法

第一，基于概率統(tǒng)計的預(yù)測方法。由于影響腐蝕的因素很多，腐蝕缺陷的發(fā)生和發(fā)展難以預(yù)測，管道腐蝕具有相當(dāng)?shù)碾S機(jī)性。但對于相同環(huán)境、操作工況和工作介質(zhì)的管道，其腐蝕特點服從一定的統(tǒng)計規(guī)律，因此可通過概率統(tǒng)計分析研究腐蝕管線的剩余壽命。

第二，基于腐蝕速率的預(yù)測方法。強(qiáng)度是對在役油氣管線和設(shè)備進(jìn)行安全一性分析的主要依據(jù)。當(dāng)腐蝕缺陷擴(kuò)展到某一極限尺寸，管線強(qiáng)度也對應(yīng)衰減到最小值，此時管線達(dá)到最大使用壽命，即剩余壽命為零。因此，將當(dāng)前狀態(tài)發(fā)展到強(qiáng)度極限狀態(tài)時的壁厚減薄量除以相應(yīng)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(tǒng)計與腐蝕速率結(jié)合的方法由于基于概率統(tǒng)計和基于腐蝕速率這兩種腐蝕速率預(yù)測方法均有各自的優(yōu)點，將二者有機(jī)地結(jié)合起來便可形成新的預(yù)測方法。

根據(jù)腐蝕速率的確定方法確定管線腐蝕速率Rc，根據(jù)式：

經(jīng)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(yù)測腐蝕管線的最小剩余壁厚。根據(jù)腐蝕缺陷表征化處理結(jié)果，利用ANSYS軟件可建立含缺陷管線的有限元計算模型，經(jīng)有限元計算可獲得其詳盡的應(yīng)力場分布并預(yù)測其剩余強(qiáng)度?；谟邢拊獌?yōu)化設(shè)計的思想，可計算腐蝕管道最小剩余壁厚，實現(xiàn)剩余壽命的預(yù)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(nèi)壁施加內(nèi)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(nèi)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(huán)境復(fù)雜，以及輸送介質(zhì)的特殊性，因而會在管道內(nèi)外壁大量地出現(xiàn)腐蝕缺陷。腐蝕造成的直接結(jié)果是管道的壁厚減薄，當(dāng)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(yù)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(yīng)力達(dá)到了極限狀態(tài)，剩余壁厚再減小，就會穿孔泄漏失效，到達(dá)有效使用壽命，而高于該值腐蝕管道則是安全的。

結(jié)束語

總而言之，在科學(xué)技術(shù)的推動下，有限元分析法在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛，在化工管道應(yīng)力分析過程中，引入有限元分析方法，能夠通過數(shù)據(jù)或圖像等比較直觀的方法，得到詳細(xì)的檢測分析方案，對提高化工石化管道工程質(zhì)量，降低管道應(yīng)力變形事故的發(fā)展有著重要意義。

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