黃 思，徐征南，張 聰，牛琦鋒，林冠堂，陳英紅

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣州 510641； 2.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院， 廣東 珠海 519002)

化工園區(qū)的架空管道一般是數(shù)條甚至幾十條集中敷設(shè)在管廊上，用于輸送各種溫度、壓力和流動(dòng)工況的化工原料和成品，因而可能出現(xiàn)局部變形、減薄失效等問題，產(chǎn)生安全隱患。為消除溫度應(yīng)力和釋放溫度變形，管廊上一般設(shè)有方形補(bǔ)償器等補(bǔ)償裝置。近年來有關(guān)技術(shù)人員對(duì)方形補(bǔ)償器相繼開展了研究工作。高勛等[1]介紹了方形補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)計(jì)算和施工安裝方法。常守欣等[2]通過熱應(yīng)力分析和驗(yàn)算，給出了補(bǔ)償器幾何尺寸的確定方法。李相通等[3]通過二次應(yīng)力分析，對(duì)2種常用的大型熱水鍋爐供水管道方形補(bǔ)償器做了對(duì)比計(jì)算分析。但目前有關(guān)方形補(bǔ)償器的分析主要還是基于一些常用的設(shè)計(jì)計(jì)算手段，缺乏系統(tǒng)、完善的受力計(jì)算及校核評(píng)估方法。

本文選取華南地區(qū)某化工園區(qū)的架空管道方形補(bǔ)償器作為研究對(duì)象，考慮重力、介質(zhì)溫度、流動(dòng)對(duì)管道作用力等因素，建立系統(tǒng)完整的ANSYS有限元計(jì)算模型進(jìn)行熱流固耦合數(shù)值計(jì)算，旨在探索一套針對(duì)復(fù)雜架空管道實(shí)際應(yīng)用的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，為架空管道的運(yùn)行安全提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

1 有限元建模

1.1 幾何模型

所研究的架空管道方形補(bǔ)償器幾何模型如圖1所示，其縱向和橫向具體參數(shù)如圖2和圖3所示。管廊有10組立柱、4層管架。第1層管架有5根管道，第2層有3根，第3層有3根，第4層有16根，一共27根管道，管道編號(hào)如圖3所示。

1.2 計(jì)算單元類型

根據(jù)圖1～3所示的架空管道方形補(bǔ)償器布局，建立ANSYS的APDL有限元計(jì)算模型。分別使用梁?jiǎn)卧?Beam189)和管單元(Pipe289)對(duì)管架和管道進(jìn)行建模[4-10]，表1給出了管架和管道單元的具體數(shù)據(jù)，其中：B為梁?jiǎn)卧孛骈L(zhǎng)度；H為截面高度；D為管單元外徑；δ為管壁厚度。

圖1 架空管道方形補(bǔ)償器幾何模型

圖2 模型縱向示意圖

圖3 模型橫向示意圖

1.3 材料屬性

有限元單元模型中使用的材料參數(shù)如表2所示。由結(jié)構(gòu)的材料、單元類型以及單元截面尺寸，建立了完整的架空管道ANSYS計(jì)算模型，共包括12 660個(gè)單元和25 057個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖4為架空管道方形補(bǔ)償器有限單元網(wǎng)格模型。

表1 有限單元參數(shù)

表2 材料參數(shù)

圖4 架空管道方形補(bǔ)償器有限元網(wǎng)格

1.4 介質(zhì)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算所使用的介質(zhì)種類、操作工況和介質(zhì)物性參數(shù)，如表3所示。

2 載荷與約束條件

載荷主要有重力、介質(zhì)溫度、流動(dòng)對(duì)管道的作用力。計(jì)算中對(duì)管道兩端和立柱底部采取固定約束。

2.1 介質(zhì)溫度載荷

管道因流動(dòng)介質(zhì)溫度與安裝時(shí)環(huán)境溫度的差異而產(chǎn)生伸縮，因此在有限元計(jì)算中，需同時(shí)考慮溫度和結(jié)構(gòu)的選項(xiàng)[11-15]。施加溫度載荷時(shí)，所需的材料膨脹系數(shù)、介質(zhì)工作溫度和導(dǎo)熱系數(shù)見表2和表3。

2.2 介質(zhì)流動(dòng)載荷

流動(dòng)介質(zhì)對(duì)管道施加的力主要有因黏性流動(dòng)造成的沿程阻力和因管道變向90°而產(chǎn)生的作用力[16]。

1) 等徑管道沿程阻力

(1)

沿程阻力系數(shù)為

(2)

雷諾數(shù)表達(dá)式為

(3)

其中：l為管道長(zhǎng)度；d為管道內(nèi)徑；v為介質(zhì)流速；υ為介質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；A為管道截面積。如圖5所示。

表3 管道輸送介質(zhì)參數(shù)

2) 90°等徑彎管作用力

FX=(p1+ρv2)A，F(xiàn)Y=(p2+ρv2)A

(4)

作用力方向和作用點(diǎn)如圖6所示。

圖5 作用于等徑直管的流體力

圖6 作用于90°等徑彎管的流體力

3 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果主要關(guān)注架空管道方形補(bǔ)償器的整體位移和應(yīng)力分布，水平支撐結(jié)構(gòu)關(guān)注最大彎矩和剪力，立柱則關(guān)注最大軸力[10]。

3.1 位移分布

圖7和圖8分別是計(jì)算得到的架空管道方形補(bǔ)償器X向和Y向位移分布。由圖可見：最大X向位移(11.4 mm)出現(xiàn)在編號(hào)13、輸送介質(zhì)為過熱蒸汽的管道，位于管架⑤和管架⑥之間；最大Y向位移出現(xiàn)在編號(hào)9、輸送介質(zhì)為非芳烴產(chǎn)品的管道，位于管架⑤和管架⑥之間，最大位移值為10.2 mm。此外，由圖7、8可見，方形補(bǔ)償器兩端上圓角處受拉伸，下圓角處受擠壓，位移情況與文獻(xiàn)[17]對(duì)方形補(bǔ)償器受力變形的分析一致。

圖7 X向位移分布

圖8 Y向位移分布

3.2 等效應(yīng)力分布

圖9為計(jì)算得到的架空管道方形補(bǔ)償器等效(Von Mises)應(yīng)力分布。由圖9可見：最大應(yīng)力(156 MPa)出現(xiàn)在編號(hào)13、輸送介質(zhì)為過熱蒸汽的管道與管架⑧第4層橫梁接觸的地方。由于該管道內(nèi)徑小、介質(zhì)溫度高、流速大，所以該管道應(yīng)力高于其他管道。

圖9 等效應(yīng)力分布

3.3 軸力分布

圖10為計(jì)算得到的架空管道方形補(bǔ)償器立柱軸力圖。由圖10可見，方形補(bǔ)償器中2個(gè)最高的立柱即管架④和管架⑤立柱底部所承受的軸力最大，最大軸力為629.66 kN。

圖10 立柱軸力分布

3.4 剪力分布

圖11為計(jì)算得到的架空管道方形補(bǔ)償器的剪力圖。由圖11可見：管架橫梁的最大剪力為311.63 kN，出現(xiàn)在管架⑥第4層橫梁與管道12連接的位置；管道的最大剪力為202.23 kN，出現(xiàn)在輸送介質(zhì)為原油的管道12上。這說明橫梁和管道的最大剪力都出現(xiàn)在由高向低過渡中較低管架的橫梁上或連接處。

圖11 剪力分布

3.5 彎矩分布

圖12為計(jì)算得到的架空管道方形補(bǔ)償器彎矩分布。由圖12可見，管架橫梁的最大彎矩為311.88 kN·m，出現(xiàn)在管架⑤和⑥第1層橫梁與管道1的連接處；管道的最大彎矩為129.63 kN·m，出現(xiàn)在輸送介質(zhì)為原油的管道12上。這說明橫梁和管道的最大彎矩都出現(xiàn)在由高向低過渡中較低管架的橫梁上或連接處。

圖12 彎矩分布

4 管道強(qiáng)度校核

根據(jù)行業(yè)的技術(shù)規(guī)程[18]可知，由熱脹冷縮和其他位移受到約束而產(chǎn)生的熱脹二次應(yīng)力σf需要滿足式(5)的條件[2]。

(5)

由圖9可知，計(jì)算得到的架空管道方形補(bǔ)償器最大應(yīng)力為156 MPa，滿足σf≤183.4 MPa的條件，也低于20#鋼的屈服強(qiáng)度225 MPa，故該在役的架空管道方形補(bǔ)償器運(yùn)行可靠。

5 結(jié)論

1) 所研究的架空管道方形補(bǔ)償器最大位移出現(xiàn)在2個(gè)最高立柱之間，兩端上圓角處受拉伸，下圓角處受擠壓，位移情況符合設(shè)計(jì)要求。

2) 方形補(bǔ)償器中的最高立柱底部承受軸力最大。管架橫梁的最大剪力和彎矩出現(xiàn)在管架由高向低過渡的低管架橫梁；管道的最大剪力和彎矩則出現(xiàn)在與高低管架之間較低管架的連接處。

3) 在整個(gè)架空管道方形補(bǔ)償器中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)徑小、介質(zhì)溫度高、流速高的管道與橫梁接觸的位置。經(jīng)強(qiáng)度校核，現(xiàn)有研究模型滿足設(shè)計(jì)要求。

4) 所采用的熱流固耦合有限元計(jì)算方法對(duì)實(shí)際中復(fù)雜的架空管道方形補(bǔ)償器受力分析是切實(shí)可行的，可為在役架空管道的運(yùn)行安全提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。