输酸管路有限元分析及结构改进

杨晓武， 姚腾猛， 黄金豪

(长沙有色冶金设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410019)

硫酸生产工艺流程复杂，装置内输酸管路数量繁多，输酸管路往往具有管径大、距离长的特点，容易产生应力[1]。硫酸介质具有腐蚀性和一定的毒性，如发生泄漏，可能会造成较严重的安全事故。因此，需要对可能存在应力超标的硫酸输送管路进行应力分析，以避免管路失效，消除输酸管路的安全隐患[2]。

在管网中，每一条管路都会因为压力、温度的不同而发生不同程度的变形，每隔一定距离会设置管架。管架设计是管路工程设计的重要组成部分，其不仅要承受管路的轴向荷载，还要承受来自各方面作用于管路上的力和力矩，限制管路的位移，满足管路系统的静力和动力要求，确保管路和与之相连接的设备安全运行[3]。

某硫酸厂区输酸管路发生了管架断裂，膨胀节拉脱(如图1所示)，造成失效的原因有待分析。本文使用ANSYS有限元软件，建立失效管路的局部模型，分析造成管架断裂以及膨胀节拉脱的原因。根据应力分布以及变形情况，适当调整管架布置以及管架连接方式，降低管路中产生的应力，得到能够有效降低管路应力的最佳方案。

图1 膨胀节拉脱现场图

1 原始管路结构分析

1.1 基本参数

1.1.1 材料参数

本文研究对象为某硫酸厂区输酸管路，管路系统组成包括管路、管架、膨胀节，管路系统如图2所示。管路各组成部分材料及设计温度下的性能参数(弹性模量、泊松比和密度)如表1所示。

图2 输酸管路结构图

表1 材料参数表

1.1.2 设计工况参数

对输酸管路进行应力分析时，需考虑温度与压力的共同作用，表2所示为设计工况参数表，环境温度取当地气候的极端温度。

表2 设计工况参数表

1.2 分析模型

本文所研究的输酸管路，组件较多，模型庞大，采用solid185八节点六面体单元对管路、管架进行网格划分，单元边长为20 mm；采用solid285六节点四面体单元对膨胀节进行网格划分，单元边长为10 mm。图3所示为输酸管路几何模型，其中1～6号管架为固定管架，其余为导向管架。图4为输酸管路的有限元网格模型。雅克比数值保证在0.9左右，网格数量为517 793，节点数量为700 689。

图3 输酸管路几何模型

图4 输酸管路有限元网格模型

1.3 边界条件及载荷

对输酸管路进行分析，施加的边界条件与载荷条件如下：

Step 1：在管路内表面施加40 ℃的设计温度，在管路外表面施加-30 ℃的空气自然对流；

Step 2：对输酸管路施加9.8 m/s2的重力加速度；

Step 3：在固定管架两端面施加固定约束；

Step 4：在导向管架下端面施加垂直方向Y向位移约束；

Step 5：在导向管架左端面施加水平方向X向位移约束；

Step 6：在管路内表面施加0.5 MPa的设计压力。

1.4 结果分析

对输酸管路原始结构进行分析，应力分析结果如表3所示，变形云图如图5所示。从图中可以看到，高应力均发生在固定管架约束部位，即管架与管廊焊接位置，其中1～6号管架最大应力值均远超安全许用应力1.5 Sm=170 MPa，会发生强度失效。在管架断裂之前，管路最大变形发生在膨胀节的位置，变形量为13 mm，一旦有固定管架发生损坏，管路热膨胀造成的变形将急剧增大，导致膨胀节变形量超过许用变形量34 mm，进而发生图1中的膨胀节拉脱。

表3 原始结构分析结果

图5 硫酸管路原始结构变形云图

2 管路改进结构分析

2.1 步骤一

根据输酸管路原始结构的分析结果，所有固定管架位置上的应力均超过许用值，尤其是4号管架上的应力值远超出安全范围。分析产生较高应力的主要原因是输酸管路较长，热膨胀造成的变形较大。通常情况下，在管路中膨胀节起到主要的补偿作用，除此之外，弯头也会提供一定的补偿量。但在管路最右端的弯头处，临近两侧均设置了导向管架，一个约束弯头X方向位移，一个约束弯头Z方向位移，限制了弯头的补偿作用，加上紧挨着的弯头的5号固定管架使得Z向管路向4号固定管架的方向发生大量膨胀变形。为证明以上推测，对输酸管路进行第一步的改进，即将图6中所示的三个管架均改为滑动管架。

图6 调整管架布置

计算结果显示应力最大的固定管架为1，应力云图如图7所示，最大应力值为300 MPa，大于材料许用应力的1.5倍(170 MPa)，该改进有效减小了输酸管路中的应力，但仍不能保证固定管架的强度，依旧存在膨胀节拉脱的风险，因此需要在此步骤上进一步改进，以提高输酸管路的安全性。

图7 1号管架应力云图

2.2 步骤二

在步骤一的基础上，通过在固定管架焊接位置增加筋板，降低管架应力值。筋板尺寸为80 mm×8 mm，布置方式如图8所示，最大应力发生在1号管架，应力云图如图9所示，最大应力值为288 MPa，大于材料许用应力的1.5倍(170 MPa)，管架强度依旧不足。

图8 筋板布置方式

图9 1号管架应力云图

2.3 步骤三

在步骤二的基础上，将筋板布置方式调整为如图10所示，最大应力依旧发生在1号管架，应力云图如图11所示，最大应力值为241 MPa，大于材料许用应力的1.5倍(170 MPa)，管架强度还是不足。

图10 筋板布置方式

图11 1号管架应力云图

2.4 步骤四

在步骤三的基础上，将使用筋板的尺寸改变为120 mm×15 mm，布置方式如图10所示，最大应力依旧发生在1号管架，应力云图如图12所示，最大应力值为213 MPa，大于材料许用应力的1.5倍(170 MPa)，该方案仍旧不可行。通过该结果可以发现，虽然增加筋板已经极大降低了管架上的应力值，但仍然无法满足强度要求，并且继续加大筋板尺寸和厚度对降低应力值的效果并不明显。

图12 1号管架应力云图

2.5 步骤五

通过对输酸管路原始结构和改进方案结果的分析对比，管架应力已经得到了很好地控制，除了固定管架上局部位置还存在超出许用值的较大应力，其余管架均无明显应力分布。若将管架材料改为Q345R，材料的许用应力为189 MPa，强度许用值1.5 Sm为283 MPa。在该情况下，步骤三与步骤四均能够满足强度要求。步骤三最大应力值为241 MPa，安全裕量为15%，步骤四最大应力值为213 MPa，安全裕量为25%。因此，可以在步骤四的基础上，将管架材料改为Q345R，作为最终改进方案投入使用。

3 结论

本文针对某硫酸厂区输酸管路发生的管架断裂和膨胀节拉脱，使用ANSYS有限元分析软件对其进行了模拟计算，分析了导致管架断裂和膨胀节拉脱的原因是管架布置不合理导致应力值超出许用值，从而发生强度失效。根据分析原因，进行了共五个步骤的结构改进，依次为：

(1)将图6中两个导向管架和一个固定管架改为滑动管架；

(2)在步骤一基础上，以图8的方式在固定管架处焊接尺寸为80 mm×8 mm的筋板；

(3)在步骤二的基础上,将筋板布置方式调整为如图10所示；

(4)在步骤三的基础上,将使用筋板的尺寸改变为120 mm×15 mm；

(5)在步骤四基础上，将管架材料改为Q345R。

最终经过五个步骤优化改进后，在保证管路安全性的同时，将安全富裕量提高到了25%。目前该方案已被该硫酸厂采用，该改进方案具有一定的工程意义，同时为今后类似输酸管路的布置和优化提供了参考。