1.引言

工業(yè)管道作為化學(xué)工業(yè)的“血管”，在化工生產(chǎn)中扮演重要的角色。大多數(shù)工業(yè)管道都是在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接和安裝，由于施工現(xiàn)場(chǎng)條件比較復(fù)雜，施工的質(zhì)量容易受到影響；另外，在定期檢驗(yàn)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)管道與設(shè)計(jì)圖紙不符的情況。以上的種種原因都可能導(dǎo)致壓力管道在運(yùn)行過程中出現(xiàn)事故，導(dǎo)致人員和財(cái)產(chǎn)損失。如何能夠保證工業(yè)管道運(yùn)行安全，一直以來都是廣大學(xué)者研究的重點(diǎn)方向。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的學(xué)者使用有限元分析軟件對(duì)工業(yè)管道進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定，有限元分析方法也得到了學(xué)界的認(rèn)可。淡勇等采用有限元方法對(duì)超高壓管道進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分解和應(yīng)力分類。白芳等利用模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)X80鋼多層焊道的殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。柏慧等研究了熱輻射對(duì)加氫反應(yīng)器熱箱部位溫度及應(yīng)力分布的影響，考慮熱輻射會(huì)使熱箱部位的溫度場(chǎng)分布更均勻，應(yīng)力顯著減小。許金沙等研究了搪玻璃層熱膨脹系數(shù)、溫差、厚度三個(gè)因素對(duì)搪玻璃層耐溫差急變性能的影響，并通過試驗(yàn)研究對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。吳新麗等采用Sysweld建立焊接模型，對(duì)經(jīng)歷不同熱處理工藝的管板與環(huán)形支承板對(duì)接焊縫的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，同時(shí)將模擬計(jì)算應(yīng)力值與盲孔法測(cè)試應(yīng)力值進(jìn)行比較，并通過模擬試驗(yàn)驗(yàn)證其力學(xué)性能。霍玉峰等建立了鋼渣罐三維瞬態(tài)熱彈塑性仿真模型，對(duì)緩冷過程鋼渣罐的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，對(duì)罐體和縱橫加勁肋等典型部位的應(yīng)力和塑性應(yīng)變也進(jìn)行了分析。蘇文獻(xiàn)等利用有限元分析軟件對(duì)復(fù)雜載荷作用下帶夾套縮聚釜泄漏進(jìn)行失效分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)。黃云等采用有限元方法研究單、雙重裂紋的尺寸和位置變化對(duì)油氣管道應(yīng)力的影響，并擬合得出相應(yīng)公式。張國(guó)威等基于熱-結(jié)構(gòu)耦合的干氣壓縮機(jī)出口輸氣管道進(jìn)行應(yīng)力分析，當(dāng)管道溫差過大時(shí)，外壁所受應(yīng)力較大。伍穎等對(duì)管道上典型的平滑凹痕缺陷，根據(jù)管道的實(shí)際運(yùn)行狀況，建立了有限元模型，并得出應(yīng)力隨各參數(shù)的變化規(guī)律，采用非線性回歸分析方法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了擬合。帥健等分析占?jí)狠d荷作用下管道的應(yīng)力與變形，管道在上覆土體和夯實(shí)地基的不均勻作用下發(fā)生局部彎曲和橢圓化變形。

從上文的文獻(xiàn)中可以得出，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于管道應(yīng)力分析方面進(jìn)行了大量的研究，但是大部分研究都是忽略溫度下的單一和復(fù)雜載荷作用下的壓力管道應(yīng)力和強(qiáng)度分析，局限性比較大。本文研究了某化工企業(yè)中一條高溫高壓管道，建立了管道管件和焊縫的三維物理模型，利用有限元分析方法，研究了管道和焊縫在設(shè)計(jì)工況和使用工況下應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的情況，并基于分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，確定安全使用范圍。

2. 有限元模型

2.1 物理模型和材料屬性

該管道為某化工企業(yè)在用工業(yè)管道，在管道管件彎頭與三通焊縫連接處發(fā)現(xiàn)焊縫未焊滿情況，如圖1（a）中紅色框所示。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后得出，焊縫高度與管道表面相差10mm左右。管道整體設(shè)計(jì)壓力為44.8Mpa，設(shè)計(jì)溫度為260℃；工作壓力為38Mpa，工作溫度為110℃。三通管外徑為241.3mm，內(nèi)徑為125.1mm；彎管外徑為241.3mm，內(nèi)徑為140.9mm。管道焊縫焊接系數(shù)0.85。由于本文主要研究三通和彎管連接處焊縫的應(yīng)力分布情況，因此只選取了管道的三通和彎管這一部分進(jìn)行有限元分析。三通、彎管和焊縫的物理模型完全按照設(shè)計(jì)圖紙的尺寸來建立，如圖1（b）中所示。

三通和彎管材質(zhì)為ASME標(biāo)準(zhǔn)的SA-182F11 CL2，焊縫材質(zhì)保持與管件材質(zhì)一致。管件材料的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、泊松比和密度等特性參數(shù)參照ASME-SECTION Ⅱ PART-D中的材料特性進(jìn)行選取。

圖1 管道實(shí)物和三維物理模型

2.2單元選擇和網(wǎng)格劃分

在管道結(jié)構(gòu)分析中有限元模型選擇了8 節(jié)點(diǎn)六面體結(jié)構(gòu)分析單元Solid185單元。Solid185 單元用于構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，該單元具有塑性、超彈性、應(yīng)力剛化、蠕變、大變形和大應(yīng)變等功能。對(duì)于管道溫度場(chǎng)分析的有限元模型，選擇8 節(jié)點(diǎn)的等參單元Solid 70單元。Solid 70單元可用于三維的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析問題，并可以補(bǔ)償由于恒定速度場(chǎng)質(zhì)量輸運(yùn)帶來的熱流損失。管道物理模型的網(wǎng)格單元數(shù)為387 040，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為413 987。對(duì)三通管和彎管連接的焊縫處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，以確保滿足計(jì)算精度要求。管道整體網(wǎng)格細(xì)節(jié)如圖2所示。

圖2 管道網(wǎng)格模型

2.3邊界約束條件

管道應(yīng)力分析模型邊界條件如圖3所示，彎管端面A施加全位移約束、管道內(nèi)表面B施加垂直表面方向的內(nèi)壓力、三通管兩個(gè)端面C和D分別施加垂直端面向外的拉力。三通端面上施加的壓強(qiáng)可由Lame方程進(jìn)行確定，Lame方程計(jì)算公式如下：

   （1）

式中：P為設(shè)計(jì)壓力或工作壓力，Mpa；K為端面處管外徑與管內(nèi)徑之比；P2為三通管端面處受到的壓力，Mpa。

圖3 邊界條件

在設(shè)計(jì)工況和使用工況下管道應(yīng)力分析模型邊界條件具體設(shè)置如表1所示。

表2 溫度分析邊界條件管道溫度場(chǎng)分析模型的內(nèi)表面的溫度在設(shè)計(jì)工況下設(shè)置為設(shè)計(jì)溫度，在使用工況下設(shè)置為工作溫度，由于管道外表面沒有保溫，根據(jù)環(huán)境條件設(shè)置自然對(duì)流換熱系數(shù)。為了得到管道和焊縫應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的關(guān)系，則在非穩(wěn)態(tài)條件下設(shè)置計(jì)算總時(shí)間為1000s，時(shí)間步長(zhǎng)為50s。在設(shè)計(jì)工況和使用工況下管道溫度模型邊界條件具體設(shè)置如表2中所示。

表2 溫度分析邊界條件

3 .結(jié)果分析

3.1溫度分布

圖4中給出了使用工況下50s和1000s時(shí)刻管道溫度分布情況。從圖4（a）中可以看出管道內(nèi)壁最高溫度為110℃，管道外壁最低溫度為34.2℃，管道內(nèi)外溫差75.8℃。最低溫度出現(xiàn)在彎管內(nèi)側(cè)。從圖4（b）中可得到在1000s時(shí)刻管道外壁最低溫度為104.9℃，管道內(nèi)外溫差15.1℃。在1000s時(shí)刻管道整體溫度分布較50s時(shí)刻更為均勻，管道內(nèi)外壁溫差降低60.7℃，最低溫度由彎管內(nèi)側(cè)移至三通接口處。

圖4 使用工況溫度分布

圖5中同樣給出了設(shè)計(jì)工況下50s和1000s時(shí)刻管道溫度分布情況。從圖5（a）中可以看出管道內(nèi)壁最高溫度為260℃，在50s時(shí)刻管道外壁最低溫度為50.5℃，管道內(nèi)外溫差209.5℃。最低溫度同樣出現(xiàn)在彎管內(nèi)側(cè)。從圖5（b）中可得到在1000s時(shí)刻管道外壁最低溫度為245.8℃，管道內(nèi)外溫差14.2℃。在1000s時(shí)刻管道整體溫度分布較50s時(shí)刻更為均勻，管道內(nèi)外壁溫差降低195.3℃，最低溫度由彎管內(nèi)側(cè)移至三通接口處，與使用工況下相似。

圖5 設(shè)計(jì)工況溫度分布

圖6中給出了兩種工況下管道各個(gè)時(shí)刻的最低溫度隨時(shí)間變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著時(shí)間的增加，管道溫度不斷升高。在使用工況下，300s之前升溫速度較快，300s之后溫度逐步平穩(wěn)，700s之后溫度基本不再變化，在1000s時(shí)刻溫度達(dá)到104.9℃，此時(shí)管道溫度已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。在設(shè)計(jì)工況下，400s之前升溫速度較快，400s至800s之間升溫速度較慢，800s之后溫度也基本不再變化，在1000s時(shí)刻溫度達(dá)到245.8℃。

圖6 兩種工況下管道溫度隨時(shí)間的變化

3.2應(yīng)力分布

圖7中是管道在使用工況下50s和1000s時(shí)刻應(yīng)力分布情況。從圖7（a）中可以看出，在50s時(shí)刻，管道最大應(yīng)力為430.1Mpa，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在彎管外側(cè)表面處；焊縫處應(yīng)力水平較焊縫兩側(cè)有明顯的升高，焊縫處最大應(yīng)力為305Mpa，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在焊縫外表面處。從圖7（b）中可以得到，在1000s時(shí)刻，管道最大應(yīng)力為380.8Mpa，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在彎管內(nèi)側(cè)表面處；焊縫處最大應(yīng)力為210.8Mpa，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在焊縫外表面處。對(duì)比圖7（a）和（b）發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間增加管道最大應(yīng)力降低了49.3Mpa，焊縫處最大應(yīng)力降低了94.2Mpa，管道最大應(yīng)力點(diǎn)由彎管處外表面轉(zhuǎn)移到內(nèi)表面，焊縫最大應(yīng)力點(diǎn)基本沒有變化。

圖7 使用工況應(yīng)力分布

圖8中是管道在設(shè)計(jì)工況下50s和1000s時(shí)刻應(yīng)力分布情況。從圖8（a）中可以看出，在50s時(shí)刻，管道最大應(yīng)力為684.3Mpa，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在彎管內(nèi)側(cè)表面處；焊縫處應(yīng)力水平較焊縫兩側(cè)有明顯的升高，焊縫處最大應(yīng)力為529.8Mpa，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在焊縫外表面處。從圖8（b）中可以得到，在1000s時(shí)刻，管道最大應(yīng)力為454.2Mpa，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在彎管外側(cè)表面處；焊縫處最大應(yīng)力為259.2Mpa，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在焊縫外表面處。對(duì)比圖8（a）和（b）發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間增加管道最大應(yīng)力降低了230.1Mpa，焊縫處最大應(yīng)力降低了270.6Mpa，管道最大應(yīng)力點(diǎn)由彎管處內(nèi)表面轉(zhuǎn)移到外表面，焊縫最大應(yīng)力點(diǎn)基本沒有變化。

圖8 設(shè)計(jì)工況應(yīng)力分布

圖9中給出了使用工況和設(shè)計(jì)工況下管道和焊縫最大應(yīng)力隨時(shí)間變化情況。圖9（a）中是管道整體最大應(yīng)力隨時(shí)間變化情況，在兩種工況下，管道最大應(yīng)力都是隨著時(shí)間增加而降低；在設(shè)計(jì)工況下，400s之前管道應(yīng)力下降速率較大，400s之后管道應(yīng)力下降速率較小，400s之后管道最大應(yīng)力基本不發(fā)生變化；在使用工況下，300s之前管道應(yīng)力下降速率較大，300s之后管道應(yīng)力基本不再變化。圖9（b）中是焊縫最大應(yīng)力隨時(shí)間變化情況，焊縫最大應(yīng)力隨著時(shí)間增加而降低；在設(shè)計(jì)工況下，500s之前焊縫應(yīng)力下降速率較大，500s之后下降速率降低，500s之后焊縫最大應(yīng)力基本不再變化；在使用工況下，300s之前焊縫應(yīng)力下降速率較大，300s之后焊縫最大應(yīng)力基本不發(fā)生變化。對(duì)照?qǐng)D6和圖9發(fā)現(xiàn)，管道和焊縫的應(yīng)力速率變化與管道溫度速率變化有相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，溫度變化速率大則應(yīng)力變化速率也大，溫度變化速率小則應(yīng)力變化速率也小。

圖9 兩種工況下管道和焊縫最大應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況

3.3強(qiáng)度評(píng)定

對(duì)兩種工況下管道和焊縫應(yīng)力集中處分別進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，評(píng)定依據(jù)為JB4732-1995（2005年確認(rèn)）《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于彈性應(yīng)力分析法的評(píng)估策略，利用線性化原理對(duì)應(yīng)力集中處進(jìn)行應(yīng)力的分類評(píng)定。首先，通過最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)，并沿著壁厚最短距離設(shè)置線性化路徑；其次，三通和彎管連接處焊縫由于幾何不連續(xù)，因此沿相交處所取截面結(jié)果所得的薄膜應(yīng)力為一次局部薄膜應(yīng)力PL，對(duì)應(yīng)一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ；管道總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)的彎曲應(yīng)力應(yīng)該歸為二次應(yīng)力的范疇，為了滿足JB4732-1995（2005年確認(rèn)）《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)各應(yīng)力強(qiáng)度依次逐級(jí)評(píng)定的要求，對(duì)薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力加二次應(yīng)力按照SⅣ處理。應(yīng)力評(píng)定強(qiáng)度結(jié)果如表3所示。

從表3中應(yīng)力評(píng)定結(jié)果可以得出，在使用工況下管道管件和焊縫處均滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求；在設(shè)計(jì)工況下管道管件滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求，焊縫處在50s時(shí)刻應(yīng)力評(píng)定為不合格，說明在設(shè)計(jì)工況下管道焊縫處初始升溫過程中可能會(huì)出現(xiàn)開裂等失效情況，容易造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。

4. 分析和討論

通過對(duì)高壓管道和焊縫進(jìn)行溫度分析、應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定，在得到分析結(jié)果后發(fā)現(xiàn)該管道在設(shè)計(jì)和使用中存在以問題：在管道設(shè)計(jì)工況下，對(duì)管道和焊縫進(jìn)行應(yīng)力分析得到應(yīng)力分布情況，由于管道焊縫處有未焊滿，導(dǎo)致在焊縫處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；在對(duì)管道焊縫升溫過程中進(jìn)行線性化強(qiáng)度評(píng)定，發(fā)現(xiàn)在升溫初始50s時(shí)焊縫處強(qiáng)度評(píng)定不合格，不滿足強(qiáng)度要求。出現(xiàn)這種情況的原因?yàn)椋诠艿莱跏忌郎仉A段管道內(nèi)外溫差較大，管道內(nèi)二次應(yīng)力水平較高，再加上高強(qiáng)度的機(jī)械載荷和局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致在焊縫等結(jié)構(gòu)不連續(xù)處出現(xiàn)強(qiáng)度評(píng)定不合格。為了保證管道在設(shè)計(jì)工況下能夠安全運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)在焊縫處進(jìn)行補(bǔ)焊作業(yè)，使焊縫表面與管道表面平齊。當(dāng)焊縫填滿后，一方面焊縫強(qiáng)度得到提升，另一方面可以消除管道焊縫處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，降低應(yīng)力集中影響。

5. 結(jié)論

以某化工企業(yè)一條高溫高壓管道和焊縫為研究對(duì)象，基于彈性分析策略評(píng)價(jià)了管道和焊縫處高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力強(qiáng)度，并分析了該管道和焊縫的溫度分布和應(yīng)力分布情況，得到以下結(jié)論：

在使用工況下，隨著時(shí)間增加管道溫度不斷升高，1000s時(shí)管道溫度為104.9℃，內(nèi)外溫差15.1℃；在設(shè)計(jì)工況下，隨著時(shí)間增加管道溫度不斷升高，1000s時(shí)管道溫度為245.8℃，內(nèi)外溫差14.2℃；管道內(nèi)外溫差隨著時(shí)間增加而降低。

該管道在彎管和焊縫處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在使用工況下，彎管最大應(yīng)力為430.1Mpa，焊縫最大應(yīng)力為305Mpa；在設(shè)計(jì)工況下，彎管最大應(yīng)力為684.3Mpa，焊縫最大應(yīng)力為529.8Mpa；管道和焊縫最大應(yīng)力隨著時(shí)間增加逐漸減小。

對(duì)管道和焊縫升溫過程中進(jìn)行線性化強(qiáng)度評(píng)定，在使用工況下管道管件和焊縫處均滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求；在設(shè)計(jì)工況下管道管件滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求，管道焊縫處在50s時(shí)刻應(yīng)力評(píng)定為不合格，不滿足強(qiáng)度要求。

為了保證管道在設(shè)計(jì)工況下能夠安全運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)在焊縫處進(jìn)行補(bǔ)焊作業(yè)，使焊縫表面與管道表面平齊。