衬氟管道温度及管径变化的形变量仿真分析

聂兴臻 李祖荣 黄颜锋 刘奇英（湖北兴发化工集股份有限公司,湖北 宜昌 443007）

聚四氟乙烯(F4，PTFE)具有一系列优良的使用性能：耐高温—长期使用温度200-260度，耐低温—在-100度时仍柔软；耐腐蚀—能耐王水和一切有机溶剂。聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物。英文缩写为PTFE。结构式为：CF3(CF2CF2)nCF3。化工生产中广泛应用钢衬聚四氟乙烯（PTFE）管道，而直接影响其使用寿命和性能稳定的因素是温度、压力、介质等。

1 钢衬聚四氟乙烯（F4）管道变形量仿真模拟模型

在钢衬聚四氟乙烯（F4）管道变形量仿真模拟中，长度为200mm，3mm钢管壁厚，内衬2mm聚四氟乙烯（F4），而钢管的直径数据为 32mm、38mm、48mm、57mm、76mm、89mm、108mm、133mm、159mm、219mm、273mm、325mm、377mm、426mm，分析的温度值采用了100-170℃之间，间隔为10℃。分析简化为直接使用聚四氟乙烯管，在管外径曲面上施加X向及Y向位移约束（即在四氟管外表面上施加周向约束，四氟层在长度方向上具有轴向移动）。此模型中主要分析聚四氟乙烯的变形量，为了体现变形的综合值，故在管的一个截面上施加X向、Y向、Z向位移约束（即，四氟层在长度方向上向一侧轴向移动）。

聚四氟乙烯物理性能参数：密度为2200Kg/m3，导热系数为0.256W/m·K，比热为1.05e-5J/kg·K，线膨胀系数为12.8e-5/℃，摩擦系数0.11，泊松比为0.4，初始温度为20℃。

2 聚四氟乙烯仿真分析

在仿真分析中，聚四氟乙烯管内部温度选用100-170℃，聚四氟乙烯管壁厚为2mm，四氟乙烯管对管内液体的对流换热考虑为强制对流，对流换热系数为1000W/(m^2·℃)。

图1、200mmPTFE管道不同温度下管径对应的变形量

采用ANSYS有限元分析软件，利用稳态分析，得出在液体的温度变化范围设置为100、110、120、130、140、150、160、170℃等8个值下的变形量，而聚四氟乙烯管的直径按照模型中给定的14个值进行分析，得出一系列对应的变形数值，利用ori⁃gin7.5建立了分析结果线图（如图1、200mmPTFE管道不同温度下管径对应的变形量所示）。根据线图可以得出，2mm厚度聚四氟乙烯管道，长度相同的状态下，随着管内液体温度的升高，聚四氟乙烯变形量（伸长量）随管径的增大变形量而逐渐降低，管径越小相同温度下的变形量越大，管径也小，相同的温升条件下变形量也大。

图2、200mmPTFE管道不同温度下管径对应的变形云图

根据上述数据建立的云图（图2、200mmPTFE管道不同温度下管径对应的变形云图），从云图中可以发现：在长度一定的状况下，温度一定时随着管径的增大，变形量变小，并趋于一定的3.5mm的变形。在管径一定的状况下，随着温度的升高，变形量趋于直线变化。

3 结语

通过一定长度下的聚四氟乙烯管在不同的温度及管径下的仿真分析，得出了温度及管径的关联信息，通过分析结果可见，使用钢衬聚四氟乙烯管过程中，要充分考虑使用温度或管径，再来确定钢衬聚四氟乙烯管道的长度，可以保证管道变形在一个可接受的范围内，并且确保在使用过程中不会因为温度的徒然变化导致管内衬里撕裂。以上结论只是利用仿真分析所得结果，有待于生产或实践来论证，但是通过仿真可以节约大量的人力、物力、时间。将在以后的过程中，继续通过相关系列的仿真分析来完善相关的钢衬聚四氟乙烯管使用信息。

[1]聂兴臻,黄颜锋,刘奇英.衬氟管道的热应力仿真分析[J]北京：化工管理，2014年9月总第349期：154-155.

[2]张朝辉.ANSYS8.0热分析教程与实例解析[M].北京：中国铁道出版社，2005.