有限元法在化工管道应力分析中的应用探讨

贾丽君

摘要：有限元分析法是一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法，其在化工管道应用分析中的应用重要作用。采用有限元法及优化设计思想对管道进行剩余强度评价和剩余寿命预测，为管道如何继续使用和检测周期的制定提供理论依据。基于此，文章主要对有限元分析法进行了简单的介绍，并对其在化工管道应力分析中的应用进行了研究，希望为化工管道的维护管理工作提供参考。

关键词：化工管道；应力分析；有限元分析法；应用

随着工业化的高速发展，化工管道在各类物料运输的环节中的应用越来越广泛。但是，在化工管道运输过程中，受运输原料、方式等因素的影响，化工管道常常会出现应力变形问题，影响管道运输水平。采用有限元法分析化工管道焊接接头残余应力，能够得到准确的应力变形数据，及时发现化工管道存在的问题，并制定相应的处理措施，避免管道运输事故的出现，从而提高化工管道运输水平。

1化工管道概述

1.1化工管道的特点

在化工行业，化工管道得到广泛的应用，在石油和天然气的运输中，管道的用途广泛。管道根据用途的不同，也被分成不同的类型，现在，不同的化工管道都是采用焊接的技术制作。但是管道在焊接的环节中，由于加热不均匀，或者冷却方式不对，就会导致管道出现热胀冷缩的问题，在管道的内部会产生很大的残余应力，其对管道的强度和刚度产生很大的影响，也会导致管道的稳定性的下降，长时间会导致管道产生严重的变形问题。

1.2化工管道的设计优化

化工生产的过程非常的复杂，化工机械是一类常见的机械设备，在设计的环节中，除了要遵循机械设计的共性特征，而且还要分析设计的特殊性，在设计的过程中，要面对不同的参数，其难度非常大。在进行机械设计的环节中，应该采用优化设计的方式，在一定的工作条件下，要对机械的性能和尺寸进行设计，还要分析外界环境对机械运行的影响，从而达到设计的目的。在进行变量选取的环节中，应该通过对自变量和因变量的分析，建立起目标函数，从而获得最佳值。在进行变量和目标函数设计的环节中，完善空间设计。

2有限元分析法在化工管道应力分析中的应用

2.1有限元分析法

有限元法在实际的应用中，主要是采用有限元分析的方式，可以对偏微方程进行求解，是一类常见的数值方法。近年来，大量的研究针对优先单元，这种方法逐渐地被工业领域接受。有限元法主要采用了变分原理和加权余量的方法，将一个结构分成不同的组合体，将这些组合体分成不同的单元，科学地选择节点，从而可以建立函数，将微分方程中的变量转化成各个变量和其他的倒数的节点值，从而运用函数的方式进行线性表达，通过加权余量的方式，对方程进行离散求解。在对各项权重进行分析的环节中，应该采用权函数和插值函数结合的方式，从而形成科学的有限元的方法。由于有限元法的通用性非常强，其在工程领域的应用非常的广泛，如今，计算机技术实现了高速的发展，有限元法成为计算机辅助技术的重要代表，在数值的仿真中发挥的作用非常的明显。

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缝的模型，其次要进行温度场和应力场的分析，并且划分单元，增加束缚和荷载，最后求解，从而得到温度和残余应力的分布情况，找到最佳的解决方案。采用有限元法对化工管道进行保护，运用软件对化工管道的保温过程进行热分析，从而在化工管道保温的环节中，可以防止各类损失的产生；采用有限元法对化工管道承受的压力进行分析，分析小尺寸的缺陷对管道应力产生的影响，从而找到规律，对管道的热应力进行有限元的分析，从而使应力的分布呈現出一定的规律性；还能对管道的腐蚀情况进行分析，防止大量的腐蚀问题产生。

2.3含腐蚀缺陷化工管道剩余寿命预测

由于化工管道所输送的介质往往具有高温高压、易燃易爆和有毒等特点，化工管道缺陷的存在始终是化工行业安全生产的重大隐患，运用有限元法可以有效地计算腐蚀管线的剩余强度。

2.3.1剩余寿命预测方法

第一，基于概率统计的预测方法。由于影响腐蚀的因素很多，腐蚀缺陷的发生和发展难以预测，管道腐蚀具有相当的随机性。但对于相同环境、操作工况和工作介质的管道，其腐蚀特点服从一定的统计规律，因此可通过概率统计分析研究腐蚀管线的剩余寿命。

第二，基于腐蚀速率的预测方法。强度是对在役油气管线和设备进行安全一性分析的主要依据。当腐蚀缺陷扩展到某一极限尺寸，管线强度也对应衰减到最小值，此时管线达到最大使用寿命，即剩余寿命为零。因此，将当前状态发展到强度极限状态时的壁厚减薄量除以相应的腐蚀速率，所得的时间值即为腐蚀管道的剩余寿命。

第三，概率统计与腐蚀速率结合的方法由于基于概率统计和基于腐蚀速率这两种腐蚀速率预测方法均有各自的优点，将二者有机地结合起来便可形成新的预测方法。

根据腐蚀速率的确定方法确定管线腐蚀速率Rc，根据式：

经计算得到含缺陷管道最大允许腐蚀深度dmax，则由下式：

可计算得到腐蚀管道剩余寿命T，其中，RC为腐蚀速率，mm/a。

2.3.2有限元法确定最小剩余壁厚

有限元法可较精确地预测腐蚀管线的最小剩余壁厚。根据腐蚀缺陷表征化处理结果，利用ANSYS软件可建立含缺陷管线的有限元计算模型，经有限元计算可获得其详尽的应力场分布并预测其剩余强度。基于有限元优化设计的思想，可计算腐蚀管道最小剩余壁厚，实现剩余寿命的预测。边界条件处理，管道对称面上施加对称约束，缺陷所在横截面上施加轴向位移约束，管道内壁施加内压，管道端面施加轴向平衡面载荷Pc，其按式：

其中，PL为工作压力，Mpa；Di为管子内直径，mm；tys为缺陷管道原始壁厚；Pc为轴向平衡面载荷，Mpa。由于压力管道穿越地域广阔、服役环境复杂，以及输送介质的特殊性，因而会在管道内外壁大量地出现腐蚀缺陷。腐蚀造成的直接结果是管道的壁厚减薄，当壁厚减少到一定程度时，剩余的管壁金属再也不能承受管道的实际工作载荷而失效，这一程度下的剩余壁厚就是腐蚀管道允许的最小剩余壁厚。腐蚀管线最小剩余壁厚值的确定，是剩余寿命预测必须解决的问题。腐蚀管线最小剩余壁厚是管道安全与失效的分界线。在该剩余壁厚下，管道工作应力达到了极限状态，剩余壁厚再减小，就会穿孔泄漏失效，到达有效使用寿命，而高于该值腐蚀管道则是安全的。

结束语

总而言之，在科学技术的推动下，有限元分析法在工业设计中的应用越来越广泛，在化工管道应力分析过程中，引入有限元分析方法，能够通过数据或图像等比较直观的方法，得到详细的检测分析方案，对提高化工石化管道工程质量，降低管道应力变形事故的发展有着重要意义。

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