高压聚乙烯装置超高压反应管内腐蚀缺陷有限元分析.pdf

《高压聚乙烯装置超高压反应管内腐蚀缺陷有限元分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第42卷第2期化工机械245高压聚乙烯装置超高压反应管内腐蚀缺陷有限元分析任世科+刘雪梅张振杰(中国石油兰州石化公司研究院)摘要基于VonMises屈服准则，采用有限元弹塑性分析方法对含腐蚀缺陷的高压聚乙烯装置超高压反应管道的应力分布进行有限元分析，研究腐蚀缺陷的长度、宽度和深度对压力管道极限载荷的影响，把分析得到的临界失效状态下的壁厚作为超高压管道爆破的安全阈值。关键词管道超高压管式反应器腐蚀缺陷极限载荷、有限元分析中图分类号TQ055．8+1文献标识码A文章编号0254-6094(2015)02-0245-04超高压管式反应器(超高压反应管道)是石化产

2、业生产装置的关键设备之一，在生产过程中反应器内的工作压力属于超高压，而且操作温度一般在200℃以上。反应器中的介质具有易爆特性，超高压管式反应器在役期间受到开停工循环载荷、正常操作条件下的压力和温度波动、伺服阀动作产生的脉动压力冲击、管内介质发生超温分解反应时的热冲击、交变应力及冷却水等作用，这些因素单独或者综合作用时会引起超高压管式反应器内自增强残余应力的松弛和材料损伤，或内表面产生表面裂纹，或发生部分腐蚀现象。腐蚀现象的发生将降低设备的安全性，因此如何有效地对超高压管式反应器内的腐蚀缺陷进行分析研究具有重大的现实意义¨“。。高压聚乙烯装置超高压反应管道

3、内发生部分腐蚀呈现各种缺陷，如点蚀、环向及轴向腐蚀等。笔者基于VonMises屈服准则，采用有限元弹塑性分析方法对含缺陷的压力管道进行有限元分析，研究腐蚀缺陷的长度、宽度和深度对压力管道极限载荷的影响。1建模依据文中主要涉及到热分析、结构分析和耦合分析，应用热一结构耦合分析，在热分析结果的基础上对管道腐蚀模型进行有限元分析，模拟实际管道的工作情况。根据圣维南定理¨1，为了消除边界效应，分析模型的长度取管线直径的3～5倍，这里取腐蚀尺寸的10倍及以上。同时为减少分析时间取模型的1／8加边界对称约束来分析。以国际标准单位建模，并考虑到环向腐蚀作为一种特殊的轴向

4、腐蚀，将两者合为一种情况进行分析。图1为轴向腐蚀和点蚀缺陷模型。表1列出K10X(30CrNiM08)的力学性能参数，计算所需的其他参数如下：管内壁压强260—285MPa管外壁压强6．4MPa管内温度300c12管外温度189。C管内介质平均密度0．922／water流量88t／ht任世科，男，1969年5月生，高级工程师。甘肃省兰州市，730060。246化工机械2015正图1缺陷模型表1K10X(30CrNiM08)的力学性能参数分析中采用美国ASMEVII一3规程，许用应力的计算采用全屈服压力的1／2，即：㈨讯肚击，nK堋4·6MPa趾号式中K——

5、腐蚀轴向长度／腐蚀深度；P。——全屈服压力，MPa；[6]——许用应力，MPa；6。——自增强残余应力，MPa。2分析结果2．1轴向、环向腐蚀分析结果从图2中曲线的变化可以看出，随着缺陷长度的增加，缺陷处等效应力有增大趋势，但是增大到一定程度后最大、最小等效应力不再增加；而随缺陷宽度的增加，并不对计算结果产生大的影响，可以忽略该因素；缺陷深度是影响应力变化的主要因素，可以看出在较小的缺陷深度下，缺陷处应力分布只与深度有关，随着缺陷深度和缺陷长度的增加，应力值有较大的变化。该研究中，采用美国ASMEVIII一3规程，即许用应力的计算采用全屈服压力的1／2，约

6、为500MPa，当缺陷处的最大应力达到该值时，原则上管道开始产生破坏，应该停止使用或更换新的管道系统。通过对模型进行计算，并剔除其中由于模型建立和软件分析中的各种各样精度导致的奇异值，最终在轴向、环向腐蚀下允许管道正常工作的缺陷深度低于7．36mm，该值可以作为预警阈值。a．K为2、3、4时的最大等效应力b．K为2、3、4时的最小等效应力图2工作应力下耦合等效应力随缺陷深度的变化2．2点蚀有限元分析结果超高压管道在点蚀缺陷下，最大、最小等效应力随缺陷深度的增加而不断增加，并且随缺陷外轮廓长度的增加，相应应力值也不断增加(图3)。主要原因为模型在建立时，尺寸

7、相对管道外径较小，由于缺陷外部轮廓不可避免地对工作应力的作用产生一定限制作用，当缺陷长度增加到一定值时，等效应力值不再发生变化。同样剔除奇异值，得出管道在点蚀缺陷下的临界破坏深度约为9．62mm。考虑到在实际管道系统中，往往在一个局部区域分布多个点蚀，并且各个点蚀相互连接，单个点蚀存在的情况较少，因此，应该参考轴向、第42卷第2期化工机械247环向腐蚀的临界壁厚值。巴_喜oj哥耧辩父强腐蚀深度／rama．K为0．6、O．8时的最大等效应力腐蚀深度／mml，．K为0．6、O．80,J的最，j、等效应力图3工作应力下耦合最大、最小等效应力随点蚀缺陷深度的变化2

8、．3流固耦合模态分析流固耦合系统的模态分析，根据计算过程可以分为湿