基于ANSYS自增强高压管道的承载能力研究.pdf

《基于ANSYS自增强高压管道的承载能力研究.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12期张玲艳等．基于ANSYS自增强高压管道的承载能力研究基于ANSYS自增强高压管道的承载能力研究‘、张玲艳邱水才卢齐英(南昌大学科学技术学院，南昌330029)摘要针对某超高压管道的工作特点，利用ANSYS有限元分析软件对未经自增强处理和经过自增强处理后的高压管道的受力状态进行了分析比对，根据分析结果可知：采用自增强处理技术之后的高压管道的承载能力明显提高，且延长了高压管道的使用寿命。关键词高压管道自增强有限元中图分类号TQ055．8+1文献标识码A文章编号1000·3932(2012)12

2、-1609_03高压管道广泛应用于石油、天然气及制药等化工行业中，高压管道由于在工作中承受着较高压强(大于IOOMPa的称为超高压)的作用，使得管道内壁到外壁的应力分布极不均匀，为了满足工况要求，不能简单地从选择高强度材料和增加管道厚度来考虑，而应该从高压管道内部的受载情况进行分析，从结构方面改善管道内的应力分布，提高管道的疲劳寿命，减少由于管道断裂产生的安全隐患⋯。自增强处理是将高压管道在使用前进行大于工作压力(自增强压力)的超压处理，超压时形成塑性区和弹性区。卸压后，塑性区有残余应变，弹性区受

3、到残余应变的阻挡也恢复不到原来的位置，两区之间就形成了相互作用力。塑性区中形成残余压应力，弹性区中形成残余拉应力，在管壁中形成预应力，即有利的残余应力。经过自增强处理的高压管道的屈服承载能力有较大的提高旧。。笔者利用ANSYS有限元软件对某一超高压工况下的管道进行分析，得到了未经自增强和经过自增强处理后的的管道受载情况。1高压管道的状态参数处于弹塑性状态下的高压管道如图1所示(R．为内径，民为外径，足。为弹塑性区分界处半径)。选取的超高压管道的内径R，=17mm，外径R。=39mm，承受的工作压力

4、P=300MPa，无轴向压力，轴向长度视为无穷。高压管道的材料为30CrNiM08钢，材料的弹性模量E=200GPa，泊松比肛=0．3。操作温度下的盯b=1000MPa，盯。=900MPa。根据VonMises屈服准则，首先求出弹塑区弹性区图1处于弹塑性状态下的高压管道分界半径R。，而R。处的轴向f电力盯。应等于经自增强处理后的残余应力与工作压力共同作用下的轴向应力的和¨o：盯。=暑[·+(鲁)2]{(鲁)2一爵％。【·一(鲁)2+z，n鲁】)+专妥【，+(鲁)2】令其一阶导数为零，得到R。=21

5、．015mm，再根据残余应力和拉美公式可得自增强压力P。=；·√3(警删n挣58”⋯a。有限元建模时，高压管道的结构简化为具有对称面的无限长圆柱体，利用结构的对称性取1／4圆柱面进行分析，截断面受到另一边实体的约束。2高压管道的有限元分析2．1未经自增强处理时管道的承载情况有限元模型采用四面体进行网格划分，划分收稿日期：2012—10·14(修改稿)化工自动化及仪表第39卷单元类型为solidI83，网格边长为1．3ram，在未经自增强处理时，直接对高压管道施加P=300MPa的工作压力，考虑约束

6、并直接施加工作载荷后的有限元模型如卤2所示⋯。用s01ve求解后，得到高压管道的VonMises膻力如图3所示。图3施加工作载荷时的VonMises应力由图3可知，未经自增强处理的高压管道直接参加工作，在承受300MPa的工作压力时，内壁比较薄的地方承受的VonMises平均应力为64lMPa，而外壁比较厚的区域内承受的VonMises平均应力为125MPa，显然，管道在，【作中承受的应力沿壁厚方向分布严重不均，受力不合理，易导致管道提前失效。2．2自增强处理后管道的承载情况同样的管道用液压法进行

7、自增强处理，自增强压力根据计算取589．08MPa，进行有限元分析时，单元类型仍然取solidl83，网格边长为1．3mm，定义材料模型时假设材料的塑性应变的大小与时间无关，即认为材料有率无关性。施加载荷后，确定时间步长0．2s，然后分三个载荷步施加载荷，第一个载荷步模拟自增强加载的过程，第二个载荷步模拟卸载自增强载荷，第三三个载荷步模拟经自增强处理后施加工作载荷的情况。通过求解得到第一个载荷步下，即对管道进行自增强处理时管道的VonMises应力图(图4)及VonMises应力分布曲线图(图5)

8、。图4自增强压力下管道的VonMises应力903．239839．733，776．226芝712．719弋649．212：585．705墓522．199=458．692—395．185331．67826817l图5自增强压力下管道的VonMises应力分布曲线图5中的横坐标原点表示管道内径处，横坐标的终点表示管道外壁处，从图5中可以发现经过自增强压力处理后，高压管道从内径处沿管径3mm厚的这一部分管道产生了屈服。求解第二个载荷步时，即自增强压力卸除后，得到高压管道内部的残余应力分布