衬氟管道的形变量仿真分析

2022-09-11

聚四氟乙烯 (Polytetrafluoroethene) 一般称作“不粘涂层”或“易洁镬物料”;是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点, 几乎不溶于所有的溶剂。同时, 聚四氟乙烯具有耐高温的特点, 它的摩擦系数极低, 所以可作润滑作用之余, 亦成为了易洁镬和水管内层的理想涂料。在化工生产中, 强酸强碱性物料必不可少, 因而钢衬聚四氟乙烯 (PTFE) 管道应运而生, 经过多年来的实际使用得出, 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。由于内衬是聚四氟乙烯, 故而钢衬聚四氟乙烯 (PT-FE) 管道具有如下特点:1、使用温度高:在强腐蚀介质条件下, 可以满足使用温度范围-60℃~150℃, 在此温度范围内 (除了熔融碱金属、元素氟及芳香烃类外) , 可满足所有化学介质。2、耐高压:在温度使用范围内, 可承受高达3Mpa的使用压力。3、抗渗透:选用优质的聚四氟乙烯树脂, 经过先进衬里工艺加工成高密度、足够厚度的PTFE衬里层, 使产品具有优越的抗渗透性。

一、钢衬聚四氟乙烯 (PTFE) 管道使用现状

钢衬聚四氟乙烯管件在使用过程中, 由于使用温度的变化, 容易出现衬氟层的撕裂或断裂 (见图1所示, 图1衬聚四氟乙烯管件撕裂破坏状况) , 而且发生此类状况的一般为长管件。产生上述情况, 由于聚四氟乙烯和碳钢的热膨胀系数不一致, 导致衬聚四氟乙烯管道在热胀冷缩的状况下, 热形变不一致, 产生的局部破损严重, 从而出现撕裂或断裂。聚四氟乙烯的线膨胀系数为钢的10~20倍 (聚四氟乙烯: (25~250℃) 10~12×10-5/℃;碳钢: (20-200℃) 12.32e-6) , 比多数塑料大, 其线膨胀系数随着温度的变化而发生变化。考虑到生产过程的要节约备用件的储存, 即减少后期维护成本, 并通过此类分析, 得出聚四氟乙烯管随厚度的变化关系及随温度及长度的变化关系, 厚度的关系, 有利于采购的过程中确定衬聚四氟乙烯管件长度尺寸。

二、钢衬聚四氟乙烯 (PTFE) 管道形变量仿真分析的模型

考虑到钢衬聚四氟乙烯管件的复杂性, 在此形变分析中, 采用的模型为外径为57mm的钢管, 钢管壁厚为3mm, 内衬聚四氟乙烯 (PTFE或F4) , 聚四氟乙烯的厚度为2mm、3mm、4mm及5mm, 即聚四氟乙烯管的管外径为51mm。考虑实际使用温度为150~170℃之间, 分析的温度值采用了100~180℃之间, 间隔为10℃。考虑到分析的简化, 直接使用聚四氟乙烯管, 由于液体在钢衬聚四氟乙烯管流动, 使管内具有一定的压力, 保证了聚四氟乙烯管的外壁与钢管一直紧密接触, 故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形变, 为了体现形变的综合值, 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) 。

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

三、聚四氟乙烯仿真分析

1. 聚四氟乙烯管 (4mm) 在不同温度及长度下的分析

考虑生产实际中, 钢衬聚四氟乙烯管件使用温度一般在150~170℃之间, 使用的聚四氟乙烯的厚度在3.5mm左右, 在此分析中, 选用160℃作为仿真分析时的聚四氟乙烯管内液体的温度, 选用4mm作为仿真分析时的聚四氟乙烯管壁厚, 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·℃) 。

采用ANSYS有限元分析软件, 由于考虑的是最终结果的影响, 利用稳态分析, 得出在160℃内部液体的作用下, 200mm长、4mm壁厚聚四氟乙烯管的变形量为6.175mm (如图3聚四氟乙烯管仿真分析结果 (L=200mm) 所示) 。根据200mm长的管件的变形分析结果, 将液体的温度变化范围设置为100、110、120、130、140、150、160、170、180℃等9个值, 而聚四氟乙烯管的长度设置为200、400、600、800、1000、1200、1400、1600、1800、2000mm等10个值进行全范围的分析, 得出一系列的变形数值, 利用origin7.5建立了分析结果云图 (如图4聚四氟乙烯管仿真分析结果云图 (4mm) 所示) 。

根据所得云图可以得出, 在一定的厚度 (4mm) 下, 同长度下随着管内液体温度的升高, 聚四氟乙烯变形量 (伸长量) 成线性变化, 在同管内液体温度下也随聚四氟乙烯管的长度成线性变化, 也即在一定厚度下, 聚四氟乙烯管的热形变是一个线性变化, 可以根据相关实验参数得出具体的数值, 有利于实际运用中根据此结果进行查询, 得出在不同温度及管径下最佳的钢衬聚四氟乙烯管件长度。

2. 不同长度及厚度的聚四氟乙烯管在160℃的分析

考虑生产实际中, 钢衬聚四氟乙烯管件使用温度一般在150~170℃之间, 使用的聚四氟乙烯的厚度在3.5mm左右, 在此分析中, 在此“3.1聚四氟乙烯管 (4mm) 在不同温度及长度下的分析”比较中, 选用160℃作为仿真分析时的聚四氟乙烯管内液体的温度, 选用2mm、3mm、4mm、5mm作为仿真分析时的聚四氟乙烯管壁厚, 而聚四氟乙烯管的长度设置为200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1400、1500、1600、1800、1900、2000、2200、2400、2600、2800、3000mm等22个值进行全范围的分析, 将分析的结果统计归纳, 利用origin7.5建立了有关壁厚及长度的分析结果线图 (如图5所示, 聚四氟乙烯管在160℃液体作用下不同的壁厚同长度的真分析结果线图) , 由此可见, 聚四氟乙烯管的形变量同管长度是成线性变化, 而且变化同聚四氟乙烯管的壁厚是有密切关系的, 在图6聚四氟乙烯管仿真分析结果线图 (内部液体温度为160℃, 聚四氟乙烯管管长为200至1200mm局部详细线图) 中, 可以看出, 聚四氟乙烯壁厚越厚, 其在线图中的斜率越大, 即在相同的温度下, 其形变量越大, 而且斜率还是一个恒定值。

根据上述的分析结果, 将其聚四氟乙烯管壁厚对应的形变量增量进行统计归纳, 再利用origin7.5建立了有关壁厚及长度的分析结果线图 (如图7所示, 聚四氟乙烯管在160℃液体作用下, 不同壁厚管在不同长度下对应的形变量增量线图, 其值取的为每100mm管长的增量值) , 由此可见, 壁厚对应的形变量增量是一个几乎恒定值, 2mm的壁厚对应的100mm形变量增量的值为2.964mm, 而3mm的为3.017mm、4mm为3.075mm、5mm为3.136mm。

小结

通过以上有关聚四氟乙烯管的形变量的分析, 得出了相关的管长、使用温度、壁厚的相关关联信息, 由于本文只是利用简化模型分析, 还未加入管径等相关信息, 有待于进一步的完善, 但是通过相关结果可见, 使用钢衬聚四氟乙烯管, 要充分考虑聚四氟乙烯管的使用温度或壁厚, 再来选择合适的长度, 这样可以充分保证钢衬聚四氟乙烯管管内衬里在一个可预见的范围内, 这样可控, 并且可以保证在使用过程中不会因为徒然的温度变化导致钢衬聚四氟乙烯管管内衬里撕裂。以上只是利用仿真分析所得结果, 有待于实验来论证, 但是通过相关仿真可以节约大量的人力、物力、时间。将在以后的过程中, 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信息。

摘要：在化工生产中, 衬氟管件是铺设酸性管道主要构件之一, 特别是高温高压管线的铺设, 衬氟管件得到广泛运用, 而运行的过程中, 高温高压条件下的衬氟管件容易损坏, 现利用ANSYS强大的热力学分析功能, 寻求通过仿真分析, 通过分析得出的热形变量 (最大位移量) 等, 得出同管径的管道长度及衬氟层厚度的关系, 以此来保证后续生产中依照此进行备件采购及使用, 减少后期衬氟管线的维护量及备件的购置量, 从而减少生产运行成本, 增加公司的收益。

关键词：衬氟管件,ANSYS,热形变,仿真分析