張鵬程 張 強(qiáng) 楊鈞杰

①長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 ②中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司

通過(guò)對(duì)輸送管道的工況分析，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)輸送管道進(jìn)行三維流場(chǎng)分析，并對(duì)管道內(nèi)部的溫度情況進(jìn)行數(shù)值模擬，將得出工作過(guò)程中管道的壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合到結(jié)構(gòu)場(chǎng)利用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，研究在不同進(jìn)口流速下，不同的外部環(huán)境溫度和流體溫度對(duì)輸送管道結(jié)構(gòu)的影響，得出應(yīng)力最大的位置主要集中在夾緊部位的周圍，在與管壁交匯處達(dá)到最大。研究表明，在不同的溫度工況下，隨著進(jìn)口流速的增大，輸送管道所承受的應(yīng)力和變形的程度也越大，但增長(zhǎng)的趨勢(shì)變化十分微小，流速的增大對(duì)于管壁的影響很小。隨著流體溫度的逐漸增加，輸送管道的應(yīng)力和變形量逐漸降低直至最終趨于穩(wěn)定，但當(dāng)外部溫度過(guò)高，管道的應(yīng)力和變形值的變化是先逐漸減小后逐漸增加。

近年來(lái)，管道的強(qiáng)度破壞而引起的失效屢見(jiàn)不鮮[1-4]。作為運(yùn)輸各類流體的生命通道，在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，管道的強(qiáng)度問(wèn)題應(yīng)該引起足夠的重視，否則會(huì)造成嚴(yán)重的工業(yè)事故，危害國(guó)家和人民的生命安全。

針對(duì)管道的強(qiáng)度問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了較多且系統(tǒng)的研究。孫靖云[5]等對(duì)地震載荷工況下隧道內(nèi)油氣管道進(jìn)行應(yīng)力分析分析，研究了管道的最危險(xiǎn)截面，計(jì)算出了危險(xiǎn)彎管的應(yīng)力比率，校核了應(yīng)力允許值；趙通來(lái)[6]等通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值仿真研究彎頭位置及彎管曲率半徑對(duì)管道模態(tài)特性的影響規(guī)律；黃坤[7]等對(duì)沿坡敷設(shè)管道進(jìn)行應(yīng)力分析，研究安裝、試壓和運(yùn)行工況下管道的受力情況，得出沿坡敷設(shè)方式的安全性較高的結(jié)論；付永領(lǐng)[8]等對(duì)某一典型的高壓管段進(jìn)行了數(shù)值液固耦合分析，探討了在航空泵非定常流速下彎管轉(zhuǎn)角對(duì)該管道振動(dòng)特性的影響；Xiao Nan Wu[9]等利用總體應(yīng)力分析軟件進(jìn)行了懸浮管道的數(shù)值模擬，探討了懸浮長(zhǎng)度和浮力對(duì)懸浮管道應(yīng)力的敏感性；V.G.Tsyss[10]等研究了管道系統(tǒng)柔性接頭在超壓作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，對(duì)管道殼體和接觸部位金屬法蘭的接觸力和接觸力分布進(jìn)行了估計(jì)。

但是以上所做的研究主要集中在流體對(duì)于管道的沖擊及模態(tài)振動(dòng)，僅僅考慮了在工作過(guò)程中，輸送介質(zhì)對(duì)于管道的沖擊作用，而忽略了在不同的工作環(huán)境下，工作環(huán)境溫度的改變以及內(nèi)部運(yùn)輸介質(zhì)的溫度的改變對(duì)于整個(gè)工作過(guò)程的影響程度。

本文針對(duì)管道的工作情況，結(jié)合相應(yīng)的工作環(huán)境溫度以及輸送介質(zhì)的溫度變化，對(duì)于在不同進(jìn)口流速下，通過(guò)對(duì)管道內(nèi)部流場(chǎng)的模擬，得出內(nèi)部流場(chǎng)的壓力分布，分析外部環(huán)境溫度和內(nèi)部介質(zhì)的溫度在管道的分布情況，通過(guò)熱-流-固耦合最終得出流場(chǎng)壓力和熱載荷作用下的管道結(jié)構(gòu)場(chǎng)，研究得出管道破壞應(yīng)力及變形規(guī)律。

1 輸送管道數(shù)值模擬

1.1 輸送管道流場(chǎng)分析

（1）輸送管道的幾何模型建立。

建立輸送管道的三維模型，其模型及流域如圖1所示。重力加速度沿著z軸向下。管道分為三段式，包括三個(gè)直管段和兩個(gè)彎管段，管道厚度為5mm，其內(nèi)徑為45mm，彎管段處的曲率半徑為90mm，直管段的長(zhǎng)度為225mm。由于一般在管道輸送過(guò)程中，為了保證管道的安全性，常在中間處設(shè)置夾緊裝置更好保護(hù)流體輸送的平穩(wěn)性。

圖1 管道流域

（2）管道輸送控制方程。

（3）邊界條件設(shè)定。

通過(guò)對(duì)整個(gè)工作環(huán)境的分析，采用流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT對(duì)輸送管道進(jìn)行流場(chǎng)分析。設(shè)置管道輸送的介質(zhì)的密度為1800kg/m3，動(dòng)力粘度為0.001Pa·s，設(shè)置進(jìn)口的速度大小為15m/s，出口設(shè)置為自由出流，壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，能量、動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率均采用二階迎風(fēng)格式。

（4）輸送管道流場(chǎng)分析。

通過(guò)對(duì)整個(gè)輸送過(guò)程的仿真模擬，得出了在輸送過(guò)程中整個(gè)管道的壓力場(chǎng)分布，結(jié)果如圖2所示。

圖2 管道壓力場(chǎng)分布

從圖2可以得知：在整個(gè)管道輸送過(guò)程中，在水平管流經(jīng)水平彎管段處，在彎管流域靠外處的正壓力最大，在其靠?jī)?nèi)處的負(fù)壓力最大，即在其曲率半徑大的位置承受最大的壓力，而在曲率半徑小的位置承受最大的拉力，所以在彎管處的外法線方向上受到持續(xù)的作用力，同樣在豎直彎管端存在同樣的作用效果，但是相對(duì)應(yīng)位置的壓力大小相對(duì)較小。在流經(jīng)水平彎管處，流體介質(zhì)與壁面發(fā)生激烈碰撞，同時(shí)產(chǎn)生局部阻力損失和沿程阻力損失，當(dāng)?shù)竭_(dá)豎直彎管段時(shí)，相對(duì)地流體能量減小，且往高處輸送的過(guò)程中需要克服其自身重力做功，同樣在彎管處也會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力能量損失。

1.2 輸送管道溫度場(chǎng)分析

由于一年四季的氣溫變化，以及在不同緯度的地方氣候差異性也很大，因此針對(duì)在不同時(shí)節(jié)、不同區(qū)域，輸送管道所處的溫度環(huán)境是不一樣的，而流體介質(zhì)本身也可能由于在不同環(huán)境，自身溫度也不一樣。所以設(shè)置在特定的環(huán)境下，設(shè)置材料的熱傳熱系數(shù)為60w/（m·k），設(shè)置管道的外部環(huán)境溫度（以To表 示）為25℃，內(nèi)部流體溫度（以Ti表 示）為60℃，有限元模型及溫度場(chǎng)分布云圖如圖3、圖4所示。

圖3 輸送管道的有限元模型

圖4 輸送管道的徑向溫度場(chǎng)分布

從圖4可知從輸送管道徑向截面上來(lái)看，整個(gè)溫度場(chǎng)在徑向方向上從內(nèi)到外，隨著內(nèi)徑的逐漸增大，溫度逐漸降低，且各溫度層之間的分布較為均勻。

1.3 輸送管道的應(yīng)力及變形分析

通過(guò)對(duì)輸送管道的流場(chǎng)分析以及溫度場(chǎng)的模擬，得出了相應(yīng)的壓力場(chǎng)和溫度載荷分布，通過(guò)耦合的方式集中在結(jié)構(gòu)場(chǎng)里進(jìn)行有限元分析，對(duì)其劃分網(wǎng)格后，對(duì)輸送管道的進(jìn)出口端面以及夾緊部位進(jìn)行固定約束，然后將流體壓力以及溫度載荷加載進(jìn)來(lái)，對(duì)整個(gè)輸送管道進(jìn)行應(yīng)力及變形分析，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 輸送管道的應(yīng)力分布

圖6 輸送管道的變形情況

從對(duì)輸送管道的分析來(lái)看，應(yīng)力最大的位置主要集中在夾緊部位的周圍，在與管壁交匯處達(dá)到最大，大小為182.71MPa。然后逐次向外層遞減，在整個(gè)管壁內(nèi)外側(cè)，應(yīng)力分布較為平均，大小集中在60～100MPa。變形最大的位置集中在彎管段，在向上輸送的彎管段處的變形達(dá)到最大，最大變形量為0.053mm。由于流體對(duì)管壁的作用力，在彎管處達(dá)到最大，所以使得在彎管段處朝其外法線方向變形最大，同時(shí)在豎直管段的自身重力作用，彎管處的變形程度會(huì)加劇，所以在豎直彎管段的變形會(huì)最大。

2 溫度對(duì)輸送管道的應(yīng)力影響分析

由于溫度的變化對(duì)輸送管道的影響較大，所以研究在不同進(jìn)口流速下，不同環(huán)境溫度和介質(zhì)溫度對(duì)輸送管道的應(yīng)力變形程度就很有必要。由于不同地域的溫度存在很多差異，所以設(shè)置外界環(huán)境溫度To變 化范圍為-50℃～40℃，設(shè)置流體介質(zhì)溫度Ti為 -30℃～60℃，進(jìn)口流速為5m/s～25m/s?？紤]到溫度的變化會(huì)引起流體介質(zhì)粘度的變化，但由于粘度的變化對(duì)管道壁面作用力變化較小，所以在計(jì)算時(shí)忽略流體介質(zhì)粘度對(duì)管壁的作用效果[11]。

2.1 進(jìn)口流速對(duì)管道結(jié)構(gòu)的影響

在不同溫度下進(jìn)口流速的變化對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)的影響。設(shè)置進(jìn)口流速為5m/s，10m/s，15m/s，20m/s，25m/s，在溫度的選擇上選擇比較極端的溫度環(huán)境。選擇外部環(huán)境溫度為40℃和-50℃，內(nèi)部流體介質(zhì)的溫度選擇上設(shè)為60℃和-30℃。分析結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 進(jìn)口流速對(duì)輸送管道的應(yīng)力影響

圖8 進(jìn)口流速對(duì)輸送管道的變形影響

從圖可得，在不同的溫度工況下，隨著進(jìn)口流速的增大，輸送管道所承受的應(yīng)力也逐漸增大，變形的程度也越大。但增長(zhǎng)的趨勢(shì)變化十分微小，說(shuō)明流速的增大對(duì)于管壁的影響很小。在不同的工況下，在To=40℃，Ti=-30℃的工況下管壁所受的應(yīng)力和變形最小，在To=-50℃，Ti=-30℃的工況下管壁所受的應(yīng)力和變形最小。說(shuō)明在內(nèi)部流體的溫度一定時(shí)，外部環(huán)境溫度越低，對(duì)于輸送管道的應(yīng)力和變形的影響越大。當(dāng)外部環(huán)境溫度較低時(shí)，材料的延展性會(huì)降低，沖擊韌性急劇降低，當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí)會(huì)發(fā)生低溫脆性轉(zhuǎn)變，材料性能會(huì)變脆，材料容易發(fā)生變形。

2.2 溫度對(duì)管道結(jié)構(gòu)的影響

溫度也是影響管道結(jié)構(gòu)的因素之一。設(shè)置外部環(huán)境溫度T0為-50℃，-25℃，-20℃，5℃，25℃，流體溫度Ti為-30℃，-15℃，0℃，15℃，30℃，45℃，60℃。進(jìn)口流速為15m/s，分析溫度對(duì)管道結(jié)構(gòu)的影響。

從圖9、圖10可得，在進(jìn)口速度一定的情況下，隨著流體溫度的逐漸增加，輸送管道的應(yīng)力逐漸降低直至最終趨于穩(wěn)定，同樣隨著流體溫度的升高，輸送管道的變形量的大致變化趨勢(shì)是逐漸減小。隨著外部環(huán)境溫度的逐漸增加，輸送管道的應(yīng)力值和變形量變化的大致趨勢(shì)都逐漸減小。由于溫度的降低導(dǎo)致材料向脆硬方向轉(zhuǎn)變，繼而其強(qiáng)度和變形會(huì)降低。

圖9 溫度對(duì)輸送管道的應(yīng)力影響

圖10 溫度對(duì)輸送管道的變形影響

當(dāng)To=5℃、25℃時(shí)，其應(yīng)力和變形曲線的變化情況和其他外部溫度環(huán)境下不一樣。當(dāng)外部環(huán)境溫度和流體溫度都很低時(shí)，管道的所受的應(yīng)力和變形量都很大，同時(shí)當(dāng)外部環(huán)境溫度升高，在不同流體溫度下最終的應(yīng)力和應(yīng)變的變化趨勢(shì)是不一樣的。當(dāng)外部溫度過(guò)高，管道的應(yīng)力和變形值的變化是先逐漸減小后逐漸增加。流體介質(zhì)溫度的升高使管道內(nèi)壁的組織變化，導(dǎo)致輸送管道的強(qiáng)度降低，變形量增大。

3 結(jié)論

（1）在整個(gè)管道輸送過(guò)程中，在彎管流域的壓力最大，內(nèi)部各溫度層之間的分布較為均勻，通過(guò)耦合后得出應(yīng)力最大的位置主要集中在加緊部位的周圍，在與管壁交匯處達(dá)到最大。

（2）隨著進(jìn)口流速的增大，輸送管道所承受的應(yīng)力和變形的程度也越大，但增長(zhǎng)的趨勢(shì)變化十分微小，說(shuō)明流速的增大對(duì)于管壁的影響很小。

（3）隨著流體溫度的逐漸增加，輸送管道的應(yīng)力和變形量逐漸降低直至最終趨于穩(wěn)定，但當(dāng)外部溫度過(guò)高，管道的應(yīng)力和變形值的變化是先逐漸減小后逐漸增加。

（4）建議在管道設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮管道內(nèi)外的溫度變化來(lái)防止極端工況下的結(jié)構(gòu)破壞。