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    结构耦合的干气压缩机出口输气管道

    2018-10-29   来源:   点击数:19次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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     中国钢管信息港权威报道:1前言热-结构耦合问题是结构分析中经常遇到的类耦合分析问题。关键材料对动力电池安全性的影响首先,隔膜垂直方向上的机械强度越高,电池发生微短路的几率就越小。因此在隔膜表面复合陶瓷涂层等可以大幅度地改善动力电池的安全性。隔膜的微孔关闭功能是改进动力电池安全性的另一方法,隔膜该功能的原理是当电池温度上升到一定值时,组成微孔隔膜的聚合物发生熔融,微孔结构被破坏,电解液中锂离子的迁移通道被阻断,电池放电停止,可以在一定程度上改善动力电池的安全性。另一方面,隔膜的热收缩特性对电池的安全性也非常重要。如果电池温度上升造成隔膜收缩,从而引发正负极间短路,使电池温度急剧升高,引发热失控。因此,隔膜的热收缩率越小,电池的安全性能越好。普通商品隔膜在温度为120C和150C时的热收缩率分别为22%和42%,而复合陶瓷涂层隔膜的热收缩较小,在上述温度下的热收缩率可达到5%和14%.如果隔膜热收缩率在150C下小于5%,则隔膜对电池安全性的贡献就不可忽视。由于结构温度场的分布不均会引起结构的热应力,或者结构部件在高温环境中工作,材料受到温度的影响会发生性能的改变,这些都是进行结构分析时需要考虑的因素。为此需要先进行相应的热分析,然后在进行结构分析。本课题来源于海洋终端关键设备管道的应力监测。为保证管道的安全运行,保护人民的生命财产安全,有必要对服役管线进行应力分析与监测,评价终端系统的安全状况。本文通过理论分析管道由内压引起的各种应力,又进行ANSYS软件的数值模拟,初步掌握管道在内压和不同温度载荷作用下的应力分布,为今后的管道设计、施工和检测提供。
     
      2管道结构应力分析作用在管道的各种荷载,都会在管道上产生内力和相应的应力。管道内通常流动的是高温流体,管道可以看成是压力容器。当管道的外径与内径之比大于1.2时,通常认定为厚壁管,若小于等于1.2时,认定为薄壁管00.薄壁管的应力状态可以使用薄壁圆筒理论的假设,即:环向应力沿壁厚均匀分布,压力载荷作用在平均直径上。
     
      3管道热应力分析对于薄壁管道,由内压引起的应力主要有轴向应力、周向应力和径向应力。轴向应力是作用于平行管道轴线的正应力;周向应力,它的方向是垂直于轴向,同时平行于管壁圆周的切线方向,是在管道中出现的另一类正应力;径向应力,它与管道的半径方向平行,变化范围是从等于管道内壁表面上的内压到等于管道外壁表面上的大气压之间。这3种应力的计算公式m:由于薄壁管道可视为空心圆筒,可以根据空心圆筒热应力的分析理论,得出以下公式:P――管道的内压,MPa D管道上计算点的直径,m S―管道壁厚,m管道径向正应力,MPa r,―管道内半径,mr一管道外半径,m r一管道计算点的径向位置,m瓦(Tz管道轴向的正应力,Pa a―材料线膨胀系数,m/m E――拉压弹性模量,N/m2AT―管道温差,C―泊松系数R,R管道内、外半径,m k―周向分量,常数4热结构耦合数值模拟管道内部的介质大部分是高温流体,管道在正常工作时,相对于温度的降低或者升高,都会相应地产生收缩或者膨胀,因此会产生热应力。热应力属于二次应力,因为变形受到约束或者结构各个部分之间变形协调所引起的应力,是管道破坏的主要原因之5.以管道截面圆为地面建立圆柱坐标系,以管道轴向为Z轴,如所示。
     
      管道圆柱坐标系示意管道上任一点为B(R,Z),圆柱坐标系与直角坐标系的转换关系为:热-结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力、应变和位移等物理量影响的分析类型。热-结构耦合分析有两种常用的方法,直接耦合法和间接耦合法。直接耦合法是同时求解温度场和位移场,精度较高但是收敛性差,计算量大,不适于工程应用。而间接耦合法对于应力场和温度场之间耦合较弱的情况特别适用,计算简单且易于收敛16.本文采用顺序间接耦合法对某终端的干气压缩机的出口管道进行热-结构耦合分析7,即先进行温度场分析再进行位移场、应力场分析,分析基本流程如所示。该管道内壁温度130C,管道外壁温度129.7°C,压力(表)7.1MPa,外径x壁厚“-”56x17mm,管道材质为20无缝钢管。管道三维结构模型如所示,管道截面模型如所示。
     
      4.1管道在内压作用下的数值模拟假设在理想情况下,管道没有压力的损失,管道内压作用是定值。将管道模型简化成平面圆环进行应力分析,对管道模型采用有限元单元为Structuralsolid4node182,按所提供的参数建立模型,通过ANSYS加载求解后,等效应力分布如所示。
     
      热-结构耦合分析流程管道截面有限元模型等效应力分布从可知管道外壁的等效应力最小为64MPa,内壁等效应力最大为74.4MPa.根据8知20无缝钢管的需用应力130MPa,故此分析结果满足使用要求。
     
      4.2管道在内压和热应力耦合作用下的数值模拟这里采用顺序耦合的方法,热分析采用有限元单元为ThermalSolidQuad 55,当热分析转化为结构分析后采用有限元单元为Structuralsolid 182,按所提供的参数建立模型,通过ANSYS加载求解后,等效应力分布如所示。
     
      等效热结构耦合应力分布从可知管道外壁的等效应力最小为64.4MPa,内壁等效应力最大为74. 1MPa.根据4.3管道在不同温差下热结构耦合的数值模拟当管道在内壁温度不变的情况下,计算外壁在不同温度下管道的热应力,其中设置外壁温度及计算结果分别如表1所示。
     
      表1内壁温度不变,外壁在不同温度下的热分析等效应力结果温度(尤)最小等效应力(MPa)最大等效应力(MPa)从计算的分布云图得出,最小等效应力出现在管道壁中间部分,最大等效应力出现在管道内壁和外壁部分,如所示。
     
      当管道在内壁温度不变的情况下,计算外壁在不同温度下管道的热-结构耦合等效应力,其中设置外壁温度及计算结果分别如表2所不。
     
      管道热应力分布表2内壁温度不变,外壁在不同温度下的热-结构耦合等效应力结果温度(尤)最小等效应力(MPa)最大等效应力(MPa)从求解后等效应力分布云图得出,外壁温度129~125这5组等效应力分布均是外壁为最小等效应力,内壁为最大等效应力。而当外壁温度为124时,内壁等效应力为最小值68. 7MPa,外壁为最大值69.8MPa,如、所示。
     
      中国钢管信息港权威报道:外壁温度为125T:时等效应力分布根据以上数据和、所示,当管道内壁温度不变的情况下,外壁温差逐渐降低时,管道热应力的最大和最小值都随之增大,且最小等效应力分布在管壁中间层。在热结构耦合下,当管道内压和内壁温度不变的情况下,外壁温差逐渐降低时,管道内外壁等效应力逐渐接近,到某一温差时,内外壁等效应力相同。当外壁温度继续降低时,管道内壁等效应力逐渐减小,外壁等效应力逐渐增大。由此可知,管道内外壁温差过大,会造成管道外壁承受较大应力,进而破坏管道。
     
      外壁温度为124T:时等效应力分布5结语根据管道截面建立进行热结构顺序耦合的计算分析,充电至510ks时,电池温度与电压的变化的局部放大测试了3块电池,3次的结果很相似,且均未燃烧。电池以0.5C放电倍率过充电时,当电压充电到4.5V时,电池温度开始升高,充电到5.1V时达到最大值80°C,然后温度开始下降,电压到5.3V左右急剧上升到20V,温度也随之升高到86C,然后温度下降。电池过充后有微小的变形,但还基本保持原来的形状。说明该电池在过充电时,没有发生内部剧烈反应,具有抗过充电池恒流充电到4.55V时(6.2ks)开始迅速升温,500s内从30C上升到40C,说明此时内部有剧烈放热反应,此时的主要反应是电解液在正极表面被氧化,此时电压在4.59V附近停滞了约400s,然后上升到4.673V.然后电压开始下降,电池充电到8.2ks时,电压下降到4.62V,此时的主要反应是氧化态(充电态)的正极材料开始与电解液反应,反应后正极材料的氧化态降低,因此电压有回落现象。然后电压开始回升。电池温度在7.1~8.8ks出现下降,从39C下降到37C,然后继续升高,见a,此时由于正极材料表面有反应产物隔离,因此电解液在正极表面被氧化的反应暂时减缓,电池产热小于散热,因此温度略有下降。对能够影响结构温度场与应力场的若干参数进行了分析;计算结果和应力分布云图表明,在热结构耦合下,当管道内压和内壁温度不变的情况下,内外壁温差逐渐增大时,管道内壁等效应力逐渐减小,外壁等效应力逐渐增大。当管道外环境温度较低时,应对管道进行保温处理,防止管道外壁所受应力较大,进而管道遭到破损。中国钢管信息港权威报道
     
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