旋转补偿器补偿性能有限元模拟分析(1290)

1编号：1290旋转补偿器补偿性能有限元模拟分析赵九峰1，孙亮2，孙建华3（1.武汉顺源游乐设备制造有限公司，湖北武汉430301；2.中国特种设备检测研究院，北京100013；3.江苏宏鑫旋转补偿器科技有限公司，江苏宜兴214212）摘要：在内压、温升作用下，采用ANSYS软件对旋转补偿器的补偿性能进行有限元模拟分析。管道材质为15CrMo，旋转补偿器前后主管道（直管）分别长300m，温度由20℃升至450℃，最高内压为3.9MPa。旋转补偿器能够实现预计的位移补偿功能，单只旋转补偿器的补偿能力达到1800mm。最高温度、内压条件下，主管道及补偿器单元表面应力范围为36~45MPa，小于许用应力111MPa。强度分析表明，旋转补偿器的密封座凸台、芯管台阶以及异径管小端等部位由于结构不连续，存在较强的应力集中现象，制造过程中应确保上述部位制造质量。关键词：旋转补偿器；有限元模拟；补偿性能；应力分布FiniteelementanalysisofcompensationperformanceofrevolvingcompensatorZhaoJiu-eng，SunLiang，SunJianhuaAbstract:FiniteelementanalysisofcompensationperformanceofrevolvingcompensatorbytheinnerpressureandtemperatureloadinANSYS.Pipematerialis15CrMo,bothsidesofthemainpipe(straightpipe)is300mandthetemperaturefrom20℃to450℃,themaximuminternalpressureis3.9MPa.Thecompensationperformanceofsinglerotarycompensatorcanreach1800mm,toachievetheexpecteddisplacementcompensationperformanceofrevolvingcompensator.Underthemaximumtemperatureandtheinternalpressure,theelementsurfacestressofthemainpipeandthecompensatoris36~45MPa,whichislessthantheallowablestressof111MPa.Thereisastrongstressconcentrationduetothestructuraldiscontinuityofthesealingconvexplatform,thecoretubestepsandthesmallendofreducingpipebystrengthanalysis,toensurethequalityofthesepartsinthemanufacturingprocess.Keywords:RevolvingCompensator;Finiteelementsimulation;Compensationperformance;Stressdistribution为吸收供热管道热位移，减少管壁应力和作用在管件或支架结构上的作用力，需要在管道上设置补偿器，2特别是蒸汽供热管道[1-2]。可以说，补偿器是蒸汽管道中的关键部件，作为管道工程的一个重要组成部分，在保证蒸汽供热管道长期正常运行方面发挥着重要的作用[3]。目前，蒸汽供热管道常采用自然补偿方式，每隔一定长度利用4只弯头组成一个方形补偿器，利用弯头和管子的弹性变形来吸收管道的热位移，需要耗费大量的管子和弯头，材料成本大幅增加，使工程造价居高不下[4-6]。目前，基于有限元的补偿器分析，主要是补偿器部件承载能力的分析，对补偿器在整个管道中的补偿性能分析，由于模型大（600m长），建模复杂，计算速度慢，国内较少涉及。本文利用有限元分析软件ANSYS12.0，运用非线性有限元法，采用实体单元、接触单元，在ANSYS中建立带有旋转补偿器的管道有限元模型，对旋转补偿器补偿性能进行有限元模拟分析，并将分析结果与理论结果进行比较，证明有限元模拟分析结果的合理性。1工作原理及参数设定某补偿器生产厂家推出了SZG-ZQ型耐高压自密封旋转补偿器，某化工公司一条中压蒸汽管道设计压力3.9MPa、设计温度450°C，管道规格为Φ325×14mm，主管道全长为600m，管道材料为15CrMoG。主管道中间设置一组共两只SZG-ZQ型旋转补偿器，旋转补偿器主体材料为15CrMo,工作温度为450℃时，15CrMo钢的基本许用应力为111MPa。旋转补偿器利用角位移方式来吸收管道的热膨胀，其吸收的热膨胀量可达2m，甚至更长（根据管道的刚度和强度来确定）。在运行工况下，吸收二次应力，使管道处于自由状态，从而使管道的使用寿命大大延长，比方形补偿器更加安全耐用。旋转补偿器的典型安装方式见图1、2。由于补偿器内外管可自由地相对转动，当主管路因热胀冷缩产生轴向位移时，会带动跨接管路转动，从而达到了位移补偿的作用。图1旋转补偿器的实际现场安装3主管路主管路旋转补偿器跨接管路旋转补偿器图2旋转补偿器典型安装形式安装旋转补偿器时，通常根据计算补偿量确定将跨接管段的水平长度和中心位置，以保证补偿前后跨接管水平段长度不变，从而达到了无附加推力的位移补偿效果[7]，旋转补偿器的补偿原理见图3。主管路初态位置跨接管路终态位置初态位置主管路位移补偿量ΔLɑ主管线间距L0终态位置图3旋转补偿器补的偿原理设定主管道的位移量ΔL与热膨胀系数和温度变化有关：ΔL=LΔT（1）式中ΔL——主管道的位移量，mmL——主管道长度，mm，3×105mmΔT——温升，常温为20℃，ΔT=450℃-20℃=430℃；——热膨胀系数，1.385×10-5将各参数代入（1）式，得ΔL=1787mm。考虑内压对ΔL影响，将ΔL圆整为1800mm。补偿过程中，旋转补偿器的运动轨迹为圆弧，为了满足主管路在补偿过程中近似做直线运动，设定补偿过程中，跨接管路回转的角度不大于60°。由三角函数关系可知，主管路的间距L0：L0=ΔLtan（2）式中——补偿过程中连接管路与主管路所在直线的夹角的最大值，=60°将各参数代入（2）式，得L0=3118mm。旋转补偿器是一种新型结构的补偿器，主要由芯管、导向滚珠、压盖、预紧螺栓、带凸台密封座、密封填料、垫片、异径管等部件组成，如图4所示。主体材料为15CrMo钢，弹性模量和热膨胀系数随着温度的4不同而变化，见表1。预紧螺栓芯管压盖密封座填料密封座凸台垫片异径管导向滚珠·图4旋转补偿器结构示意图表115CrMo钢材参数温度/℃弹性模量/MPa热膨胀系数泊松比202.06×10500.31001.99×1051.190×10-50.32001.90×1051.260×10-50.32501.87×1051.290×10-50.33001.81×1051.320×10-50.33501.76×1051.345×10-50.34001.72×1051.370×10-50.34501.67×1051.385×10-50.32有限元模型2.1模型简化主管路由于温度升高，产生轴向位移时，芯管与垫片、垫片与密封座之间存在滑动摩擦力，周向力克服任意一个摩擦力，都能实现其相对转动，从而达到位移补偿的作用。为了减少摩擦对的数量，仿真计算更易收敛，在不影响仿真结果的前提下，垫片与芯管可在一起建模，导向滚珠与密封座一起建模，用圆弧模拟导向滚珠，建立芯管与密封座凸台之间的面面接触，密封座与芯管之间建立点面接触，见图5。芯管与密封座凸台之间为滑动摩擦，滑动摩擦系数设置为0.05；导向滚珠与芯管之间为滚动摩擦，摩擦系数设置为0.001。5图5旋转补偿器简化结构2.2单元网格的划分使用通用结构分析软件ANSYS12.0，采用三维实体单元（SOLID45），分别建立了旋转补偿器前后主管、跨接管道、补偿器剖面、补偿器单元的有限元模型（分别见图6~9），并进行单元网格划分。图6旋转补偿器前后主管有限元模型图7补偿器剖面有限元模型6图8跨接管道有限元模型图9补偿器单元的有限元模型2.3载荷及约束根据设计规定的内压，在所有体上施加450℃的温度载荷，在芯管内表面、异径管内表面、跨接管路和主管路内表面施加3.9MPa的均布压力载荷。为了消除刚体位移，在主管路两端施加全约束；由于主管路放置在导向卡座上，在主管路上施加Y方向约束（UY）；为了限制侧向位移，在跨接管路中部，施加Z向位移约束（UZ），载荷与约束图10。a.在主管道上施加的约束7b.跨接管路上施加的约束图10模型上施加的约束3整体补偿性能分析旋转补偿器前后主管道长度分别为300m，不同温度、内压条件下旋转补偿的位移见图12。由图12可知，当升至设计温度、内压时，旋转补偿器轴向位移分别为1989mm、-1991mm。由于在补偿管线轴向位移的同时，旋转补偿器的芯管和与信管相连跨接管路会发生转动，因此上述总位移中除管线热膨胀位移外，还包含旋转导致的附加位移，补偿过程中的附加位移见图11。主管路跨接管路终态位置初态位置主管路总位移60°附加位移芯管图11附加位移示意图理论上本次分析的管线的旋转角度为60°，因此理论上旋转导致的附加轴向位移为芯管外半径，即182mm。减去旋转导致的轴向位移后，计算所得旋转补偿器的位移补偿值为：1807mm、-1809mm，与建模时预测的1800mm极其接近，误差小于1%，说明旋转补偿器的位移补偿能力满足设计要求，同时也说明有限元分析模型合理、计算结果可靠。8a.内压0.0975MPa、温度11.25℃b.内压1.38MPa、温度159.434℃c.内压2.49MPa、温度287.578℃9d.内压3.9MPa、温度450℃图12不同温度、内压条件下旋转补偿的位移（单位mm）4应力分析在升压、升温终止后的稳定状态下，旋转补偿器前后主管段、补偿器单元应力分布分别见图13、14。有图13、14可知，旋转补偿器前后主管段应力分布均匀，范围为36~45MPa。内压作用下圆筒外表面理论应力计算式为[8]：)12(~2Kp（3）式中~——内压作用下圆筒外表面理论应力，MPap——内压，MPa，3.9MPaK——管道径比，1.094由式（3）计算得~=39.627MPa，与图13、14所示接近。说明安装旋转补偿的管线，在热膨胀终态，位移补偿导致的直管段上的附加应力较小，直管段主要承受的还是内压载荷。图13旋转补偿器前后主管段应力分布（单位MPa）10图14补偿器单元应力分布为了进一步定量分析全部加载过程中的直管段上的附加力水平，提取了不同载荷水平下，距旋转补偿器50m处的管线外表面应力强度，并与内压导致的理论应力（由式3求得）进行对比，见图15。由图15可知，理论值与有限元分析结果基本重合，表明在管道升温升压过程中，附加力矩小，变化平稳。内压Mpa理论值FEM000.11.0160742950.22.0321485910.33.0482228860.44.0642971810.55.0803714770.66.0964457720.77.1125200670.88.1285943630.99.144668658110.160742951.111.176817251.212.192891541.313.208965841.414.225040131.515.241114431.616.257188731.717.273263021.818.289337321.919.30541161220.321485912.121.33756022.222.35363452.323.369708792.424.385783092.525.401857382.626.417931682.727.434005972.828.450080272.929.46615457330.4822