襯氟管道的形變量仿真分析

聶興臻 黃顏鋒 劉奇英（湖北興發(fā)化工集團股份有限公司 443007）

聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethene）一般稱作“不粘涂層”或“易潔鑊物料”；是一種使用了氟取代聚乙烯中所有氫原子的人工合成高分子材料。這種材料具有抗酸抗堿、抗各種有機溶劑的特點，幾乎不溶于所有的溶劑。同時，聚四氟乙烯具有耐高溫的特點，它的摩擦系數(shù)極低，所以可作潤滑作用之余，亦成為了易潔鑊和水管內層的理想涂料。在化工生產中，強酸強堿性物料必不可少，因而鋼襯聚四氟乙烯（PTFE）管道應運而生，經過多年來的實際使用得出，直接影響其使用壽命和性能穩(wěn)定的因素是溫度、壓力、介質等。由于內襯是聚四氟乙烯，故而鋼襯聚四氟乙烯（PTFE）管道具有如下特點：1、使用溫度高：在強腐蝕介質條件下，可以滿足使用溫度范圍-60℃～150℃，在此溫度范圍內（除了熔融堿金屬、元素氟及芳香烴類外），可滿足所有化學介質。2、耐高壓：在溫度使用范圍內，可承受高達3Mpa的使用壓力。3、抗?jié)B透：選用優(yōu)質的聚四氟乙烯樹脂，經過先進襯里工藝加工成高密度、足夠厚度的PTFE襯里層，使產品具有優(yōu)越的抗?jié)B透性。

一、鋼襯聚四氟乙烯（PTFE）管道使用現(xiàn)狀

鋼襯聚四氟乙烯管件在使用過程中，由于使用溫度的變化，容易出現(xiàn)襯氟層的撕裂或斷裂（見圖1所示，圖1襯聚四氟乙烯管件撕裂破壞狀況），而且發(fā)生此類狀況的一般為長管件。產生上述情況，由于聚四氟乙烯和碳鋼的熱膨脹系數(shù)不一致，導致襯聚四氟乙烯管道在熱脹冷縮的狀況下，熱形變不一致，產生的局部破損嚴重，從而出現(xiàn)撕裂或斷裂。聚四氟乙烯的線膨脹系數(shù)為鋼的10～20倍（聚四氟乙烯：（25～250℃）10～12×10-5/℃；碳鋼：（20-200℃）12.32e-6），比多數(shù)塑料大，其線膨脹系數(shù)隨著溫度的變化而發(fā)生變化?？紤]到生產過程的要節(jié)約備用件的儲存，即減少后期維護成本，并通過此類分析，得出聚四氟乙烯管隨厚度的變化關系及隨溫度及長度的變化關系，厚度的關系，有利于采購的過程中確定襯聚四氟乙烯管件長度尺寸。

二、鋼襯聚四氟乙烯（PTFE）管道形變量仿真分析的模型

考慮到鋼襯聚四氟乙烯管件的復雜性，在此形變分析中，采用的模型為外徑為57mm的鋼管，鋼管壁厚為3mm，內襯聚四氟乙烯（PTFE或F4），聚四氟乙烯的厚度為2mm、3mm、4mm及5mm，即聚四氟乙烯管的管外徑為51mm。考慮實際使用溫度為150～170℃之間，分析的溫度值采用了100～180℃之間，間隔為10℃。考慮到分析的簡化，直接使用聚四氟乙烯管，由于液體在鋼襯聚四氟乙烯管流動，使管內具有一定的壓力，保證了聚四氟乙烯管的外壁與鋼管一直緊密接觸，故在管外徑曲面上施加X向及Y向位移約束（即在四氟管外表面上施加周向約束，四氟層在長度方向上具有軸向移動）。此模型中主要分析聚四氟乙烯的形變，為了體現(xiàn)形變的綜合值，故在管的一個截面上施加X向、Y向、Z向位移約束（即，四氟層在長度方向上向一側軸向移動）。

聚四氟乙烯性能參數(shù)的取值：導熱系數(shù)為0.256W/m?K，密度為2200Kg/m3，線膨脹系數(shù)為12.8e-5/℃，比熱為1.05e-5 J/kg·K ，泊松比為0.4，摩擦系數(shù)0.11。

三、聚四氟乙烯仿真分析

1.聚四氟乙烯管（4mm）在不同溫度及長度下的分析

考慮生產實際中，鋼襯聚四氟乙烯管件使用溫度一般在150～170℃之間，使用的聚四氟乙烯的厚度在3.5mm左右，在此分析中，選用160℃作為仿真分析時的聚四氟乙烯管內液體的溫度，選用4mm作為仿真分析時的聚四氟乙烯管壁厚，四氟乙烯管對管內液體的對流換熱考慮為強制對流，對流換熱系數(shù)為1000W/（m^2·℃）。

采用ANSYS有限元分析軟件，由于考慮的是最終結果的影響，利用穩(wěn)態(tài)分析，得出在160℃內部液體的作用下，200mm長、4mm壁厚聚四氟乙烯管的變形量為6.175mm（如圖3聚四氟乙烯管仿真分析結果（L=200mm）所示）。根據200mm長的管件的變形分析結果，將液體的溫度變化范圍設置為100、110、120、130、140、150、160、170、180℃等9個值，而聚四氟乙烯管的長度設置為200、400、600、800、1000、1200、1400、1600、1800、2000mm等10個值進行全范圍的分析，得出一系列的變形數(shù)值，利用origin7.5建立了分析結果云圖（如圖4聚四氟乙烯管仿真分析結果云圖（4mm）所示）。

根據所得云圖可以得出，在一定的厚度（4mm）下，同長度下隨著管內液體溫度的升高，聚四氟乙烯變形量（伸長量）成線性變化，在同管內液體溫度下也隨聚四氟乙烯管的長度成線性變化，也即在一定厚度下，聚四氟乙烯管的熱形變是一個線性變化，可以根據相關實驗參數(shù)得出具體的數(shù)值，有利于實際運用中根據此結果進行查詢，得出在不同溫度及管徑下最佳的鋼襯聚四氟乙烯管件長度。

2.不同長度及厚度的聚四氟乙烯管在160℃的分析

考慮生產實際中，鋼襯聚四氟乙烯管件使用溫度一般在150～170℃之間，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）在不同溫度及長度下的分析”比較中，選用160℃作為仿真分析時的聚四氟乙烯管內液體的溫度，選用2mm、3mm、4mm、5mm作為仿真分析時的聚四氟乙烯管壁厚，而聚四氟乙烯管的長度設置為200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1400、1500、1600、1800、1900、2000、2200、2400、2600、2800、3000mm等22個值進行全范圍的分析，將分析的結果統(tǒng)計歸納，利用origin7.5建立了有關壁厚及長度的分析結果線圖（如圖5所示，聚四氟乙烯管在160℃液體作用下不同的壁厚同長度的真分析結果線圖），由此可見，聚四氟乙烯管的形變量同管長度是成線性變化，而且變化同聚四氟乙烯管的壁厚是有密切關系的，在圖6聚四氟乙烯管仿真分析結果線圖（內部液體溫度為160℃，聚四氟乙烯管管長為200至1200mm局部詳細線圖）中，可以看出，聚四氟乙烯壁厚越厚，其在線圖中的斜率越大，即在相同的溫度下，其形變量越大，而且斜率還是一個恒定值。

根據上述的分析結果，將其聚四氟乙烯管壁厚對應的形變量增量進行統(tǒng)計歸納，再利用origin7.5建立了有關壁厚及長度的分析結果線圖（如圖7所示，聚四氟乙烯管在160℃液體作用下，不同壁厚管在不同長度下對應的形變量增量線圖，其值取的為每100mm管長的增量值），由此可見，壁厚對應的形變量增量是一個幾乎恒定值，2mm的壁厚對應的100mm形變量增量的值為2.964mm，而3mm的為3.017mm、4mm為3.075mm、5mm為3.136mm。

小結

通過以上有關聚四氟乙烯管的形變量的分析，得出了相關的管長、使用溫度、壁厚的相關關聯(lián)信息，由于本文只是利用簡化模型分析，還未加入管徑等相關信息，有待于進一步的完善，但是通過相關結果可見，使用鋼襯聚四氟乙烯管，要充分考慮聚四氟乙烯管的使用溫度或壁厚，再來選擇合適的長度，這樣可以充分保證鋼襯聚四氟乙烯管管內襯里在一個可預見的范圍內，這樣可控，并且可以保證在使用過程中不會因為徒然的溫度變化導致鋼襯聚四氟乙烯管管內襯里撕裂。以上只是利用仿真分析所得結果，有待于實驗來論證，但是通過相關仿真可以節(jié)約大量的人力、物力、時間。將在以后的過程中，通過相關系列的仿真分析來完善相關的鋼襯聚四氟乙烯管信息。

[1]康玉昆化工用襯四氟管的損壞分析和處理[J]化工設備與管道 2010年10月第47卷第5期 57～60.

[2]張朝輝 ANSYS8.0熱分析教程與實例解析[M]北京：中國鐵道出版社，2005.