金屬軟管失穩(wěn)分析及結構優(yōu)化

朱金花，牛錚，危書濤，范?？?，李永泰，董衛(wèi)華

（1.合肥通用機械研究院有限公司；2.國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心，安徽 合肥 230031；3.中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207）

金屬軟管是一種重要連接構件，具有柔性大和裝卸簡單的優(yōu)點，目前被廣泛應用于現代工業(yè)管路系統中；主要作用是降低管路振動的傳導、補償兩端連接管道的熱變形及沉降差。金屬軟管結構復雜，主要由波紋管、金屬編織網套和接頭三部分組成，波紋管是主體，主要起密封作用；網套起加強和屏蔽的作用；接頭將網套與波紋管連接為一體，是金屬軟管之間、金屬軟管與其他設備和管件、連接的部件，其結構形式主要是成品法蘭，為剛性元件。

近年來隨著金屬軟管的普及，其失效案例日益增多。研究表明金屬軟管的主要失效形式為波紋管腐蝕泄漏、鋼絲網套脫落及鋼絲斷裂、接頭焊縫開裂及腐蝕泄漏等，研究人員亦根據上述失效形式對應的失效模式和機理提出相應的預防措施。但調查發(fā)現金屬軟管的失效不僅僅包含以上形式，用作補償地基沉降差的大量金屬軟管在使用一段時間后表面變形嚴重（圖1），網套鼓包，局部與波紋管分離，已成為管路或設備系統的安全隱患，因此對該部分金屬軟管的失效模式及失效原因開展研究，提出相應的解決方案尤為必要。

圖1 金屬軟管變形形貌

1 金屬軟管概況

圖1為安裝在某油罐根部進出油管閥門前的金屬軟管，主要用途是補償管路系統和油罐的沉降差。照片顯示該金屬軟管網套已發(fā)生失穩(wěn)失效，失效形貌為兩端鼓包位置波紋管與網套分離，宏觀檢查未發(fā)現網套鋼絲有斷裂現象。表1為該金屬軟管的主要參數。

表1 金屬軟管主要參數

2 失效分析

參照標準GB/T30579-2014《承壓設備損傷模式識別》，初步判斷金屬軟管的失效模式為過載引起的失穩(wěn)。拆卸后對金屬軟管解剖后發(fā)現內部波紋管平面失穩(wěn)，其失穩(wěn)形貌為波峰半徑增大，波谷半徑減小，兩邊側壁互相靠攏。對金屬軟管的工作工況調查確認該金屬軟管兩端的管路系統和油罐的沉降差已達30mm，該沉降差形成的附加橫向位移可能是金屬軟管發(fā)生失穩(wěn)的主要原因。

3 失穩(wěn)計算

采用有限元方法對金屬軟管進行分析時，不考慮端部法蘭結構對波紋管及網套的影響，僅考慮直管、波紋管與網套三部分。

3.1 技術參數

波紋管、直管及網套鋼絲材質均為0Cr18Ni9，計算時本構關系為理想彈塑性模型，屈服強度205MPa，彈性模量195GPa，泊松比0.3。金屬軟管的主要幾何參數見表2。

表2 金屬軟管主要幾何參數

圖2 波紋管剖面圖

3.2 計算模型

圖3 金屬軟管有限元計算模型圖

圖4 橫向位移作用下一階失穩(wěn)模態(tài)

有限元計算時采用參數化建模，直管和波紋管壁厚較小，可考慮為薄板結構，網格選用板殼單元shell181，網套選用梁單元beam189。網套與直管段、網套和波紋管之間設置接觸對，接觸類型為standard，摩擦系數為0.2；直管段與網套端部節(jié)點之間同樣設置接觸對，接觸類型為bonded（always）。有限元計算模型及劃分后的網格如圖3。金屬軟管法蘭剛度遠大于網套、波紋管及直管段剛度，因此有限元模型一端端面施加全約束，另一端端面根據計算要求設置不同的邊界條件。

3.3 失穩(wěn)計算

有限元計算采用屈曲分析方法，圖4為該金屬軟管在橫向位移作用下的一階失穩(wěn)模態(tài)，臨界失穩(wěn)載荷為217mm。失穩(wěn)模態(tài)為網套兩端鼓凸，一側與波紋管分離，與圖1所示的失穩(wěn)形貌吻合。

圖5為金屬軟管內壓作用下的一階失穩(wěn)模態(tài)，對應的失穩(wěn)載荷為0.35MPa。失穩(wěn)形貌為波紋管波峰外凸半徑變大，波谷弧度減小、兩側壁靠攏，和圖2中波紋管剖面圖變形趨勢一致。

有限元計算分析表明該金屬軟管的失效模式為過載引起的失穩(wěn)，其中網套失穩(wěn)原因為管路系統和罐底基礎的沉降差引起的附加橫向位移，波紋管失穩(wěn)原因為內壓引起的平面失穩(wěn)。

4 結構優(yōu)化分析

圖5 內壓作用下一階失穩(wěn)模態(tài)

金屬軟管在橫向位移作用下發(fā)生失穩(wěn)，網套與波紋管分離，失去網套的支撐保護，金屬軟管的承載能力急劇下降，運行風險大大增加。標準SH3412-2017《石油化工管道用金屬軟管選用、檢驗及驗收》中規(guī)定了不同用途的金屬軟管的長度選擇要求，但對長徑比小的金屬軟管在安裝時無法預留合適的長度，后期安裝后沉降差形成的附加橫向位移無法避免，因此應對金屬軟管的局部結構進行優(yōu)化，提高其承載能力。下文對波紋管和網套的幾何參數影響進行了相關分析，為結構優(yōu)化提供指導。

4.1 波紋管幾何參數影響

波高和壁厚是波紋管的重要參數，其數值不僅影響金屬軟管在位移作用下的穩(wěn)定載荷，同時影響內壓作用下的穩(wěn)定載荷。

表3列出了不用波高對應的橫向位移和內壓作用下的金屬軟管失穩(wěn)載荷，圖6為變化趨勢曲線。結果表明隨波高增加，橫向位移作用下的失穩(wěn)載荷呈線性增大趨勢，但內壓作用下的失穩(wěn)載荷呈線性下降趨勢。因此波紋管波高增加，金屬軟管的橫向位移補償能力提升，但內壓穩(wěn)定性下降。當管路系統設計壓力較低且位移補償量較大時應采用增大金屬軟管波紋管波高的方法提高其穩(wěn)定性，保障金屬軟管安全運行。

表3 不同波高對應的失穩(wěn)載荷

圖6 失穩(wěn)載荷隨波紋管波高的變化曲線

表4列出了不同波紋管壁厚對應的橫向位移和內壓作用下的金屬軟管失穩(wěn)載荷，圖7為變化趨勢曲線。結果表明隨壁厚增加，橫向失穩(wěn)位移和內壓作用下的失穩(wěn)載荷均呈線性增加趨勢。因此波紋管壁厚增加，金屬軟管位移和內壓作用下的穩(wěn)定性均得到提高。當管路系統設計壓力較高且位移補償量較大時應采用增加金屬軟管波紋管壁厚的方式提高其承載能力，保障金屬軟管安全運行。

4.2 網套幾何參數影響

網套編織角和鋼絲股數是網套最重要的工藝參數，主要影響金屬軟管在位移作用下的失穩(wěn)載荷。

表4 不同波厚對應的失穩(wěn)載荷

圖7 失穩(wěn)載荷隨波紋管壁厚的變化曲線

表5列出了不同編織角對應的橫向和內壓作用下的金屬軟管失穩(wěn)載荷，圖8為變化趨勢曲線。結果表明編織角在40°～50°時，橫向和軸向壓縮位移作用下的失穩(wěn)載荷基本保持不變，當編織角繼續(xù)增大，數值迅速減小；內壓作用下的失穩(wěn)載荷一直保持不變，數值為0.35MPa。因此金屬軟管的網套編織角參數不可過大，應小于50°。研究了內壓、軸向拉壓及彎曲載荷單獨和聯合作用下的最佳編織角，指出內壓作用下的網套編織角應小于50°40’，軸向位移作用下的網套編織角應為35°～50°間，為保證金屬軟管的柔性和穩(wěn)定性，推薦金屬軟管的最佳編織角為40°～50°之間。

表5 不同編織角對應的失穩(wěn)載荷

圖8 失穩(wěn)載荷隨網套編織角的變化曲線

表6給出了不同鋼絲股數對應的橫向位移和內壓作用下的金屬軟管失穩(wěn)載荷，圖9繪制了變化趨勢曲線。結果表明當網套鋼絲股數從136股增大到296股，橫向位移和內壓作用下的失穩(wěn)載荷保持不變，其承載能力未得到有效提高。韓淑潔等研究亦表明網套鋼絲股數增加對金屬軟管的彎曲剛度影響較小，且伴隨著金屬軟管柔性性能下降，因此不建議采用增加鋼絲股數的方法來提高其穩(wěn)定性。

表6 不同鋼絲股數對應的橫向失穩(wěn)載荷和軸向載荷

圖9 失穩(wěn)載荷隨網套鋼絲股數的變化曲線

5 結語

金屬軟管的網套失穩(wěn)為橫向位移作用，波紋管失穩(wěn)為內壓作用；失穩(wěn)時網套與波紋管分離，金屬軟管承載能力將大大下降，影響金屬軟管甚至管路系統的安全運行，應予以重視。對長度較長的金屬軟管可采用相關標準選擇合適的長度避免失穩(wěn)發(fā)生，對長徑比小的金屬軟管可通過優(yōu)化局部結構提高其穩(wěn)定性。金屬軟管的結構優(yōu)化應根據其使用條件選擇不同的優(yōu)化方法，具體建議如下：（1）沉降差大、設計壓力低的管路系統的金屬軟管應適當增大內部波紋管波高；沉降差大、設計壓力高的管路系統的金屬軟管應適當增大內部波紋管壁厚。（2）金屬軟管的最佳編織角在40°～50°之間；鋼絲股數增加不能提高金屬軟管在橫向位移和內壓作用下的穩(wěn)定性。