配管フランジ継手の熱応力解析

プラントの配管設計においては、配管内を流れる流体の状態（物性、温度、圧力など）に応じて適切な配管部品を選定することが重要です。一般的にはJISに従い、強度評価を行って、使用する配管部品(形状)を決定していきます。継手部に関して、JISハンドブックに記載されている式で強度計算を行った場合、算出される応力やガスケット圧力などの値はスカラー値で、手計算できるように単純化された条件の値となります。そのため、分布を求めることや、分布のある温度下など、複雑化した状態を評価することは非常に難しいです。

CAEソフトウェアを利用して、コンピュータ内にフランジを含めた継手部の状況を再現すれば、任意の条件の応力分布やガスケット圧力分布を確認することができます。このように手計算や物理的に測定の困難な情報を把握することは、破損や漏出などのトラブルが生じた際の原因究明にも役立ちます。本稿では、Ansysでフランジやガスケットを含めた継手部の強度評価を行った事例を紹介します。

（図１）解析結果として得られる応力分布のイメージ

解析の目的・背景

図2に示すWN型フランジを溶接した継手部のモデルを用いて、ボルト締結力、内圧、温度分布を印加した場合の、相当応力分布およびガスケット圧力分布を求めます。

（図2）解析モデル

解析設定

メッシュ

メッシュを図3に示します。
節点数は約53万で、8コアの並列計算であれば、20分程度で計算が完了します。

（図3）メッシュ

荷重条件

荷重条件を図4に示します。
解析は2ステップで行い、1ステップ目にボルトプリテンションの機能を使用して、ボルトに締結力を印加します。その後、2ステップ目に温度荷重と圧力荷重を印加します。温度荷重に関しては、配管内を流れる液体の影響で温度分布が生じている状態を模擬しています。
Ansys では、実機で測定した温度と座標の情報から温度分布を与えることができる他、伝熱解析や熱流体解析で計算した温度分布を与えて計算することも可能です。

（図4）荷重条件

ガスケットのモデル化

配管設計において、継手部からの流体漏出を防ぐために、ガスケットは重要な因子となります。ガスケットの挙動を精度よく解析するために、Ansysではガスケットのモデル化に適したインターフェース要素を使用することができます。この要素では、実験で求めたガスケットの圧縮変形量と圧力の関係を材料特性として入力することができ、ガスケットの材料非線形特性を考慮することができます。

（図5）ガスケット特性（圧縮変形量と圧力）の入力例