應(yīng)力分析論文

1、石化管道應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計摘要：隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，石化管道設(shè)計中管道的應(yīng)力分析尤為重要。文中闡 述了管道應(yīng)力分析的方法，并舉例說明之，為石化企業(yè)類似計算提供了可靠的模 型。關(guān)鍵詞：管道應(yīng)力；支吊架；管道設(shè)計；泵進出口管道隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，石化裝置規(guī)模逐步大型化，大量高溫高壓管道的應(yīng)用， 管道的配置顯得尤為重要，也對從事管道設(shè)計的人員提出了更高的要求。要求設(shè) 計人員必須具備有一定的應(yīng)力分析能力，才能設(shè)計既滿足工藝流程，又安全，經(jīng) 濟合理，美觀的管道布置方案。1 管道應(yīng)力分析的概念和任務(wù)1.1應(yīng)力的概念壓力、重力、風(fēng)、地震、壓力脈動、沖擊等外力荷載和熱膨脹的存在，是 管道產(chǎn)生應(yīng)力問題的主要原因

2、。其中熱膨脹問題是管道應(yīng)力分析所要解決的最常 見和最主要的問題。管道在內(nèi)壓、持續(xù)外載以及熱脹、冷縮和其它位移等載荷作用下，其最大應(yīng) 力往往超過材料的屈服極限，使材料在工作狀態(tài)發(fā)生塑性形變。高溫管道的蠕變 和應(yīng)力松弛，也將使管系上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。對于管道上的應(yīng)力，一般分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力三類。一次應(yīng)力是指由管道所受荷載，如所受內(nèi)壓、持續(xù)外載、風(fēng)荷載、沖擊荷載 等引起的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。它是非自限性的，超過某一限度，將使管道整體變形 直至破壞。因此，必須為不發(fā)生材料屈服而留有適當(dāng)?shù)脑６?，以防止過度的塑性 變形而導(dǎo)致管道被破壞。二次應(yīng)力是指由熱脹、冷縮、端點位移等位移載荷的作用所產(chǎn)生的

3、應(yīng)力，它 不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必須 的應(yīng)力。二次應(yīng)力的特點是具有自限性，即局部屈服或小量變形就可以使位移約 束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)擴大。一般來講，只要 不重復(fù)加載，二次應(yīng)力不會導(dǎo)致管道破壞。也就是說，二次應(yīng)力引起的主要是疲 勞破壞。應(yīng)該指出的是，當(dāng)位移荷載極大，局部屈服或小量變形不足以使位移約 束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足時，管道也可能在一次加載的過程中就發(fā)生 破壞。由一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的定義和特點可知，因為一次應(yīng)力沒有自限性，所以 它比二次應(yīng)力更危險，應(yīng)該受到更加嚴(yán)格的控制。峰值應(yīng)力是管道或附件由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或

4、局部效應(yīng)（包括局部應(yīng)力集 中）附加到一次應(yīng)力或二次應(yīng)力的增量。所以溫度、壓力、管徑、壁厚、荷載、 跨距、補償器形式等都會對應(yīng)力結(jié)果產(chǎn)生影響。1.2管道應(yīng)力分析需要完成下列任務(wù)1.2.1管道靜力分析需要完成下列任務(wù)計算管道中的應(yīng)力并使之滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，保證管道自身的安全（包 括防止法蘭泄漏）；計算管道對與其相連的機器、設(shè)備的作用力，并使之滿足標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)范的要求，保證機器、設(shè)備的安全；計算管道對支吊架和土建結(jié)構(gòu)的作用力，為支吊架和土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計提 供依據(jù)，保證支吊架和土建結(jié)構(gòu)的安全；計算管道位移，防止位移過大造成支架脫落或管道碰撞，并為彈簧支吊 架的選用提供依據(jù)。1.1.2管道動力分析的任務(wù)管道

5、動力分析主要指往復(fù)壓縮機和往復(fù)泵管道的震動分析、管道的地震分 析、水錘和沖擊荷載作用下管道的震動分析，其目的是使地震和震動的影響得到 有效控制。為便于工程應(yīng)用，相當(dāng)一部分動力分析采用等效靜力法進行。1.2管道應(yīng)力分析的過程編制或熟悉項目的管道應(yīng)力分析技術(shù)統(tǒng)一規(guī)定；確定需要進行詳細應(yīng)力分析 的管道；接收管道應(yīng)力分析空視圖；計算端點附加位移（管口位移量計算方法）； 建立模型，分析計算，查看結(jié)果，修改模型直到通過應(yīng)力分析校核評定；編制計 算書，向相關(guān)專業(yè)提交計算結(jié)果。一般來說，下述管系必須利用應(yīng)力分析軟件（如CAESARII）通過計算機進 行計算及分析。與儲罐相連的，公稱管徑12”及以上且設(shè)計溫度在

6、100度及以上的管線；離心式壓縮機（API 617）及往復(fù)式壓縮機（API618）的3”及以上的進、 出口管線；蒸汽透平（NAME SM23）的入口、出口和抽提管線；泵（API 610） 公稱直徑4”及以上且溫度100度及以上或溫度-20 度及以下的吸入、排出管線；空冷器（API 661） 公稱直徑6”及以上且溫度120度及以上的進、 出口管線；加熱爐（API 560） 與管口相連的6”及以上和溫度200度及以上的 管線；相當(dāng)長的直管，如界區(qū)外的管廊上的管線；法蘭處的泄漏會造成重大危險的管線，如氧氣管線、環(huán)氧乙烷管線等；公稱直徑4”及以上且100度及以上或-50度及以下的所有管線。2管道柔性設(shè)

7、計管道的柔性是反映管道變形難易程度的概念，它表示管道通過自身變形吸收 熱脹、冷縮和其它位移變形的能力。2.1管道柔性設(shè)計的目的管道柔性設(shè)計的目的是保證管道在設(shè)計條件下具有足夠的柔性，防止管道因 熱脹、冷縮、端點附加位移、管道支撐設(shè)置不當(dāng)?shù)仍蛟斐上铝袉栴}：管道應(yīng)力過大或金屬疲勞引起管道破壞；管道連接處產(chǎn)生泄漏；管道推力或力矩過大，使與其相連接的機器、設(shè)備產(chǎn)生過大的應(yīng)力或變 形，影響機器、設(shè)備的正常運行；管道推力或力矩過大引起管道支吊架破壞。端點附加位移包括： 靜設(shè)備熱脹冷縮時對連接管道施加的附加位移；移動設(shè)備熱脹冷縮在連接管口處產(chǎn)生的附加位移；加熱爐管對加熱爐進出口管道施加的附加位移； 儲罐等

8、設(shè)備基礎(chǔ)沉降在連接管口處產(chǎn)生的附加位移；不和主管一起分析的支管，應(yīng)將分支點處主管的位移作為支管端點的附 加位移。2.2管道柔性設(shè)計的方式 改變管道的走向，選用彎頭、環(huán)形管或偏心管等；選用波形補償器、套管式補償器或球形補償器，如選用旋轉(zhuǎn)接頭、波紋 管、波形的或滑動連接式的膨脹接頭，或其它允許有移動或轉(zhuǎn)動的裝置等； 選用彈性支吊架，必要時應(yīng)采用合適的錨固件、拉桿或其它設(shè)施，以承 受由于液體壓力、摩擦阻力和其它原因所產(chǎn)生的端部作用力。3典型管道一泵管道及支架設(shè)計 3.1泵管道設(shè)計的要求：泵的進、出口管道應(yīng)設(shè)切斷閥，管道一定要有足夠的柔性，以減少管道 作用在泵管口處的應(yīng)力和力矩； 泵的吸入管道應(yīng)滿足泵

9、的“氣蝕余量”的要求，管道應(yīng)盡可能短、少拐 彎，不得有氣袋。如難以避免，應(yīng)在高點設(shè)放氣閥；當(dāng)泵吸入管較長時，宜設(shè)計成一定的坡度（i=5%。），泵比容器低時宜坡 向泵，泵比容器高時宜坡向容器； 在緊靠泵入口管道切斷閥下游，應(yīng)設(shè)過濾器或臨時過濾器，為防止泵的 流體倒流引起泵的葉輪倒轉(zhuǎn)，泵出口應(yīng)裝有止回閥；在滿足工藝要求的前提下，泵的管道、閥門手輪不得影響泵正常運行及 維修檢查所需空間；往復(fù)泵進、出口管道設(shè)計應(yīng)考慮流體脈動的影響。3.2 泵管道支架設(shè)計的要求：在靠近泵的管段上設(shè)置支、吊架或彈簧支吊架；泵出口管嘴垂直向上時，在距泵最近拐彎處，于泵基礎(chǔ)以外的位置設(shè)計 支架；也可在泵管口上方的拐彎處設(shè)置吊

10、架； 對于大型機泵的高溫進出口管道，為減輕泵管口受力而設(shè)置的支架應(yīng)盡 量使約束點和泵管口之間的相對熱伸縮量最??；泵的水平吸入管道宜在靠近泵的管段上設(shè)置可調(diào)支架，也可采用彈簧支 吊架；為防止往復(fù)泵管道的震動，應(yīng)縮短管道支架之間的距離，盡量采用管卡 型支架，不宜采用吊架； 泵附屬小管道應(yīng)盡量成組布置，以便安裝支架；未經(jīng)泵制造廠許可，不得在泵底座上安裝支架。3.3實例分析：以某海外天然氣項目熱介質(zhì)離心泵進出口管線為例討論：本管系參數(shù)特點為：操作溫度：120C。兩臺相同型號離心泵并聯(lián)工作，泵，管系尺寸為進口管尺寸12”，出口管12”。應(yīng)力計算前管道走向為下圖所示：（平進上出）Table 4 Nozzl

11、e loadings (continued)US Customary unitsNominal size of flange (NPS)宅2346810121416Forces (Ibf)Each top nozzleFx1602403205608501 2001 5001 6001 900Fy1302002604607001 0001 2001 3001 500盹2003004007001 1001 5001 8002 0002 300Fr2904305701 0101 5602 2002 6002 9003 300Each side nozzleFx1602403205608501 200

12、1 5001 6001 9002003004007001 1001 5001 8002 0002 3001302002604607001 0001 2001 3001 500Fr2904305701 0101 5602 2002 6002 9003 300Each end nozzle玖2003004007001 1001 5001 8002 0002 300F、(1602403205608501 2001 5001 6001 900電1302002604607001 0001 2001 3001 500Fr2904305701 0101 5602 2002 6002 9003 300Mome

13、nts (ft fbf)Each nozzle3407009801 7002 6003 7004 5004 7005 400My1703505008701 3001 8002 2002 3002 7002605307401 3001 9002 8003 4003 5004 000峋：4609501 3302 3103 5005 0006 1006 3007 200NOTE 1 See Figures 20 through 24 for orientation of nozzle loads (X, Y and Z)NOTE 2 Each value shown above indicates

14、range from minus that value to plus that value; for example 160 indicates a range from -160 to +160.運行應(yīng)力分析軟件CAESARH計算得出的兩個泵管口荷載及力矩數(shù)據(jù)如下: 兩泵進口荷載分別為：NODELoad CaseFX lb.FYlb.FZIto.MX ft. lln.MY ft.Ito.MZ ft., lb.104(OPE)Rigid ANC161-1623-3459115.02635.3-9084.1NODELoad CaseFXlb.FYlb.FZ lb.MX ft.lb.MY ft.

15、lb.MZ ft. W7004(OPE)Rigid ANC-695-23756402964.8-320S.2-1879.3兩泵出口荷載分別為:NODELoad CaseFX lb.FY lb.80Rigid ANC4(OPE)638-1149NODELoad CaseFXIJo.FY比.900Rigid ANC4(OPE)-609-2252FZlb.MX f t. lb .MY ft.lb.MZ ft.lb.267-7829.3-2088.5-6337.9FZMXMYMZ比.ft.lb.f t. lb .ft. It-.6642600.7-2602.6-2205.8計算得出的管口 X,Y,Z方

16、向荷載的大小與API 610標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進行比較可以看出A泵進口三個方向的力矩全部超出了泵管口能承受的限度，出口 Y、Z方向的 力矩也超出了標(biāo)準(zhǔn)的要求。B泵進口 Y方向的力和Y方向的力矩都超出了標(biāo)準(zhǔn)的要求，出口 Y方向的力和力矩也超 出了 API 610標(biāo)準(zhǔn)的要求。所以對管路走向進行了修改，并調(diào)整支吊架。延長進口管系的部分管段以增加柔性，并增設(shè)進口處的支撐，將彎頭處的固定架改為彈 簧架，目的是為保護離心泵不被損壞。出口管系是大尺寸管，閥門的支撐是很大的問題，所以放在離地面較近的位置便于支撐， 而且可以增加管道的柔性，吸收管口處的力。所以對管道走向進行調(diào)整，調(diào)整后的泵進、出口管道三維模型為：修改后泵入口管荷載為:FXFYFZMXMYMZNODELoad Caselb.lb.lb.ft.lb.f t. lb .f t. lb .10Rigid ANC4(OPE)60714036042333.4-3175.52709.7270Rigid ANC4(OPE)470625-407-2921.22605.22179.0修改后兩個泵出口管荷載為:NODE10Load Case2(OPE)FX lb.Rigid ANC -1530FY lb.-475FXFYNODELoad Caselb.比.3 00Rigid ANC2(OPE)-10 65-284FZMXMYMZlb.ft