火炬管網(wǎng)配管設(shè)計(jì)的應(yīng)力分析

火炬管網(wǎng)配管設(shè)計(jì)的應(yīng)力分析

0應(yīng)力場所分析火炬系統(tǒng)是油壓機(jī)行業(yè)安全生產(chǎn)中不可或缺的重要安全系統(tǒng)。由于其生存環(huán)境的多樣性，火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個極其復(fù)雜的過程，設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析是一個必不可少的環(huán)節(jié)。在進(jìn)行應(yīng)力分析時,國外大多采用軟件模擬來研究管道應(yīng)力分布情況,從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前,國內(nèi)火炬系統(tǒng)的應(yīng)力計(jì)算大多依賴于經(jīng)驗(yàn)參數(shù),因此科學(xué)、客觀地進(jìn)行應(yīng)力分析和計(jì)算,使火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)、安全、合理顯得尤為重要。本文將以某石化公司新建火炬系統(tǒng)項(xiàng)目為例,利用CAESARⅡ軟件對火炬總管進(jìn)行配管設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析。1管道電壓分析基礎(chǔ)通常,管道應(yīng)力分析包括管道柔性設(shè)計(jì)、靜力分析和動力分析。管道應(yīng)力分析的主要目的2火炬系統(tǒng)及管道設(shè)計(jì)的確定利用CAESARⅡ軟件進(jìn)行應(yīng)力分析的主要內(nèi)容包括以某石化公司新建火炬系統(tǒng)為例,對火炬總管進(jìn)行配管設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析。根據(jù)需要,全廠擬建1套高壓放空燃料氣火炬系統(tǒng)、1套低壓放空燃料氣火炬系統(tǒng)和1套酸性放空氣火炬系統(tǒng)?，F(xiàn)以高壓放空燃料氣火炬系統(tǒng)為例進(jìn)行相應(yīng)分析與計(jì)算:(1)高壓放空系統(tǒng)背壓為0.35MPa,設(shè)計(jì)壓力2.0MPa;(2)各裝置放空氣溫度最大為150℃,設(shè)計(jì)溫度200℃;(3)經(jīng)計(jì)算,管徑為DN1000,壁厚12.7mm,采用X52螺旋縫埋弧焊鋼管;(4)排放主線從裝置邊界按2‰的坡度通向分液罐;(5)為防止凝液產(chǎn)生,高壓放空氣排放管采用伴熱保溫,其保溫材料為復(fù)合硅酸鹽卷氈,保溫層厚度為100mm。(6)接至火炬總管的管道,在總管上方沿流向45°斜接,且管底標(biāo)高高于總管中心標(biāo)高,盡可能減少阻力。(7)在火炬總管上,不得有死角,改變管道走向時,采用R=1.5DN彎頭,不使用三通。(8)為避免火炬系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)爆炸或產(chǎn)生其他不安全因素,火炬氣總管設(shè)有固定的吹掃設(shè)施高壓放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度達(dá)200℃,溫差導(dǎo)致熱脹冷縮現(xiàn)象,產(chǎn)生較大熱應(yīng)力,為保證管道本身及固定端點(diǎn)支座安全可靠運(yùn)行,在管道設(shè)計(jì)中考慮設(shè)置補(bǔ)償器。對此,選用自然補(bǔ)償?shù)摹哀毙巍毖a(bǔ)償器,并將其設(shè)置在兩固定點(diǎn)中部。同時為了防止管道移動,在一定距離范圍內(nèi)設(shè)置固定管托,在補(bǔ)償器兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)向管托。3.2節(jié)點(diǎn)內(nèi)部模型的建立有限元法基本思路是將形狀復(fù)雜的連續(xù)體劃分為有限個單元。這些單元形狀相對簡單,具有一定的規(guī)則,并在節(jié)點(diǎn)上相互連接。由于單元形狀簡單,易于建立節(jié)點(diǎn)間方程并形成總體線性方程組,引入邊界條件后求解該線性方程組,即可得到所有節(jié)點(diǎn)的量本工程火炬總管模型的建立以有限元法為基本原理,簡化火炬管系進(jìn)行分析,此管系以火炬總管的固定架為分割點(diǎn),將兩固定架之間的管道看作一個獨(dú)立的管系進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)各個分支管系配管應(yīng)力分析通過計(jì)算后,再進(jìn)行整個管系復(fù)合運(yùn)算,或?qū)⒐潭艿牧土剡M(jìn)行合成。根據(jù)前期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),火炬總管的管道布置如圖1所示。3.3主管壁厚、管路及管道布置圖1為該火炬總管部分管道走向示意圖,先采用簡化法對管系進(jìn)行分析,看其配管彈性是否合適。根據(jù)管道材質(zhì)的線膨脹量,初步計(jì)算出管道在無拘束條件下的伸長量,然后根據(jù)該管系特點(diǎn)將其分割成若干個管段,讓各管段獨(dú)自進(jìn)行膨脹。當(dāng)各管段計(jì)算分析通過后,再進(jìn)行整個管系的復(fù)合核算。將A看作起始端,作為基準(zhǔn)點(diǎn),計(jì)算兩固定端之間的膨脹量。首先確定管系設(shè)計(jì)輸入條件:設(shè)計(jì)溫度:200℃;設(shè)計(jì)壓力:2.0MPa;主管外徑:1016mm;主管壁厚:12.7mm;主管管材:X52(L360)螺旋縫埋弧焊鋼管,對應(yīng)CAESARII中材質(zhì)庫API-5LX52。根據(jù)式(1)式中ΔX、ΔY、ΔZ為管系3個方向的熱脹量,cm。其中:式中:α為管道材料的平均線膨脹系數(shù),cm/(m·℃);ΔT為管道從安裝狀態(tài)到操作狀態(tài)的溫度變化值,℃,根據(jù)SH/T3041-2002《石油化工管道柔性設(shè)計(jì)規(guī)范》,管道安裝溫度宜取20℃;LX52(L360)螺旋縫埋弧焊鋼管在200℃下的平均線脹系數(shù)為12.25×10則:根據(jù)SH/T3041-2002《石油化工管道柔性設(shè)計(jì)規(guī)范》公式:式中:D為管子外徑,mm;Δ為管系總變形量,mm;L為管系在兩固定端之間的展開長度,m;U為管系在兩固定端之間的直線距離,m。在使用以上經(jīng)驗(yàn)公式時,SH/T3041-2002《石油化工管道柔性設(shè)計(jì)規(guī)范》與ASMEB31.3均對此作了如下說明(1)無法提供全面的證明來說明此式能得出準(zhǔn)確或一貫保守的結(jié)果;(2)此經(jīng)驗(yàn)公式在下列情況下不適用:劇烈循環(huán)運(yùn)動下的管道,即運(yùn)行壽命期間,等效循環(huán)次數(shù)超過7000次;L/U>2.5的不等腿U型彎管管道;大直徑薄壁管道(管件處的應(yīng)力增大系數(shù)≥5);與端點(diǎn)連線不在同一方向的附加位移量占總位移的大部分管道。顯然,此處適用經(jīng)驗(yàn)公式:所以,此管系主管道布置柔性合適,可不調(diào)整管系布置。3.4單元與數(shù)據(jù)的輸入經(jīng)過對火炬總管的柔性分析,不需要調(diào)整布置,此時用CAESARⅡ?qū)鹁婵偣苓M(jìn)行應(yīng)力分析。將管系劃分為單元,這些單元在節(jié)點(diǎn)處相互連接,相鄰節(jié)點(diǎn)編號間隔為5。然后輸入數(shù)據(jù),它包括基本參數(shù)、管道單元結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件的輸入。基本參數(shù)包括管系中各管道單元的基本特性,如管徑、壁厚、管道材料等。管道單元結(jié)構(gòu)參數(shù)包括管系中各管道單元的幾何形狀及尺寸、結(jié)構(gòu)特征。每個管道單元的所有信息占1頁數(shù)據(jù)表,如圖2所示。3.4.1.火炬總管無固定架邊界條件為位移邊界條件、力邊界條件。由于整個火炬系統(tǒng)管道存在軸向變形,接上下游裝置時,將發(fā)生管道推擠,造成連接處嚴(yán)重變形甚至損壞。因此,火炬總管設(shè)固定架,并以此為分割點(diǎn),將兩固定架之間的管道看作一個獨(dú)立的管系進(jìn)行計(jì)算,固定管架加全約束。同時,管道支架加載+Y向約束,輸入邊界條件時,按照以上數(shù)據(jù)輸入方式即可,建立好的邊界約束如圖3所示。3.4.1.caesar計(jì)算模型管道從建設(shè)到運(yùn)行階段,有安裝、試壓、清管和運(yùn)行4種工況,每種工況所處環(huán)境均不一樣,其應(yīng)力值和分析方法也不一樣。考慮到高壓火炬系統(tǒng)的運(yùn)行溫差較大,本文著重于運(yùn)行工況下的應(yīng)力分析。運(yùn)行工況下,溫度是影響管道的主要因素之一,當(dāng)管道的工作溫度高于安裝溫度,管子受熱伸長。管道工作溫度越高,溫度差產(chǎn)生的軸向應(yīng)力越大,根據(jù)設(shè)計(jì)輸入條件,管道計(jì)算溫度T1取200℃。CAESARⅡ程序由計(jì)算機(jī)自動完成計(jì)算后,進(jìn)行火炬總管的工況組合:其中:W為物料重;P1為計(jì)算壓力;T1為計(jì)算溫度。冷態(tài)下進(jìn)行一次應(yīng)力核算,純熱態(tài)下進(jìn)行二次應(yīng)力核算,熱態(tài)下進(jìn)行管線約束點(diǎn)、支架受力及各點(diǎn)位移計(jì)算。3.4.1.數(shù)據(jù)檢查命令校正建好的模型如圖4所示,運(yùn)用CAESARⅡ程序中的數(shù)據(jù)檢查命令,可根據(jù)程序提供的警告和錯誤信息檢查報(bào)告進(jìn)行更正。確認(rèn)數(shù)據(jù)無誤后,進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,如圖5所示。3.4.2分析校核(1)通過軟件模擬計(jì)算,此狀態(tài)下一次應(yīng)力最大發(fā)生在節(jié)點(diǎn)1040處,應(yīng)力值為43.0971MPa,相對許用應(yīng)力比率為28.4%,應(yīng)力校核通過。(2)通過軟件模擬計(jì)算,此狀態(tài)下二次應(yīng)力最大發(fā)生在節(jié)點(diǎn)1060處,應(yīng)力值為66.8270MPa,相對許用應(yīng)力比率為19.7%,應(yīng)力校核通過。(3)通過軟件模擬計(jì)算,管線最大位移發(fā)生在節(jié)點(diǎn)1084處,其值為109.138mm,在X軸向可由彎頭吸收,滿足設(shè)計(jì)要求。4模型簡化分析本文以某石化公司新建火炬系統(tǒng)項(xiàng)目為背景,利用CAESARⅡ軟件對火炬總管進(jìn)行配管設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析,主要結(jié)論包括:(1)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù),進(jìn)行管系的柔性分析,得出(2)通過模型簡化分析了運(yùn)行工況下管