LNG管道应力计算与分析

第卷第期煤气 与热 力 年 月 丹挤孚争争争争争攀攀如 曰 物 成泄 液化天然气 例 冰 川阴期 心哗君磷 ,券瞬雀雀磷瞬咎 管道应力计算与分析 孙明烨 , 刘燕 , 陈 敏 , 李蔚齐 , , 朱林 北京市煤气热 力 工程设计院有限公 司 , 北京北京市燃气集团有限责任公司 , 北京 摘要针对管道特点 , 从强度理论 、依据 标准 、 输入条件等方面讨论了管道的应 力计算 。 关键词管道应力计算分析 中图分类号文献标识码文章编号 一一一 一,一, , 理 , 、 , 应力分析的基拙知识 应 力分析的主要目的 首先 , 使管道各处的应力水平处在允许的范围 内 , 使与设备相连 的管口荷载符合制造商或公认的 标准规定的受力条件 。 其次 , 计算出各约束处所受 的荷载及各种工 况下管道的位移 。 最终 , 帮助技术 人 员对管系进行优化 。 应 力分析的理论 材料破坏的形式主要有两类流动破坏和断裂 破坏 。 强度理论相应分为两类 。 一类是解释材料断 裂的强度理论 , 包括最大拉应 力理论第一 强度理 论和最大伸长线应变理论第二 强度理论另一 类是解释材料流动破坏的强度理论 , 包括最大剪应 力理论第只强度理论和形 变比能理论 第四强度 理论 尸 一 、 一工业金 属管道设 计规范是 目前国内应力计算方面较权威的规范 , 与美国标准 工艺流程管道基本 等效 。 我国其他有关管道应力分析的行业标准基本 上参照 了压力管道规范系列 。 系列中各标准在应力校核条件方面存在一些差 别 , 但总的来说这些差别是非原则性的 。 从强度 理论 分类方面来讲 , 一 工业金属管道设计规范与美国标准 工艺流程管道相同 , 均采用 了最大剪应力理论 应 力的分类 在应力分析领域 , 工程师为便于分析 , 人为将应 力分为一次应力 、二次应力、峰值应力。 在计算前假 定了一定的边 界条件 , 计算出的应力按照一定的判 别条件进行分析和判断 计算出的应力不是管道实 际承受的应力 , 与实际工程 中在管道上 用应变仪测 量出来的应力无任何关系 。 一次应力 一次应力是 由机械外荷载引起的正应力和剪应 力 , 它必须满足外部和内部的力和力矩的平衡法则 。 其特征是一次应力是非白限性 , 它始终随所加荷载 的增加而增加 , 超过材料的属服极 限或持久强度时 , 将使管道发生塑性破坏或总体变形 , 因此 在管系的 应力分析中 , 首先应使一次应力满足许用应力值 。 二次应力 第卷第期煤气 与 热 力 二次应力是 由于变形受到约束所产生 的正应力 或剪应力 , 它本身不直接与外力平衡 。 其特征是 管道内二次应力通常是 由位移荷载引起的 如热膨胀 、 附加位移 、 安装误差 、 振动荷载 。 二次应力是自限性的 , 当局部屈服和产生 少量塑性变形时 , 通过变形协调就能使应力降低 。 二次应力是周期性的不包括安装引起的 二次应力 。 二次应力的许用极 限基于周期性和疲劳断 裂模式 , 不取决于一个时期的应力水平 , 而是取决于 交变的应力范围和交变的循环次数 。 峰值应力 峰值应力是局部应力集 中或局部结构不连续或 局部热应力等所引起 的较大的应力 。 应 力计算的结果判别依据 压力管道规范简介 动力管道 、 主要为发电站 、 工业设备和公共机构的电厂 、地 热系 统以及集 中和分区的供热和供冷系统 中的管道 。 工 艺 流 程管道 主要为炼油 北工 、 制药 、 纺织 、 造纸 、 半导 体 、制 冷工厂以及相关的工 艺流程装置和终端设备 中的管道 。 燃气输配管道 。 主要 为燃气 长输管道 。 应力计算判据 抗弯截面模量 , 管道设计压力 , 。 管子外径 , 占 管子壁厚 , 二 , 材料在设计温度下的许用应力 , 规定的二次应力表达式为 , 肥、 、盯。 、盯 , 口 。 一 , 又 , 二 要求工程师计算出的 二 不超过 二 、 , 即 二蕊二八 当材料在设计温度下的许用应力 二 , 大于一次 应力 二 , 时 , 其差值可用于二次应力 。 则 , 、 二。一 、 式中几 二次应力 , 、 , 由于温度二次荷载 引起平面 内的 弯矩 , 低 , , 由于温度二次荷载引起平面外的 弯矩 , 由于温度二次荷 载引起的扭转力 矩 , , 许用的应力范围 , 了 一 应力减小系数 应力计算时 , 管道一般遵循 工艺流程管道 。 规定的一次应力表达式为 尸 、 丫 肥对 。 刀 , 仍 “ 可 一 丽 要求工程师计算出的 二 不超过 二 , 即 住 , 蕊住 、 式中 二 一次应力 , 凡 、 由于持续荷载产生的轴向力 , 。 管壁横截面积 , 时 平面内应力增强系数 由于持 续 荷 载 产生 的平面内弯矩 , 平面外应力增强系数 由于持续荷 载 产生的平面外 弯矩 , , 。 在环境温度下材料的基本许用 应力 , 对于峰值应力 , 没有明确给出计 算公式 , 在简单状态下 , 由于持续和偶然荷载引起的 轴向应力的总和不应超过 二 的倍 。 应 力分析的内容 正确建立模型 建立模型就是将所分析管系的力学模型按一定 形式离散化 。 一般将复杂管道系统用固定点将管系 划分成几个形状较为简单的管段 , 如形管段 、 形 管段 、 形管段等以便进行分析计算 。 模型的准确 是作好应力分析的前提条件 。 准确地描述边界条件 管系应根据管道实际走向和管道柔性的要求 , 合理地设置平面和空间的弯头及选择三通处 的补强 方案 。 根据管道刚度 、 强度的要求设置支吊架等约 束 , 应力计算时应根据计算结果随时调 整支架位置 及型式 。 孙明烨 , 等管道应 力计算与分析第卷第 期 正确地分析计算结果 对计算出的一次应 力 、二次应 力等进 行 判别 。 一 、二 次应力值应小于规定值 管道对设备管口的推 力和力矩应在允许的范围内管道的最 大位移量应 能满足管道布置 的要求 。 进行管道应力计算的输入条件 设计压力 根据储罐和管道系统运行压力综合考 虑 管道设计压力 。 一般可按计算 。 计算温度 气化站 内低温管道和低温储罐在正式进 低温液体前 , 要首先进行充分的冷却 , 即预冷过 程 。 国内外一般采用液氮为管道和储罐预冷 。 由 于液氮的温度为 一 , 在进行应 力计算时 , 计算 操作温度应按 一 计取 。 安装温度 安装温度是指管道 系统在施工 时的环境 温度 。 根据相关标准的规定 , 在没有 特殊要求的情 况下 , 可将安装温度取为 。 材料 储罐及管道通常采用奥氏体不锈钢材料 , 其组织为奥氏体 , 具有良好的塑性 , 从而拥有优异的 低温性能 。 但奥氏体不锈钢线膨胀系数较大 , 因此 需要采取措施防止出现冷收缩引起管道破坏 。 国内 一般选用不锈钢作 为 一入 管道 材 料 。 一 时不锈 钢平均线膨 胀 系数 为 一“ 一, 比普通碳素钢大左右 , 不锈钢管道线变形 更加明显 。 材料许用应 力 根据一工 业金 属管道 设计规 范 , 对于这样的高合金钢 , 其许用应力应 取仍材料标准抗拉强度下 限值 、二、 材料标准常 温屈服点 、 二 材料 在 设计温度下 的屈 服点 、二石 材料在设计温度下经断裂 的持久强度 的平均值 、 材料在设计温度下经蠕 变率为的蠕变极 限这个值中的最小值 。 在 管道应力计 算 时 , 管道许用应 力可根据 一以工业金 属管道设计规范附录 , 取 。 保冷层 一般绝热材料分为有机 材料和 无机材料两大 类 。 由于温度为 一 , 满足绝热要求 的绝热材料必须在超低温和常温交变时尺寸稳定性 要好 , 具有较低的热导率即有 较好的绝 热性能 , 在超低温和常温下达到一定的强度要求 。 在工程选 材设计中还应考虑材料的成本 、施工 性能 。 应根据 具体选择 的保冷材料计算保冷层重量 。 结语 在应力计算中 , 根据管道连接设备情况 , 多 年形成了相应的标准 。 例如 , 管道与空气冷却器 连 接 , 管口荷载条件可参照美国石油学会标准 一 叮 执行 。 目前 , 国内行业 尚处于起 步阶 段 , 相当部分的设备厂商由空气分离专业厂商 发展而来 , 尚未建立专业 的行业标准规范 , 特 别是还没有储罐 、 空温式气化器等设备的管口 荷载条件 , 给管道应力计算带来困难 。 建议从 特性出发 , 逐步建立的行业标准 , 进 一步 规范管道应力主十 算 。 本身无腐蚀性 , 但氯离子 对奥氏体不 锈钢存在腐蚀 。 如果外保冷材料施工质量存 在问题 , 因外表面结露 产生的含氯离子的冷凝水进 人保冷层 , 氯离子可能引起不锈钢腐蚀 。 在工 程实 践中应慎重选择保冷材料 。 目前 , 各工程公司和设计院对复杂管 系采用计算机辅助计算 , 但计算机是辅助工具 , 如何 简化和建立模型 , 正确描述边 界条件和分析计算结 果还需要具备丰富经验 的工程技术人员完成 。 参考文献 仁川顾安忠 , 鲁雪生 , 汪荣顺 , 等