（机械工程专业论文）夹套管的设计及应力分析.pdf

摘要 夹套管的设计及应力分析 研究生姓名：张映南 导师姓名：汤文成教授 卢俊生高工 学校名称：东南大学 摘要 在聚酯化纤行业，夹套管被广泛应用于纺丝机的熔体输送环节上，由于内管的介质为 高温高压聚脂熔体，流动性差，容易产生降解；夹套内的介质为用来加热、保温的气相热 媒，渗透性很强，因而内、外管在结构上都需进行特别的设计，目前国内夹套管方面的设 计资料很少，本文结合工程实际，归纳总结夹套管的设计要点。 管道应力设计是管道设计工作中最重要的一环，本文介绍管道应力设计的内容、程序 和方法，对常规设计方法一工业金属管道设计规范( g b 5 0 3 1 6 2 0 0 0 ) 的应力分类、 应力校核方法做简要介绍，主要讲述我国首部分析设计规范钢制压力容器一分析设 计标准所采用的应力分类、应力安全性评定的方法，用分析设计的理念和要求对工程实 际中的夹套管进行应力分析设计。 利用a n s y s 来对夹套管进行应力分析是一个全新的课题，本文将以仪征化纤海岛型复 合丝攻关项目中的熔体夹套管为对象，研究运用a n s y s 软件对夹套管系进行建模，通过有 限元计算，方便、准确的求出各点的应力，再利用a n s y s 软件的“等效线性化 的后处理 功能，按照j b 4 7 3 5 9 5 钢制压力容器一分析设计标准的分类，对一次应力及温度造成 的二次应力的组合应力做出可靠的评定，通过对不同类型的应力加以不同的控制，达到管 道设计的安全性、经济性的统一。 关键词：夹套管管道应力分析设计有限元 东南大学硕士学位论文 t h e d e s i g na n ds t r e s sa n a l y s i sf o r t h e j a c k e tp r e s s ur ep i p i n g c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：z h a n gy i n g n a n a d v i s e r ：p r o t a n gw e n c h e n g s e n i o re n g i n e e rl uj u n s h e n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a bs t r a c t i nt h ep o l y e s t e ri n d u s t r y ，t h ej a c k e tp i p i n ga r ew i d e l yu s e df o rc o n v e y i n g p o l y e s t e rm e l tt os p i nm a c h i n e i nt h ei n n e rp a r to fj a c k e tp i p i n g ，t h em e d i u mi s m e l tw i t hh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r ea n dl o wf l u i d i t y ，a n di nt h eo u t e rp a r t o ft h i sj a c k e tp i p i n g ，t h em e d i u mi sh t mw i t hh i g hp e n e t r a t i o n s o ，as p e c i c a l t r e a t m e n tw h i l ed e s i g n i n gp i p i n gs y s t e mi sb en e e d e d a c c o r d i n gt h ee x p e r i e n c ei ny i z h e n g h u a x i a ni s l a n ds h a p ec o m p o s i t e dt h r e a d p r o j e c t ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e dt h ed e s i g np o i n t so fj a c k e tp i p i n g h ed e s i g n e d t h ej a c k e tp i p e sb a s e so nt h es t e s sa n a l y s i st h e o r ya n dr u l e si no u rc o u n t r yf i r s t a n a l y s i sd e s i g nc o d e 一( ( s t e e lp r e s s u r ev e s s e l s - - d e s i g nb ya n a l y s i s ) ) b e c a u s et h e w a y so ft h ef o r m u l ae s t i m a t i o na n dc h a r t sc a n t b eu s e df o rv e r i f y i n gp i p i n g s t r e s s ，an e wm e t h o d f e m ( f i n it ee l e m e n tm e t h o d ) b yt h ea n s y ss o f t w a r eisu s e d b yu s i n gt h ea n s y ss o f t w a r e ，h es e t su pt h em o d e l s ，c a l c u l a t st h ee v e r yp o i n t s s t r e s s ，g a i n st h ev a l u eo ft h ep r i m a r ys t r e s s 、s e c o n d a r ys t r e s sp e a ks t r e s s a tl a s t ，h ea s s e s s e st h er e li a b il i t yo ft h ed e s i g n e dp i p i n gs t r u c t u r e ，t a k e ss o m e s p e c i a lm e s u r et oc o n t r o la l lk i n d so fs t r e s st og e ts a f t ya n dw e a rw e l ld e s i g n s o ft h ej a c k e tp i p i n g k e yw o r d s ：j a c k e tp i p i n g ，p i p i n gs t r e s s ，a n a l y s i sd e s i g n ，f e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：f 皇堕塑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：2 塾疃向导师签名：【壁兰：坚日期：璺旦岁 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 夹套管是一种特殊的管道，在小直径管道外面安装同心的套管，内管用于输送工艺介 质，套管内流动着起保温或加热作用的热载体，用来补充内管在输送或停输期间的热损失， 以保持恒定的工艺温度。夹套管的工作原理类似于套管式换热器，突出的优点就是伴热效 率高，在一些工艺介质为高熔点、高粘度物质的行业，如在聚酯化纤生产装置中，夹套管 有着较多运用，本论文以仪征化纤股份公司自主开发的国内首条海岛丝生产线中的熔体夹 套管为研究对象，探讨夹套管结构设计和应力分析的要点。本课题是仪征化纤公司级攻关 项目国内首条海岛型复合丝生产线设备研制中的一个关键环节，仪征化纤设计院虽有 正版的管道应力分析软件c a e s a r i i ，也完成过大量管道设计，但是表示由于对夹套管 的分析没有经验，也未见文献中有分析介绍，最终仪化公司委托我公司来攻克这个瓶颈。 在海岛丝生产中，输送的工艺介质为高温高压工作状态下的熔融的聚脂熔体，内管设 计温度为3 0 0 ，设计压力为1 8 m p a ，为了使熔融物始终处于恒定的工艺温度，保证产品 的质量，需采用夹套管来对内管的工艺介质进行伴热。夹套内的热载体采用渗透性很强的 气相热媒，设计温度3 0 0 ，设计压力0 2 m p a 。化纤生产工艺希望熔体夹套管越短越好， 因为聚脂熔体为非牛顿流体，流动性差，输送距离短了，熔体在管道热环境中停留的时间 短，可以减少降解物的生成；外管相应短了，管子里流动的热媒在流动过程压损小，流速 高而传热效果好。从增加热补偿能力的角度出发，希望能在空问加多个大的膨胀弯，而实 际操作空间是有限的，要求在能实现自然补偿的前提下布置的尽量紧凑。为同时满足强度 和工艺两方面的要求，对夹套管压力、温度等载荷产生的应力进行全面分析就很有必要了。 对于简单管路，用一些经验性的图表能查出固定结构尺寸情况下的热补偿量，但显然是无 法求出各点的应力的。本课题的对象为空间不规则走向，而且是多分枝的超静定结构，对 于单层管道来说，用手工计算也过于烦琐，夹套管的受力情况比单一管道要复杂的多，由 于内管承受内部介质的内压，也受到外层介质的外压，内外管道材质可能不同，热膨胀系 数不同，管道截面模量不同，管路的刚性不同，内外管之间还有变形协调的问题，用常规 的计算方法是很难求出管系各处应力的。由于在热态下管道热膨胀受约束后变形协调产生 的热应力，对多分支复杂管系，手工计算极其困难，可以说只有采用计算机进行热应力计 算才是确实可行的方法，目前有一些国外开发的压力管道应力分析软件如c a e s a r i i 在 我国开始得到了很好运用，它是以梁单元模型为基础的有限元程序，相对通用软件来说计 l 东南大学硕士学位论文 算方便但灵活性差一些，运用的场合、使用条件的限制多一些。a n s y s 作为一个大型有 限元计算软件在各行各业运用越来越广，是钢制压力容器一分析设计标准认证的软件， 但用a n s y s 软件进行管道应力计算目前在国内刚起步，用a n s y s 对夹套管进行的应力 分析还未见报道，本课题正是要借助a n s y s 软件对夹套管系进行建模，通过有限元计算 求出管系各点的应力。 在石油化工生产装置中，管道材料费用约占整个工程投资的十分之一，安装工作量约 占整个工程总量的二分之一，而管道设计工作占整个工程设计量的三分之一【。管道的设 计计算方法有四种：1 按常规标准进行设计。2 采用包括有限元在内的应力分析方法。3 验证性的试验分析。4 和已投入使用的结构进行对比经验设计【2 】。管道应力分析是管道设 计中最为关键的一环，管道应力设计的好坏将决定管道的可靠性、安全性和经济性。 压力管道目前还没有应力分析设计的规范，遵循的标准为工业金属管道设计规范 ( g b 5 0 3 1 6 2 0 0 0 ) 和石油化工企业管道柔性设计规范( s h j 4 1 9 1 ) 等，应力分类的 思想虽然在标准中应力校核公式中有部分体现，但不充分，本文将探索以我国首部分析设 计规范钢制压力容器一分析设计标准中的应力分类法和应力评定方法，对夹套管 进行完整的应力强度校核。先对a n s y s 计算出的高应力的危险部位用“等效线性化” 进行后处理，将总应力中的一次应力、二次应力、峰值应力成分分离出来，按照分析设计 中的规定，对不同危险程度和性质的应力加以不同控制，由于对部件和所关心的部位进行 了详细的应力计算，搞清了应力分布情况，减少了盲目性，又摒弃了传统的同一许用应力 的做法，不再盲目地一起加厚或减薄，和传统方法相比更具有经济性和安全性 聚酯化纤行业中的熔体夹套管主要由国外设计、预制，随主装置一起进口，价格昂贵， 国内只有中日合资北京中丽公司和邵阳二纺机有设计能力，但设计计算一直保密，在国内 未有报道。本文研究的方法如在产品开发过程中得到检验，即解决了工程中的难题，又可 为设备国产化提供一些新的思路，对于今后其他夹套管的设计有借鉴作用，本应力分析和 评定的方法对常规管道的热应力分析也有直接参考作用。 1 2 国内外技术发展现状 1 2 1 管道设计的现状 管道在g b 5 0 3 1 6 工业金属管道设计规范中被定义为：由管道组成件、管道支吊 架、隔热层和防腐层组成，用以输送、分配、混合、分离、排放、计量或控制流体流动的 设备【3 】。世界上主要经济发达国家，如美、日、德等，都把压力管道与锅炉、压力容器、 2 第一章绪论 起重机械并列为需要加强管理和监察的特种设备。我国于2 0 0 3 年6 月1 日起开始实施的 特种设备安全监察条例，把涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器( 含气瓶) 、 压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施共七类设备，定为特种设备并实行 安全监察【4 1 。管道输送是与铁路、水路、公路、航空并列的五大运输行业之一，我国压力 管道量大面广，据统计，现役管道长约6 3 万公里，遍布在电力、热能、石油、化工、化 肥、冶金、农药、食品、医药等各行各业约8 0 万个企事业单位。 管道应力主要是由于管道承受内压力和外部载荷以及热膨胀而引起的，管道在这些载 荷作用下的应力性态是复杂的，进行应力分析与计算，是研究管道在各种载荷作用下产生 的力、力矩及相应应力，从而作出对于管道安全性的评估并满足所连接的设备对管道推力 的限定，使设计的管道尽可能安全可靠、经济合理。一般来说，管道应力分析计算包括对 管系进行柔性计算和应力验算两部分【5 】。管道的柔性计算是指求出管道由于外力( 集中载 荷或均布载荷) 和变形受约束而产生的力和力矩，应力验算是计算出管道在各种载荷作用 下产生的应力，借助一定的强度理论来判别管道本身和连接的设备是否安全。 我国的管道设计工作目前还处于粗放型阶段，计算模型相对简单和粗糙，表现在计算 复杂管系时，有时结果太保守，有时又留下薄弱环节，管道应力分析水平还有待提高。 1 2 2 管系作用力的计算模型及方法的发展 计算出管道在外力和位移载荷情况下的作用力和力矩，是对管系进行应力分析的基 础，在三、四十年代，人们开始应用结构力学的方法，求解管系的内力。采用较早而又比 较成熟和简便的方法是弹性中心法。它是一种简化方法，即将计算管系当作是一根无重量 的弹性线，并将管系的变形系数和需求解的复原力都转移到管系的弹性中心。根据组成管 系各元件的重心、坐标，计算管系在各投影平面的静力矩，找出管道的弹性中心，然后再 计算通过弹性中心坐标轴的线惯性矩和线惯性积，最后由变形协调方程和力的平衡方程求 出作用于管道端点或管系上任一点的力和力矩。应用这种方法，对于具有两个固定点的平 面管系，可以从三元方程联立简化成二元联立方程求解，对于立体管系，可从六元联立方 程简化为三元联立方程，因而计算简便，具有一定的实用价值。然而，从计算精度上讲， 由于在计算中忽略了不同投影面中力矩之间引起的变形能关系项，这对于计算中带有斜管 或较多弧单元时，误差就较大。当管道布置采用多分支或环状，而且当管子直径越来越大， 壁厚越来越厚，管道自重不容忽视时，简化计算方法就不适合了【6 】。热应力的严密解析是 非常复杂而且必需进行大量的计算，例如：无分枝的几何形状简单的管系需手算1 1 日， 何况实际上多为有分支管和受种种约束条件的管系用手算进行严密计算是不可能的【6 1 ，为 东南大学硕士学位论文 了完成各种复杂关系的计算，人们又采用超静定结构计算基本方法力法来求解，并且 考虑管道承受的集中载荷和均匀载荷。根据c a s t i g l i a n o 定理，作用于物体的力的作用点 沿力的作用方向的线位移等于其变形能对该力的偏导数；力矩作用点沿力矩方向的角位移 等于其变形能对该力矩的偏导数。然后列出由弹性变形能求线位移和角位移的方程，将端 点多余的约束力作为未知数，未知数的数目等于管系的超静定数。由相应数量的变形协调 方程来求解，求得计算管系端点的作用力和力矩。这种计算方法应用范围广，可以计算具 有外力载荷和位移载荷以及具有不同约束条件的简单管系或多分支管系或环状管系，也是 电子计算机计算矩阵方法的基础。到五十年代，人们开始采用结构分析的矩阵方法计算管 系，求解管系端点的作用力、力矩和位移。矩阵理论表述简洁，便于描述多种载荷对复杂 关系的作用，也便于计算机求解，有限单元法作为其中的一种方法，其计算结果也较为准 确。它为管系柔性计算的发展开辟了新路。二十多年来，人们运用结构分析的矩阵方法， 利用计算机进行管系的柔性计算，得到了迅猛发展，结合管系结构的特点，编制了许多计 算程序。近年来，我国除了采用经典的力法和位移法以外，还研究了等值刚度法、有限单 元法、追赶位移法、始参数位移法等，并用来计算复杂管系，达到了相当的水平，计算结 果也较为准确，使管系应力的计算方法前进了一步【7 】【8 1 。 我国常用的管道应力分析程序有s a p 5 分析程序，等值刚度法分析程序等，s a p 5 程序是我国从国外引进的最早的应力计算程序【9 】。它是一个大型的结构线弹性计算通用程 序，可用于各种结构( 包括结构专业，加热炉专业的刚结构等) 的应力计算。其中的管道 应力计算部分即可进行静力计算，又可进行动力计算。但由于它不是管道应力分析的专用 程序，输出的结果只有内力而没有应力，输入的方法也比较繁琐，使用很不方便，故国内 不少使用单位都增加了前处理和后处理，目前该计算程序已基本不再使用。等值刚度法应 力分析程序是电力系统开发的，比较早应用的管系应力计算程序，可用于计算管道内压、 自重、热膨胀、端点位移等载荷所产生的应力和各点的位移。但该程序的功能不太全，计 算精度也比较差，故目前也基本不再使用。以上两个软件的缺点也是大多数管系应力计算 程序的通病，人机交流不好，操作不便，计算过程烦琐。c a e s a r i i 应力分析程序是目前 应用比较普遍的基于有限元的管道应力分析程序，它是由美国c o a d e 公司开发编制的。 该程序的功能比较全，可在微机上操作，因此在石油化工管道设计中得到了广泛应用。该 程序除可以进行管道的静力分析和动力分析外，还可进行非埋地管道的抗震分析，管系中 管道元件或接头的局部应力分析，法兰泄露分析等【1 0 】【1 1 1 【1 2 1 。 近年也有一些通用有限元软件被用于管道的应力分析中，如p a t r a n 和a b a q u s 4 第一章绪论 和等，目前的水平是使用软件提供的管道单元做分析，主要是简化模型，无法得出管道壁 厚方向应力的分布【1 3 】【1 4 】，目前a n s y s 软件在管道分析上的运用也有同样的问题【1 5 】。 1 2 3 应力分类和强度准则 管道应力计算，主要是计算管道在内压、持续外载( 包括自重) 作用下和由于热胀、冷 缩及其它位移受约束而产生的应力，使之满足管道本身和其连接的设备安全运行的要求。 由于管系处在多向应力作用的复杂应力状态，它的失效或破坏，需要借助一定的强度理论 来判别。目前在管道应力计其中采用较多的是最大剪应力强度理论。管道应力验算的失效 准则，最早采用的是弹性失效准则，它是以载荷引起的应力和应变在线性弹性范围内，管 系不发生屈服作为限定值，仅计算综合应力对管系的影响，这显然是比较保守的。随着实 践经验的积累和理论的发展，进一步采用了极限分析以充分利用弹塑性材料的性能【l 引。 极限分析认为，管壁上局部区域屈服并不意味着管系就会失效或破坏，少量屈服的部分被 周围的弹性材料所包围，还可以继续加栽，直至一个或几个区域充分屈服，致使结构处在 不变载荷下发生塑性流动的载荷才是极限载荷。在近代，随着应力分析理论和实验技术的 发展，人们认识到由不同特征的载荷产生的应力性态和对安全的影响不同，渐渐采用了应 力分类方法，对不同性态的应力分别给予不同的限定值，即根据应力在结构中的具体部位 和分布情况及应力产生的原因、危害性等，分别采用不同的许用应力值，如果单单根据综 合应力进行应力校核可能达导致过于保守的结果。在应力分类中认为一次应力是由于压 力、重力和其他外力载荷的作用产生的应力，它是平衡外力载荷所需的应力，随外力载荷 的增加而增加。二次应力是由于管道变形受到约束而产生的应力，它由管道热胀冷缩等位 移载荷的作用而引起，它不直接和外力平衡，而是为满足位移约束条件和管道自身变形的 连续所必须的应力。在压力管道的各类规范、标准中没有直接提及“一次应力 和“二次 应力 的术语，我国也没有压力管道分析设计规范，然而仔细分析压力管道校核公式，应 力校核大体上是按一次应力和二次应力分别校核的，应力分类的思想在标准中有一些体现 f 5 】 o 1 2 4 夹套管的运用情况 人们在用管道输送热介质时，希望尽可能维持管内介质温度，热损失越小越好，就采 取在管外包覆隔热材料的办法，发展了管道保温技术，但仍然会有热损失和温度梯度，当 工艺上要求操作过程和停止运输时管内介质能保持恒定的温度时，就需要对管内介质进行 加热，来补充热损失。开始发展了电加热方式，施工检修很方便，但是局部温度的控制不 好，容易出现局部过热，加热不均匀。在对于温度控制要求严格的场合，逐渐发展起夹套 5 东南大学硕士学位论文 伴热方式。夹套管的小直径的内管用于输送工艺介质，同心的外管内流动着起保温或加热 作用的热载体，般用采用蒸汽和热媒两种介质作为热载体，蒸汽取用方便，但只能用在 工作温度低于2 0 0 的场合，热媒的热稳定性质很好，在高温下对应的压力较低，伴热效 率很高，当任一局部温度降低，气相冷凝放出大量潜热，同时冷凝处局部压力下降，马上 有气体补充过去，所以温度调节迅速、适用范围广，在工艺要求苛刻的场合运用越来越多。 1 2 5 设计标准的主要内容和发展 在工业管道行业中，国际上通用的管道应力分析标准有两种：一是英国的管道设计标 准b s8 0 6 陆上锅炉钢铁管道系统标准。二是美国的设计标准a s m eb 3 1 美国受压 及动力管道系统标准。对我国影响最大的是其中的a s m eb 3 1 。该规范中定义了基本应 力、断裂( 疲劳破坏) 理论及最大应力强度准则，认为材料的任意三维应力状态的断裂与 在同轴拉伸试验样品中某一个应力状态断裂有关。这种破坏模式可以描述由偶然载荷引起 的破坏，然而，管子和容器在正常服务使用数年后，可能会发生突然断裂，对此现象较好 的解释就是材料的疲劳破坏。a r c m a r k l 在2 0 世4 0 年代到5 0 年代期间研究了管道的 疲劳破坏断裂现象，并于1 9 5 3 年公开发表了其研究结果管道柔性分析，介绍了基于 “应力范围的方法进行管道应力分析。他采用对不同弯曲应力的循环位移法，对大量的 不同管子结构进行了实验( 直管，各种管件，如弯头，焊接三通等) ，结果发现其实验结 果符合疲劳曲线形式。于是他扩展了应力设计，指出初始极限是热和冷屈服应力之和的最 大应力，同时，m a r k l 注意到疲劳破坏通常不发生在实验样品的中部，而起源于管件的连 接部分的结合处，而且在那些情况下，也经常发生在低应力循环组合处，这比在直管段上 发生的疲劳破坏更多。早期理论认为：弯头在受弯曲时有变成椭圆的趋势，引起管子外沿 的线向管子中性轴靠近，所以减少了转动惯量( 增加了柔性) 和截面的模量( 增加了形成 的应力) ，于是引入了弯头的应力增强系数，并拟合成了公式。如今，这些增强系数的方 程已经被管道标准所接受和承认【8 】。在我国，石油化工管道设计常用的规范标准有工业 金属管道设计规范( g b 5 0 3 1 6 2 0 0 0 ) ，石油化工企业管道柔性设计规范( s m 4 1 9 1 ) 等，主要借鉴的是美国a s m e 压力管道规范b 3 1 3 。夹套管相关标准有f j j 2 11 8 6 夹 套管施工及验收规范和s h j 4 0 9 1 石油化工企业蒸汽伴热及夹套管设计规范。目前 管道还没有专门的应力分析设计的国家标准。 1 3 本课题的主要内容和研究方法 本课题的主要内容涵盖以下四部分： 6 第章绪论 ( 1 ) 介绍管道应力设计的内容、程序和方法，对常规方法工业金属管道设计规范 ( g b 5 0 3 1 6 2 0 0 0 ) 的应力分类、应力校核方法做简要介绍，对重要设计参数的选取做简 要介绍，讲述我国首部分析设计规范钢制压力容器一分析设计标准的应力分类方 法、应力安全性评定的方法，并将该方法用到对工程实际中的夹套管的应力分析上。 ( 2 ) 夹套管在工业伴热效果上有着明显的优势，但在结构设计方面有很多特殊的地 方，文章具体说明夹套管结构设计的要点。 ( 3 ) 研究a n s y s 对夹套管进行实体建模和有限元分析计算的方法，详细介绍a n s y s 等效线性化的后处理办法，按分析设计方法进行应力分类，对一次应力和一次a n - 次的组 合应力进行评定。 ( 4 ) 研究温度载荷、压力载荷单独和组合作用等各种工况下对管道的影响和最大节 点应力的位置。简单分析管道结构改变后的柔性变化。 本课题研究的方法是理论分析结合工程实例的方法，本文将以仪征化纤海岛型复合丝 攻关项目中的熔体夹套管设计为对象，进行分析总结。 7 东南大学硕士学位论文 第二章夹套管的结构设计及应力计算 2 1 夹套管的结构设计要点 2 1 1 夹套管的使用场合和优缺点 在石化企业中的管道，常常应工艺上需要保证生产操作和停止运输时管内介质的温 度，需要对管内介质进行加热，来补充热损失，即采取对工艺管道伴热的设计。补充热量 的方式主要有三种1 7 】： ( 1 ) 电加热方式，在管外缠绕电加热带，设置一些金属铂电阻来检测温度，最外面 用保温材料整体包裹 1 8 】。见图2 1 ：件l 是管道，件2 是电加热带，件3 是固定电加热带 的扎带，件4 是活动管托。 图2 - 1 电加热带伴热【1 7 】 ( 2 ) 伴热管伴热，贴着工艺管道外壁增加若干根流动着加热介质的辅助管，管与管 之间涂一些导热胶泥，依靠伴管将热量传导给工艺管【1 刀。见图2 2 ：件1 为伴热管，件2 为导热胶泥，件3 是工艺管道。 慈蓊 、”0 ”。 图2 - 2 外伴热管伴热f 1 7 】 ( 3 ) 夹套管方式，见图2 - 3 ：夹套管是一种在小直径管道外面安装同心的套管，内 管用于输送工艺介质，外管走的介质一般为蒸汽或热媒，工作原理类似于套管式换热器， 主要靠对流完成热交换【。 8 第二章夹套管的结构设计及应力计算 图2 - 3 夹套管伴热【1 7 1 电加热方式的施工、检修最方便，价格低廉，可是由于温度控制、检测的滞后，局部 可能出现过热，加热不均匀等现象。伴热管伴热方式的生产管理、施工检修很方便，但是 对介质的加热有一定不均匀性，且在工作介质的温度超过1 5 0 c 的场合不适用。夹套管伴 热突出的优点就是伴热效率高，伴热均匀，当任一局部温度降低，气相热载体冷凝放出大 量潜热，同时冷凝处局部压力下降，马上有气体补充过去，所以温度调节迅速、适用范围 广，在工艺要求苛刻的场合，特别在对温度控制要求严格的高温场合，是最佳选择，缺点 是制造要求高，内管一旦泄漏，不容易发现和检修。起保温或加热作用的热载体，一般用 蒸汽、和热媒两种介质，蒸汽取用方便，但只能用在工作温度低于2 0 0 的场合，热媒的 热稳定性质很好，在高温下对应的压力较低，比热大，是非常好热载体，但是为提供一定 温度、流量的热媒，需另设热媒加热炉、循环泵、温控系统等设备，投资较大。 下列管道最适合采用夹套管伴热： ( 1 ) 需从外部补偿管内介质热损失，以维持被输送介质温度的管道； ( 2 ) 在操作过程中，由于介质压力突然下降而自冷，可能冻结导致堵塞的管道； ( 3 ) 在切换操作或停输期间，管内介质由于热损失造成温度下降，介质不能放净吹 扫而可能凝固的管道； ( 4 ) 在输送过程中、由于热损失可能析出结晶的管道； ( 5 ) 输送介质由于热损失粘度增高，系统阻力增加，输送量下降的管道； 2 1 2 内、外管直径组合 夹套管的组成除内、外管道外，在管路的高点需设排气管、在最低点设排液管，还有 夹套法兰，以及连接两段断开的夹套管的跨接管，确定内管直径后，其他各部分管径公称 匹配见下表2 1 t 1 9 1 2 0 l ： 9 东南大学硕士学位论文 表2 1 ：夹套管各部分管径的组合1 9 1 f 2 0 】 内管d n ( m m ) 1 52 02 54 08 01 0 01 5 0 外管d n ( m m l 4 05 06 58 0 1 2 51 5 02 0 0 排液管d n ( m m ) 1 51 51 51 52 02 02 0 跨接管d n ( m m ) 1 51 51 51 52 02 02 0 2 1 3 内管与外夹套端部的连接方式 ( 1 ) 通过法兰连接，焊缝隐蔽式 见图2 - 4 ( a ) ，又叫全夹套，伴热效果好，只是内管连接焊缝被挡住，如果内套管 拼接焊缝发生泄漏，没有办法查找缺陷和补焊。所以在安装内管焊缝隐蔽型夹套管时，需 将覆盖内管拼接缝处的外管留1 5 0 m m 长的缺口，待内管焊缝检验、试压合格后再用两半 管段将缺口焊接封闭。 ( 2 ) 通过管帽和连通管连接，焊缝外露式 见图2 4 ( b ) ，又叫半夹套，用环板或管帽将内管焊缝处的夹套段开，将内管连接 焊缝处暴露出来，这样使用过程中内管的焊缝有问题能够方便地查找和补焊，缺点是有部 分内管是没有夹套伴热的。分隔开的各部分外管通过跨接管连成一体。 ( a )( b ) 图2 - 4 夹套管端部连接方式【1 7 】 2 1 4 弯头的曲率半径的匹配 弯头优选g b l 2 4 5 9 9 0 钢制对焊无缝管件系列，一般内管弯头采用长半径 ( 删= 1 5 ) 系列，外管弯头采用短半径( i v d n = 1 ) 系列，这样内管大体在外管的中心 部位。 2 1 5 三通的剖切 内管的三通的安装和普通管道相同，而外管道上的三通必须剖切开才能安装上去，三 通可以横切也可纵切，可根据安装的方便自行选择。见图2 5 ： 1 0 第二章夹套管的结构设计及应力计算 舀舀耸硭当 图2 5 三通的剖切 2 1 6 排气口、排液口、坡度的设置 为了使夹套管内伴热介质处于良好的工作状态，在夹套管的最高点，应设排气口，在 夹套管系的最低点设排液口，及时排掉冷凝液，为此夹套管的水平段必须考虑设计坡度。 2 1 7 定距板设置的位置和间隙 内管上隔一定长度需焊接定距板，使内外管保持同心，并利用外管来支撑住内管。标 准规定在内管上焊接的定心板或定心圆钢的材质要和内管相同，避免热膨胀系数不同而造 成的局部热应力【2 1 】【2 2 】。定距管安装示意图见图2 - 6 ： 定位顿安装示意图 翊矩参见f j j 2 1 1 8 6 ， 图2 - 6 定距管安装图 2 1 8 内外管的组装顺序 内外管的组装顺序见下图2 7 。内外管根据图纸在工厂先行预制，为了最终和设备相 连时方便，最后和设备相连那段夹套管现场配制，相应的调整半管现场配作。 2 1 9 夹套管的材料要求 ( 1 ) 内管由于被外管包覆，不便检修，所以对内管的材料要求较高，必须为无缝钢 管，需有厂家提供的质保书。外管材料可用无缝钢管或焊接钢管。 ( 2 ) 对于用于设计压力 1 0 m p a 情况下的高压钢管，每根钢管需进行射线探伤。 ( 3 ) 与内管相连的零件材质应该和内管材质相同，以免二者因膨胀系数不同，对内 东南大学硕士学位论文 管造成局部热应力【2 2 1 。 图2 7 夹套管组装示意装副2 2 】 2 1 1 0 保温计算 由于外管是高温，为了减少热损失，管道必然要保温，保温层厚度宜按经济厚度法计 算，保温层所需厚度6 按下面的公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 计掣1 7 1 ： 讪鲁乏、掣一警 d 万：堡旦( 2 2 ) 2 其中d i 保温层内径，i n ； t 。环境温度，； d o 保温层外径，i n ；s i 保温层投资贷款年分摊率 f h 热能价格，元1 0 6 k 5 ；6 保温层厚度，m 入保温材料导热系数，w i i l i ( ； t 伴热介质温度，； 2 2 管道应力分析内容 t 年运行时间，h p i 保温层单位造价，元k g 管道工程师根据设计任务的特定要求，收集相关的数据资料，先形成通常是可行的几 、个设计方案，最后经过评价和选择确定出“最佳 设计。工程师在寻求“最佳 设计时， 要受到很多因素的约束，材料性能等自然规律，安全生产的政府法令、法规；技术部门的 标准规范等等，这些不能由设计者变通的约束因素可以称之为外部约束条件；另外还有一 些影响设计的因素则不是成不变的，设计者根据具体情况可以去控制，把某些条件放宽 一些，正是设计者的这些自由才可能使他在寻求“最佳 设计的努力中去发挥其创造性才 1 2 第二章夹套管的结构设计及应力计算 能，这些由设计者能在一定程度上控制的设计约束条件可以称为内部约束条件，如设计方 法、材料选择、结构方案、成本、时间安排等等，设计过程中的创造性部分就是满足目标 要求的前提下提出可行的设计方案，以便进行分析、评价和选择。所谓“最佳 设计也是 在定条件下，相对其他方案能更好满足工艺要求且较经济和易实现的设计方案。 压力、重力、风、地震、压力脉动、冲击等外力载荷和热膨胀的存在，是管道产生应 力的主要原因，其中热膨胀问题是管道应力分析所要解决的最常见和最主要的问题。管道 应力分析工作是个扩展的概念，它是指对管道进行包括应力计算在内的力学分析，并使 分析结果满足标准规范的要求，从而保证管道自身和与其相连的机器、设备以及土建结构 的安全 5 1 。 管道应力分析可以分为静力分析和动力分析两部分。静力分析是指在静力载荷的作用 下对管道进行的力学分析，并进行相应的安全评定，使之满足标准规范的要求。动力分析 则主要指往复压缩机和住复泵管道的振动分析、管道的地震分析、水锤和冲击载荷作用下 管道的振动分析，其目的是使地震和振动的影响得到有效控制。为便于工程应用，相当一 部分动力分析采用等效静力法进行。 ( 1 ) 管道静力分析需要完成下列任务5 】： 计算管道中的应力并使之满足标准规范的要求，保证管道自身的安全( 包括防止法 兰泄漏) ； 计算管道对与其相连的机器、设备的作用力，并使之满足标准规范的要求，保证机 器、设备的安全； 计算管道对支吊架和土建结构的作用力，为支吊架和土建结构的设计提供依据，保 证支吊架和土建结构的安全； 计算管道位移，防止位移过大造成支架脱落或管道碰撞，并为弹簧支吊架的选用提 供依据。 ( 2 ) 管道动力分析需要完成下列任务【5 】： 管道的地震分析，防止管道在地震中发生破坏； 往复压缩机和往复泵管道的固有频率和振型分析，防止管道系统发生机械共振； 往复压缩机管道的强迫振动分析，控制管道的振动应力，防止管道因振动发生疲劳 破坏； 往复压缩机管道气体压力脉动的声学模拟分析，计算管内气体的气柱固有频率和压 力脉动，避免气柱共振和压力脉动过大，从而防止管道振动过大； 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 管道应力分析技术一般会涉及以下方面的内容1 5 】： 项目执行中使用的标准规范及版本； 温度、压力等计算条件的确定方法； 分析中需要考虑的载荷及计算方法； 管道应力分析所使用的软件； 项目中需要进行详细应力分析的管道类别； 管道应力的安全评定条件； 机器、设备的允许受力条件或遵循的标准； 防止法兰泄漏的条件； 膨胀节、弹簧等特殊元件的选择说明； 专门问题( 如摩擦力、冷紧等) 的处理方法； 业主的特殊要求； 不同专业之间的接口关系； 2 3 管道应力的公式计算法 2 3 1 管道的分级( 分类) 管理 劳动部于1 9 9 6 年4 月颁布的压力管道安全管理与监察规定是目前压力管道安全 与监察的总规定、最高法规，所界定的压力管道管理范围是： ( 1 ) 最高工作压力大于等于0 1 m p a ( 表压) ，输送介质为气( 汽) 体、液化气体、可燃 易爆有毒有腐蚀性或最高工作温度高于等于标准沸点的液体的管道； ( 2 ) 输送介质最高工作压力虽低于0 1 m r a ( 表压) ，但符合g b 5 0 4 4 职业性接触毒 物危害程度分级中规定的毒性程度为极度危害介质和g b 5 0 1 6 0 石油化工企业设计防 火规范及g b j l 6 建筑设计防火规范中规定的火灾危险性为甲、乙类介质的管道。 由于压力管道所处环境不同，组成结构千差万别，若不管具体情况一律以最苛刻的条 件制订压力管道的选材、制造、安装、质量检验标难，势必在很多场合造成人力、物力、 财力和时间的严重浪费；反之，均以普通要求制订标准，一些条件苛刻的管道的安全性就 得不到保证。从设计或施工要求、安全管理的不同角度出发，要求相关部门根据不同情况 分别对所管辖的压力管道进行分类管理，对重要程度和危险性不同的管道提出不同的设 计、制造、施工、检验的要求。劳动部门从压力管道监察的需要出发，将压力管道分为工 1 4 第二章夹套管的结构设计及应力计算 业管道、公用管道和长输管道三类。工业管道是指企业、事业单位所属的用于输送工艺介 质的工艺管道、公用工程管道和其它辅助管道；公用管道是指城镇范围内用于公用事业成 民用的燃气管道和热力管道；长输管道是指产地、储存库、使用单位间的用于输送商品介 质的管道。根据三类管道特点提出不同的安全监察制度和相应的安全管理办法，如长输管 道穿越的区域大，涉及的行政区域多，由一个部门管理和监察有很大的困难，要由国家质 量技术监督局直接负责监察，工业管道一般限于一个企业，或者几个相关企业，由主管部 门和企业负责管理【3 】【2 3 】【2 4 】。 三大类管道又根据设计压力、介质的毒性、火灾危险性等细分为6 级1 6 种【2 5 】。见下 图2 8 和表2 2 。 3 类一6 种 r g a l 一 l g a 2 懈黼b ( 三二 工韭管道6 c 1 c 2 1 5 e i i l o c i 2 】 i j e i 3 l g c h 4 ) 6 ( 2 ( 1 ) 6 c 2 ( 2 l 6 2 ( 3 j 0 c 2 ( 4 】 表2 2 管道等级对照表嘲 种类参数介餍 墩l ( 1 ) p i 6 溉 g a 2 ( 1 ) p 1 6 j 弛隐 g a i ( 2 ) s 期细、d n ，3 0 0 r a m q 1 2 ( 2 ) s 2 0 0 拥、删 3 0 0 嘲 g a i ( 3 ) s 5 0 a n 、删1 5 0 ，绷l g 耋2 ( 3 ) s ，删 1 5 0 棚l l 2 钟l ( 1 ) g c i ( 2 ) p 4 o m ! a c , c 2 ( 1 ) g c l f 3 ) 舀c 2 2 ) g l 2 ( 3 ) 贸l ( 4 ) g c 2 ( 4 ) p 4 0 膨阮 p 4 o 赢自p 口、r | 4 f 1 0 p 4 o m p a 、r 挚躺 p 1 0 o 觚陬、r 4 尹l o o | | l j 物 p o z 仃，根据最大剪应力理论，材料的破坏由最大剪应力引起，当量 应力为最大主应力与最小主应力之差，所以强度条件为： 1 6 第二章夹套管的结构设计及应力计算 当量应力盯。= o o 一仃，( 0 ) ， ( 2 6 ) 又因为盯，的值很小，一般可以忽略，仃：的值约为1 7 。的一半，所以将( 2 3 ) 式代入 ( 2 6 ) 式，得 s 丽p d 面 ( 2 7 ) 实际管子的最小壁厚计算公式为： s = 丽p d + c ( 2 - 8 ) 其中：c , o 为焊缝系数，考虑焊缝对强度的削弱程度，和焊接结构、焊缝的检验方法有 关，无缝管为驴= 1 ，对于全焊透焊接结构，2 0 射线探伤的管道，妒 - 0 8 5 ，1 0 0 射线 探伤的管道，妒= l 。 c 为管子壁厚附加量，是考虑管子加工的壁厚负偏差、减薄量和腐蚀余量后的附加值。 加工壁厚负偏差和减薄量可以从管子材料的国家标准中查得；在腐蚀手册中根据管子 材料和工作介质可查得年腐蚀速率，乘上设计寿命年限即可得腐蚀余量。 ( 2 ) 压力载荷下弯头的壁厚计算 弯管在承受内压时，若弯管各点壁厚相同，且无椭圆效应，则弯管内侧应力最大，外 侧应力最小，弯管破坏发生在内侧。但如果采用直管弯制成弯管后，壁厚是有变化的，外 侧壁厚拉伸后减薄，内侧壁厚压缩后增厚；横截面产生一定的椭圆度，使应力分布也发生 变化，外侧由于壁厚减薄而使应力增加，内侧则由壁厚增加而使应力降低。 综合起来，弯管外侧壁的实际环向应力仍比直管大，内侧壁的环向应力则比直管小， 且应力值与弯管的弯曲半径有关。而弯管的径向应力与直管相同，没有变化。因此，计算 弯制弯管的管子理论壁厚s w 相对于直管为： s w = s ( 1 + 蠹) ( 2 9 ) 其中：s 为直管的计算壁厚，i l l m l d w 为管子的外径，m a