压力管道应力分析.doc

机电工程学院 课题名称： 压力管道应力分析 学生学号： 1103020202 专业班级： 11 过控02 学生姓名： 陈盼盼 学生成绩： 指导教师： 徐青山 压力管道应力分析摘要：随着现代工业的发展，压力管道设计中管道的应力分析尤为重要。文中阐述了管道应力分析的方法，并举例说明之，为石化企业类似计算提供了可靠的模型。关键词：管道应力；管道设计；泵进出口管道随着现代工业的发展，石化装置规模逐步大型化，大量高温高压管道的应用，管道的配置显得尤为重要，也对从事管道设计的人员提出了更高的要求。要求设计人员必须具备有一定的应力分析能力，才能设计既满足工艺流程，又安全，经济合理，美观的管道布置方案。1 管道应力分析的概念和任务1.1 应力的概念 压力、重力、风、地震、压力脉动、冲击等外力荷载和热膨胀的存在，是管道产生应力问题的主要原因。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。管道在内压、持续外载以及热胀、冷缩和其它位移等载荷作用下，其最大应力往往超过材料的屈服极限，使材料在工作状态发生塑性形变。高温管道的蠕变和应力松弛，也将使管系上的应力状态发生变化。对于管道上的应力，一般分为一次应力、二次应力和峰值应力三类。一次应力是指由管道所受荷载，如所受内压、持续外载、风荷载、冲击荷载等引起的正应力和剪应力。它是非自限性的，超过某一限度，将使管道整体变形直至破坏。因此，必须为不发生材料屈服而留有适当的裕度，以防止过度的塑性变形而导致管道被破坏。二次应力是指由热胀、冷缩、端点位移等位移载荷的作用所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必须的应力。二次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续扩大。一般来讲，只要不重复加载，二次应力不会导致管道破坏。也就是说，二次应力引起的主要是疲劳破坏。应该指出的是，当位移荷载极大，局部屈服或小量变形不足以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足时，管道也可能在一次加载的过程中就发生破坏。由一次应力和二次应力的定义和特点可知，因为一次应力没有自限性，所以它比二次应力更危险，应该受到更加严格的控制。峰值应力是管道或附件由于局部结构不连续或局部效应（包括局部应力集中）附加到一次应力或二次应力的增量。所以温度、压力、管径、壁厚、荷载、跨距、补偿器形式等都会对应力结果产生影响。1.2 管道应力分析需要完成下列任务1.2.1管道静力分析需要完成下列任务 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。 1.1.2 管道动力分析的任务管道动力分析主要指往复压缩机和往复泵管道的震动分析、管道的地震分析、水锤和冲击荷载作用下管道的震动分析，其目的是使地震和震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。1.2 管道应力分析的过程编制或熟悉项目的管道应力分析技术统一规定；确定需要进行详细应力分析的管道；接收管道应力分析空视图；计算端点附加位移(管口位移量计算方法)；建立模型，分析计算，查看结果，修改模型直到通过应力分析校核评定；编制计算书，向相关专业提交计算结果。一般来说，下述管系必须利用应力分析软件（如CAESAR）通过计算机进行计算及分析。 与储罐相连的，公称管径12”及以上且设计温度在100度及以上的管线； 离心式压缩机（API 617）及往复式压缩机（API618）的3”及以上的进、出口管线； 蒸汽透平（NAME SM23）的入口、出口和抽提管线； 泵（API 610）公称直径4”及以上且温度100度及以上或温度-20度及以下的吸入、排出管线； 空冷器（API 661）公称直径6”及以上且温度120度及以上的进、出口管线； 加热炉（API 560）与管口相连的6”及以上和温度200度及以上的管线； 相当长的直管，如界区外的管廊上的管线； 法兰处的泄漏会造成重大危险的管线，如氧气管线、环氧乙烷管线等； 公称直径4”及以上且100度及以上或-50度及以下的所有管线。2 管道柔性设计管道的柔性是反映管道变形难易程度的概念，它表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其它位移变形的能力。2.1 管道柔性设计的目的管道柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀、冷缩、端点附加位移、管道支撑设置不当等原因造成下列问题： 管道应力过大或金属疲劳引起管道破坏； 管道连接处产生泄漏； 管道推力或力矩过大，使与其相连接的机器、设备产生过大的应力或变形，影响机器、设备的正常运行； 管道推力或力矩过大引起管道支吊架破坏。端点附加位移包括： 静设备热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移； 移动设备热胀冷缩在连接管口处产生的附加位移； 加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移； 储罐等设备基础沉降在连接管口处产生的附加位移； 不和主管一起分析的支管，应将分支点处主管的位移作为支管端点的附加位移。2.2 管道柔性设计的方式 改变管道的走向，选用弯头、环形管或偏心管等； 选用波形补偿器、套管式补偿器或球形补偿器，如选用旋转接头、波纹管、波形的或滑动连接式的膨胀接头，或其它允许有移动或转动的装置等； 选用弹性支吊架，必要时应采用合适的锚固件、拉杆或其它设施，以承受由于液体压力、摩擦阻力和其它原因所产生的端部作用力。3 典型管道泵管道及支架设计3.1 泵管道设计的要求： 泵的进、出口管道应设切断阀，管道一定要有足够的柔性，以减少管道作用在泵管口处的应力和力矩； 泵的吸入管道应满足泵的“气蚀余量”的要求，管道应尽可能短、少拐弯，不得有气袋。如难以避免，应在高点设放气阀； 当泵吸入管较长时，宜设计成一定的坡度（i=5），泵比容器低时宜坡向泵，泵比容器高时宜坡向容器； 在紧靠泵入口管道切断阀下游，应设过滤器或临时过滤器，为防止泵的流体倒流引起泵的叶轮倒转，泵出口应装有止回阀； 在满足工艺要求的前提下，泵的管道、阀门手轮不得影响泵正常运行及维修检查所需空间； 往复泵进、出口管道设计应考虑流体脉动的影响。3.2 泵管道支架设计的要求： 在靠近泵的管段上设置支、吊架或弹簧支吊架； 泵出口管嘴垂直向上时，在距泵最近拐弯处，于泵基础以外的位置设计支架；也可在泵管口上方的拐弯处设置吊架； 对于大型机泵的高温进出口管道，为减轻泵管口受力而设置的支架应尽量使约束点和泵管口之间的相对热伸缩量最小； 泵的水平吸入管道宜在靠近泵的管段上设置可调支架，也可采用弹簧支吊架； 为防止往复泵管道的震动，应缩短管道支架之间的距离，尽量采用管卡型支架，不宜采用吊架； 泵附属小管道应尽量成组布置，以便安装支架； 未经泵制造厂许可，不得在泵底座上安装支架。 3.3 实例分析：以某海外天然气项目热介质离心泵进出口管线为例讨论：本管系参数特点为：操作温度：120。两台相同型号离心泵并联工作，泵，管系尺寸为进口管尺寸12” ，出口管12”。 应力计算前管道走向为下图所示：（平进上出）但经过应力分析计算发现管口荷载偏大。具体数据见下列图表：API 610标准中的离心泵管口载荷要求为：运行应力分析软件CAESAR计算得出的两个泵管口荷载及力矩数据如下：两泵进口荷载分别为：两泵出口荷载分别为：计算得出的管口X,Y,Z方向荷载的大小与API 610标准的数据进行比较可以看出A泵进口三个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标准的要求。B泵进口Y方向的力和Y方向的力矩都超出了标准的要求，出口Y方向的力和力矩也超出了API 610标准的要求。所以对管路走向进行了修改，并调整支吊架。延长进口管系的部分管段以增加柔性，并增设进口处的支撑，将弯头处的固定架改为弹簧架，目的是为保护离心泵不被损坏。出口管系是大尺寸管，阀门的支撑是很大的问题，所以放在离地面较近的位置便于支撑，而且可以增加管道的柔性，吸收管口处的力。所以对管道走向进行调整，调整后的泵进、出口管道三维模型为修改后泵入口管荷载为：修改后两个泵出口管荷载为：修改过后的管道应力计算结果符合API 610标准的要求，是可行的。4 结语综上所述，管道应力分析与管道设计及支吊架设计密切相关，在石油化工管道工程设计中，它们对整个管系的安全运行起着至关重要的作用；由此可见，应用国际上先进的应力分析软件CAESER等对管道进行应力分析，并对管道进行支吊架设计对石油化工工程建设而言，其作用举足轻重。参考资料：1) GB 50316-2000 工业金属管道设计规范2) SH/T 3041-2002 石油化工管道柔性设计规范3) GB