【《高炉煤气的布袋除尘重要管段应力探析计算案例》3700字】

高炉煤气的布袋除尘重要管段应力分析计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u30916高炉煤气的布袋除尘重要管段应力分析计算案例 1128291.1净煤气管道的背景 1126111.2基于CAESARⅡ建模 2259051.2.1管道建模 2236701.2.2净煤气管道的模型图 420241.3静力分析结果 4129271.3.1管道应力 4189101.3.2管道位移 793501.4建模过程中曾出现的问题与解决方案 91.1净煤气管道的背景管道工作温度，工作压力，流体介质密度与保温厚度都是影响管道应力分析的重要因素[23]。对于高炉煤气除尘装置来说，净煤气出口管道非常重要，由于净煤气出口管道与布袋除尘器相连，所以按照其的设计条件，将管道温度设置为煤气可能出现的最高温度300℃，将管道压力设置为布袋除尘器的设计压力0.5MPa，管道材料与布袋除尘器一样选用Q235B。净煤气管道布置图如6-1。管道具体尺寸、各部件间距于图6-2展示。图6-1管道布置图图6-2管道各部件尺寸分布管道系统静力分析需要将前面确定的温度压力，管道直径和壁厚，管道材料特性以及长度，约束和附加位移等条件输入。这些数据并不是一成不变的，在管道不确定的某一点处这些数据会发生改变，所以在建立管道模型的时候，节点就要设置在这些发生变化的地方[24]。1.2基于CAESARⅡ建模1.2.1管道建模（1）直管模型建立图6-3直管模型在建立直管段，由于CAESARⅡ中所有的管道的连接均基于管道的节点编号，因此首先应该确定管道的编号。建立模型时首先在DX，DY，DZ位置处输入管道在相应方向的投影长，在Diameter处输入管道直径，然后在相应的位置输入温度，压力，流体介质密度以及腐蚀裕量[25]。选择材料时其相应的许用应力，泊松比等参数也自动生成，但若材料库中没有该种材料则需要手动输入材料的特性参数。最后，根据设计方的要求对管道的保温层进行选择，保温材料的选择与管道材料选择的方法相类似，可以选择材料库内保温层材料，也可以建立个人材料库[26]。（2）法兰和阀门模型的建立图6-4法兰和阀门模型的建立在CAESARⅡ中法兰与阀门参数比较少，而且两者建立方法完全相同，相对而言比较容易建立。CAESARⅡ数据库中也法兰与阀门的数据库，但是一般不能直接调取，最好根据设计方案建立符合条件的管件[27]。建立阀门时，应注意阀门两端是否带有法兰。建立法兰时，应注意是单片法兰还是双片法兰。对两者进行修改时，点击Rigid对两者的质量与长度两个参数修改便可。（3）波纹管补偿器模型的建立图6-5波纹管补偿器模型的建立在一些位移较大的管道附近，若采用刚性原件固定很可能造成管道应力检核难以通过，此时可以通过波纹管补偿器吸收管线的位移。同时，也能吸收一部分管线的震动。在建立波纹管补偿器时，需要注意与波纹管连接的管路和约束类型。在CAESARⅡ中应用ExpansionJoint定义波纹管的参数，参数包括：轴向刚度，横向刚度，弯曲刚度，扭转刚度和波纹管的有效通径。通常由于弯曲刚度与横向刚度的确定关系，两者只用输入一个值即可。约束通常用Restrains定义约束关系。（4）普通约束模型的建立图6-6普通约束模型的建立管道的约束多种多样，比如导向支架、刚性支吊架等。在Restrains中建立的约束模型主要是这类普通约束，在Node中选择需要约束的点，在Type选择约束的类型，比如全固定、X、Y、Z方向的约束，在Stif中确定约束的刚度。对于滑动支吊架可以在Mu中输入摩擦系数[28]。1.2.2净煤气管道的模型图通过对管道的参数的输入，最终建立的管道的模型如下。图6-7净煤气管道模型图1.3静力分析结果1.3.1管道应力表6-1工作状态管道的应力NodeBendingStressKPaTorsionStressKPaSIFInPlaneSIFOutPlaneCodeStressKPaAllowableStressKPaRatio%PipingCode602164.50.01.0001.00019540.4113000.017.3B31.3704109.6-0.01.0001.00021485.5113000.019.0B31.3704109.60.01.0001.00021485.5113000.019.0B31.3803824.2-0.01.0001.00026199.9113000.023.2B31.3803824.20.01.0001.00026199.9113000.023.2B31.385211.7-0.01.0001.00022592.3113000.020.0B31.385211.70.01.0001.00022592.3113000.020.0B31.3901300.7-0.01.0001.00023671.4113000.021.0B31.390947.90.01.0001.00023323.6113000.020.6B31.31004051.4-0.01.0001.00026432.1113000.023.4B31.31004128.50.01.0001.00026504.2113000.023.5B31.3110849.8-0.01.0001.00023225.5113000.020.6B31.31101345.00.01.0001.00023720.7113000.021.0B31.3120201.4-0.01.0001.00022582.1113000.020.0B31.3管道应力校核是管道应力分析的核心。管道应力校核不仅需要对管道的一次应力，二次应力进行校核若有偶然载荷还需要对偶然载荷进行校核，还要在变工况条件下对应力校核。管道应力校核是管道能否安全运行的重要条件。CAESARⅡ中使用管道校核应力标准是ASMEB31.3工艺管道的标准，ASMEB31.3更趋向于安全，这也确保了管道能更安全的运行。在管道校核时，通常采用第三强度理论即最大切应力理论，一般管道材料都是塑性材料，第三强度理论不仅考虑了拉应力与拉应变，还考虑了切应力使校核更加安全。表6-1是工况下管道一次应力较大部分。上表列出了工作状态管道的应力结果数值较大的一部分，由于数据较多只对管道应力最大节点分析。图6-8工作状态管道的应力最大点其中，各项应力含义如下所示：（1）AxialStress 轴向应力（2）BendingStress 弯曲应力（3）TorsionStress 扭转应力（4）CodeStress 综合应力（5）AllowableStress 许用应力（6）Ratio 综合应力所占许用应力的百分比（7）MaxStressIntensity 最大应力点一次应力校核通过的标志是综合应力值小于或者等于许用应力值。本文所示模型一次应力校核通过，无应力超标节点。根据一次应力的计算结果，还可以得到最大应力点。一次应力最大值点是100节点，该点的综合应力为22.375MPa，占许用应力的比例是23.5%，不属于危险点，无需对其进行结构改进。管道的轴向应力一部分是有管道内介质压力引起的，一部分是由管道的约束力引起的。在本管系中压力是处处相同，因此由压力引起的轴向应力也是相同的。而节点80和节点100处的轴向应力较大，由上表可知主要原因是节点80处Y向的约束力较大。弯曲应力很大程度上是由管道位移引起的。表6-2纯热态管道的应力NodeBendingStressKPaTorsionStressKPaSIFInPlaneSIFOutPlaneCodeStressKPaAllowableStressKPaRatio%PipingCode19022.50.01.0001.00081.2279267.50.0B31.320041.80.01.0001.000105.5279234.40.0B31.321061.00.01.0001.000124.8278849.70.0B31.322073.90.01.0001.000137.6278363.60.0B31.322073.90.01.0001.000137.6278363.60.0B31.323081.70.01.0001.000150.5278445.30.1B31.3240127.20.01.0001.000190.9279191.80.1B31.3250159.30.01.0001.000223.1279213.50.1B31.320132.30.01.0001.000198.1278157.60.1B31.3114041.80.01.0001.000105.5279229.10.0B31.3上表这列出纯热态管道的应力结果的一部分，由于数据较多只对管道应力最大节点分析。表6-9纯热态管道的应力最大点管道纯热态应力仅考虑温度对管道的影响。二次应力校核通过的标志是综合应力值小于等于许用应力值。如果一次应力校核通过但二次应力值却大于许用应力，可用合成应力再次校核验证：倘若合成应力不大于许用值，那么二次应力校核通过。本文所示模型二次应力校核合格，无应力超标点存在。二次应力最大值点是节点10250，二次应力的数值为2.23MPa，占许用应力的比值为0.1%。1.3.2管道位移管道位移分析是管道应力分析中重要的环节。管道产生位移的原因很多。首先是管道自重，由于自重产生的位移在冷态或热态都存在。管道的自重可以看做均布载荷，在材料力学中可以把管道作为连续的梁，而梁在自重作用下会产生挠曲变形。其次是支吊架的约束反力。当管道由安装状态变为工作状态时，支吊力会发生改变。支吊力的改变会使支吊点的管道受到约束反力，进而使管道产生位移。管道产生位移会使管道受到额外受力，严重时会使管道支吊架产生架空现象使管道系统瘫痪。避免管道位移的方法有很多，最常用是设置吸收管道位移的原件，如波纹管补偿器。净煤气的安装状态位移数据如表6-3。表6-3安装状态管道的位移节点号DXmm.DYmm.DZmm.RXdeg.RYdeg.RZdeg.10-0.0002.0290.0000.03070.0000-0.000020-0.0000.6940.0000.03090.0000-0.000025-0.000-0.0000.0000.03410.0000-0.0000300.000-0.8230.0000.03630.0000-0.0000400.000-2.4550.0000.03270.0000-0.0000500.000-3.8190.0000.02560.0000-0.0000600.000-4.7150.0000.01210.0000-0.0000700.000-4.8870.0000.0061-0.0000-0.0000800.000-4.9580.000-0.0083-0.0000-0.0000900.000-4.7950.000-0.0241-0.0000-0.00001000.000-3.2880.000-0.0321-0.0000-0.00001100.000-0.5990.000-0.0325-0.0000-0.00001200.000-0.0000.000-0.0324-0.0000-0.0000130-0.0001.1270.0000.0160-0.0000-0.00001400.0800.6800.0000.01600.00000.00061500.0810.6790.0000.01340.00000.00061600.0950.6770.0000.01340.00000.00061700.0390.0960.0000.0134-0.00000.1633180-0.017-0.3470.0000.0134-0.0000-0.0222表6-3是冷态即安装状态的管道位移较大的连续节点。可以发现在节点60-100点之间的管道位移稍大。主要是由于在节点60-100未设置Y方向的支架，管道在自重作用下会朝Y向移动。且节点60-100处于管道中部，+Y方向的支架设置于管道两端，所以节点60-100受到重力的影响，位移相比较而言最大，但是此位移仍然不影响管道和设备工作。在管道70节点处加上+Y方向的支架，则冷态最大位移从节点80处-Y方向的4.958变为节点100处-Y方向的0.448，位移减小了10倍。表6-3工作状态管道的位移节点号DXmm.DYmm.DZmm.RXdeg.RYdeg.RZdeg.100.0002.029-33.9980.0307-0.0000-0.0000200.0000.694-24.9980.0309-0.0000-0.0000250.000-0.000-20.4990.0341-0.0000-0.000030-0.000-0.823-15.9990.0363-0.0000-0.000040-0.000-2.455-11.9990.0327-0.0000-0.000050-0.000-3.819-17.9990.0256-0.0000-0.000060-0.000-4.715-9.0000.0121-0.0000-0.000070-0.000-4.887-5.4000.00610.0000-0.000080-0.000-4.958-1.800-0.00830.0000-0.000090-0.000-4.7959.000-0.02410.0000-0.0000100-0.000-3.28811.999-0.03210.0000-0.0000110-0.000-0.59924.999-0.03250.0000-0.0000120-0.000-0.00028.598-0.03240.0000-0.00001300.0001.12735.7980.01600.0000-0.0000140-4.9950.680-24.9970.01600.00010.0006150-5.1750.679-24.9970.01340.00010.000