吳凱(華陸工程科技有限責(zé)任公司 陜西省西安市 710065)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的工業(yè)發(fā)展越來(lái)越快，各種高溫管道應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，高溫管道的質(zhì)量對(duì)工業(yè)安全、穩(wěn)定的生產(chǎn)有很大的影響，只有保證高溫管道安全穩(wěn)定的運(yùn)行，才能確保工業(yè)的正常生產(chǎn)。下文對(duì)高溫管道進(jìn)行了應(yīng)力分析，并提出了一些降低設(shè)備管口受力方法，分析了管道設(shè)計(jì)思路。

一、高溫管道應(yīng)力分析的意義

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，各種高溫、高壓管道的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，管道設(shè)計(jì)對(duì)管道質(zhì)量及使用壽命有很大的聯(lián)系，而管道應(yīng)力分析對(duì)管道設(shè)計(jì)質(zhì)量有很大的影響，因此，對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析有十分重要的意義。管道應(yīng)力分析是管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有對(duì)各種荷載對(duì)管道產(chǎn)生的作用力進(jìn)行分析，才能對(duì)管道的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，才能保證管道的設(shè)計(jì)更加合理。對(duì)已經(jīng)布置的管道進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，確定管道的最大應(yīng)力值，從而經(jīng)管道承受的應(yīng)力控制在允許范圍內(nèi)。應(yīng)力分析是管道和相連設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段，對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析，能有效的保證變換裝置安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

二、變換裝置高溫管道的設(shè)計(jì)

1.變換裝置管道特點(diǎn)

變換裝置的工藝管道操作溫度在200℃以上，有的管道操作溫度在500℃，為了降低生產(chǎn)成本，擴(kuò)大裝置規(guī)模，變換裝置管道的操作壓力也在4.0M Pa，管道直徑在500mm以上，管道厚度在20mm以上，變換裝置具有剛度大、柔性差的特點(diǎn)。

2.變換裝置高溫管道的設(shè)計(jì)

變換裝置高溫管道具有管道管徑大、管壁厚，管道剛度大的特點(diǎn)，由于管道的溫度比較大，產(chǎn)生的熱脹力會(huì)對(duì)設(shè)備管口產(chǎn)生很大的推力，因此，在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮管道的柔性，常用的增加管道柔性方法有改變管道走向、選用彈簧支吊架、使用補(bǔ)償器等。

在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，要盡量選擇改變管道走向和選用彈簧支吊架的方法來(lái)增加管道的柔性，一般情況下，當(dāng)兩個(gè)固定點(diǎn)的位置相同時(shí)，適當(dāng)?shù)脑黾庸艿赖拈L(zhǎng)度能提高管道的柔性，當(dāng)管道的某一段剛度過(guò)強(qiáng)時(shí)，采用增加與管道垂直方向的管道長(zhǎng)度來(lái)增強(qiáng)管道的柔性。彈簧支吊架可以分為變性彈簧支吊架、恒力彈簧支吊架兩種類(lèi)型，在保證管道走向不改變的前提下，合理的運(yùn)用彈簧支吊架能極大的提高管道的補(bǔ)償能力，但彈簧支吊架的數(shù)量要控制好，如果彈簧支吊架數(shù)量過(guò)多就會(huì)對(duì)整個(gè)管道的穩(wěn)定性造成影響，如果彈簧支吊架的數(shù)量過(guò)少，則不能起到應(yīng)用的作用。

適當(dāng)?shù)母淖児艿雷呦蚰芴岣吖艿赖娜嵝裕档驮O(shè)備管口受到的推力，在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，要在保證管道柔性的前提下，盡量保證管道的強(qiáng)度，避免管道過(guò)于柔軟，從而增加管道的穩(wěn)定性，節(jié)省管道投資費(fèi)用。在進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算時(shí)，要先減少管道對(duì)設(shè)備管口的力矩和推力，常用的方法有調(diào)整支架的位置、調(diào)整支架形式、改變管道走向、增加自然補(bǔ)償?shù)取?/p>

三、高溫管道設(shè)計(jì)實(shí)例

本次設(shè)計(jì)采用CAESARII軟件對(duì)某合成氨工藝的CO變換裝置管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)變爐出口和變換爐進(jìn)料口之間的管道進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

1.設(shè)計(jì)參數(shù)

該管道的介質(zhì)主要為CO和H2，管道操作溫度為400℃，操作壓力為3.5KPa，管徑為500mm×20mm，變換爐管道出口到換熱器進(jìn)口管道初始位移量為25mm，本次設(shè)計(jì)管道操作溫度為450℃，設(shè)計(jì)操作壓力為4.0M Pa，設(shè)計(jì)變換爐管道出口到換熱器進(jìn)口管道初始位移量為28mm。

2.管道應(yīng)力計(jì)算

由于變換爐出口和熱換器進(jìn)口管道初始位移量比較大如果采用剛性支架會(huì)將管道頂死，增加設(shè)備管口的受力，因此這部分要采用彈簧支吊架進(jìn)行管道支撐。將該管道分成若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，該管道的一次應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為變換爐出口節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為73768N、管道中間節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為5660N、熱換器進(jìn)口節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為67823N，本次一次應(yīng)力設(shè)計(jì)結(jié)果為變換爐出口節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為89333N、管道中間節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為5870N、熱換器進(jìn)口節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為83795N；一次應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為變換爐出口節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為16284N、管道中間節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為1207N、熱換器進(jìn)口節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為16294N，本次一次應(yīng)力設(shè)計(jì)結(jié)果為變換爐出口節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為19925N、管道中間節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為1196N、熱換器進(jìn)口節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為19993N。

3.管道分析和調(diào)整

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以得出管道的支架受力處于合理范圍，但設(shè)備的管口許用載荷偏大，變換爐出口力矩也大于規(guī)定靜設(shè)備管口的許用載荷，換熱器出口方向力矩也偏大，因此，需要對(duì)管道進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。由于管道的運(yùn)行溫度為400℃，管道受熱膨脹對(duì)設(shè)備管口產(chǎn)生的推力比較大，因此，可以適當(dāng)?shù)脑黾庸艿篱L(zhǎng)度，提高管道的柔性。由于換熱器接近變換爐的一側(cè)有其他管道，不能通過(guò)增加管道長(zhǎng)度的方法來(lái)提高管道柔性，因此，可以采用改變管道走向的方法來(lái)降低設(shè)備管口的推力。

總結(jié)

管道的鋪設(shè)對(duì)裝置的安全運(yùn)行有十分重要的作用，而管道應(yīng)力分析是保證管道安全運(yùn)行的重要方法，因此，在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，要科學(xué)準(zhǔn)確的計(jì)算出管道應(yīng)力，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄕ{(diào)整設(shè)備管口推力，同時(shí)要綜合考慮管道材料、管道介質(zhì)等對(duì)管道質(zhì)量的影響，確保管道安全、可靠的運(yùn)行。

[1]楊羽華.變換裝置中高溫管道的應(yīng)力分析及設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)備與管道，2012，49（01）：54-56.

[2]姜鳳嬌，趙樹(shù)平，李松松，劉勛澤.使用NFF檢測(cè)機(jī)械管道應(yīng)力裝置的分析安裝[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，（09）：169-170.

[3]李堅(jiān).管道應(yīng)力分析及柔性設(shè)計(jì)[J].煉油技術(shù)與工程，2010，（01）：105-106.

[4]包亞西.管道應(yīng)力分析中進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析管道的確定[J].河南化工，2010，（08）：214-215.