李金潞，劉峰，向煒成，呂忠

(1.遼寧石油化工大學機械工程學院，遼寧撫順113001；2.中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧撫順113006)

0 前言

管道應力分析是對管道進行包括應力計算在內(nèi)的力學分析，并使分析結(jié)果滿足標準規(guī)范的要求，以保證管道自身和與其相連的設備、機器的安全。管道應力分析可以分為靜力分析和動力分析兩部分。靜力分析是指在靜力載荷作用下對管道進行力學分析，并進行相應的安全評定，滿足標準規(guī)范的要求。動力分析則主要指往復壓縮機和往復泵管道的振動分析、地震分析以及水錘和沖擊荷載作用下管道的振動分析。目前，管道工程界均采用CAESARII管道應力分析軟件進行管道應力分析。既可以進行靜態(tài)分析，也可以進行動態(tài)分析，同時還可以進行壓縮機、汽輪機、泵、空冷器和加熱爐等特殊設備及機械的管口受力校核，廣泛應用于石化、電力、鋼鐵等行業(yè)。

1 CAESARⅡ軟件與管道柔性分析

1.1 CAESARⅡ軟件的應用

CAESARⅡ是基于有限元理論，以梁單元模型為基礎的分析程序，具有在線幫助、圖形顯示以及糾錯等功能，可以分析大型管系、剛結(jié)構(gòu)或二者相結(jié)合的模型。本文基于CAESARⅡ管道應力分析軟件對某煉油項目輕石腦油異構(gòu)化裝置中塔底再沸器入口連接管道進行靜力分析，主要包括:

SUS-壓力荷載和持續(xù)載荷作用下的一次應力校核；

EXP-純熱態(tài)載荷作用下的二次應力校核；

OCC-偶然載荷作用下的一次應力校核；

OPE-操作狀態(tài)載荷下管道對支吊架和設備管口的推力計算；

FAT-疲勞載荷校核。

1.2 管道柔性設計目的和方法

管道的柔性反映的是管道變形的難易程度，表示管道通過自身變形吸收熱脹、冷縮和其他位移的變形的能力。管道柔性設計的目的是保證管道在設計條件下具有足夠的柔性，防止管道受熱脹和冷縮及管道支撐設置不當?shù)仍斐梢韵聨讉€問題:

1)管道應力過大或金屬疲勞引起的管道破壞；

2)管道連接處產(chǎn)生泄露；

3)管道推力或力矩過大引起管道支吊架破壞；

4)管道推力或力矩過大使與其相連的機器、設備產(chǎn)生過大的應力或變形，影響設備的正常運行。

在管道設計中，增加管道柔性的方法主要有:改變管道走向(包括設置U形彎)、選用支吊架和波紋管膨脹節(jié)。在條件允許的情況下，應首先采用改變管道走向和選用支吊架的方法來增加管道柔性。當管徑較大，場地受到限制且所需的補償量較大時，可考慮采用波紋管膨脹節(jié)來增加管道柔性。

2 應用實例分析

使用CAESARⅡ軟件對某煉油項目中穩(wěn)定塔底部到再沸器附屬管道進行應力計算。

恰當?shù)剡\用錄像進行語言訓練，常常會收到事半功倍的教學效果。如，學習二年級下冊《歡樂的潑水節(jié)》一課中“開始潑水了，大家互相追趕，你拿瓢往我衣領里灌，我端盆向你身子上潑?！本渲小肮唷薄皾姟焙茈y用語言文字向?qū)W生將清楚，我就讓學生觀看一段傣族人民過潑水節(jié)的錄像，學生看到錄像中大家你追我，我追你，一個傣族姑娘把滿滿的一瓢水倒進了一位解放軍叔叔的衣領里，一個孩子則把一盆水向一位小姐姐身上潑去。欣賞后，說說各自的感受，學生覺得“灌”“潑”這兩個字用得非常準確生動，把傣族人民潑水時的快樂描繪得惟妙惟肖，更體會到準確用詞的妙處。

2.1 管道的主要參數(shù)

介質(zhì)參數(shù)和邊界條件如表1、表2所示。

表1 介質(zhì)參數(shù)

表2 邊界條件

2.2 CAESARII軟件應力計算

根據(jù)以上管道條件，在CAESARⅡ軟件中建立三維模型如圖1所示。

圖1 三維模型

經(jīng)過程序運算，應力計算結(jié)果如表3所示。表3中一次應力SUS為29 908.7N，其＜允許應力值125 000N；二次應力EXP分別為40 529.7N和32 756.2N，均＜允許應力值162 500N，表明一次應力和二次應力符合校核標準。

表3 管系應力計算結(jié)果

在此基礎上對各節(jié)點與設備管口的力和力矩進行校核，以免造成法蘭泄露而影響設備運行，設備管口所受力及力矩計算結(jié)果如表4所示，表中載荷工況中5和6分別為設計和操作工況。從表4中可知穩(wěn)定塔和再沸器管口的受力情況，將計算結(jié)果與(表5)國家標準進行比照分析，得到穩(wěn)定塔底出口10節(jié)點處y方向受力較大，再沸器進口80節(jié)點處的z方向彎矩也偏大，均超過了應力安全運行的靜設備管口許用載荷標準。通過分析，證明該方案不理想，需進行優(yōu)化設計。

表4 設備管口受力和力矩

表5 國家標準

2.3 管系優(yōu)化設計

分析管系受力，發(fā)現(xiàn)圖1中10節(jié)點橫向管過短，管系產(chǎn)生的向上力加載到管口處造成10節(jié)點推力過大，因此可以采用增加管長的方法改變管道柔性，修改方案如圖2所示，管口的力和力矩結(jié)果如表6所示。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一次應力和二次應力均滿足要求。由表6計算結(jié)果可知，10節(jié)點和80節(jié)點所受應力明顯減少，各節(jié)點所受力和彎矩值明顯小于安全國家標準如表5所示。但整個管道存在的兩個彈簧支吊架易使相應節(jié)點附近在操作狀態(tài)時產(chǎn)生不同方向震動，導致整個管系的不穩(wěn)。分析動態(tài)模型圖2(c)表明該設計方案不理想。

圖2 動態(tài)模型分析圖

表6 調(diào)整后的設備管口受力和力矩

在上述修改方案基礎上可以將彈簧支吊架換成剛性支托及導向架，以限制x，y，z方向的位移。由于節(jié)點63處設有導向架，管系將產(chǎn)生向上的力，易使管口10處產(chǎn)生較大彎矩。為減小管系承受的局部載荷，可以在豎管上安裝彈簧支吊架來分解此力。修改方案如圖3所示，相應計算結(jié)果如表7所示。根據(jù)調(diào)整后的設備管口受力情況表7可知，各項數(shù)據(jù)結(jié)果均小于安全規(guī)范標準，此方案合理。

圖3 改變彈簧支吊架的模型

表7 調(diào)整后的設備管口受力和力矩

3 CAESARⅡ軟件的優(yōu)點

1)CAESARⅡ是以梁單元模型為基礎的有限元分析程序，具有非常方便的荷載組合，可以根據(jù)各種國際標準進行靜設備和動設備的校核。

2)CAESARⅡ軟件既可以計算管道與設備連接的管口柔性和設備管口處的局部應力，也可把管架與管道作為一個整體進行應力分析驗算等。

3)應用CAESARⅡ軟件進行程序運算快捷、準確，尤其是在大型工程項目中優(yōu)勢更加突出，有時局部出錯人工需整個過程重新計算，而CEASARⅡ軟件只需調(diào)整相應的模型即可完成。

4 結(jié)論

1)CAESARⅡ應力分析軟件是使用簡單梁單元建立管系模型，通過定義系統(tǒng)中的荷載，在CAESARⅡ的結(jié)果分析報告中，可以看到各個工況下管系的整體受力情況及各個節(jié)點、支撐的彎矩、受力和位移大小。

2)管道必須有足夠的柔性才能夠保證與其相連的設備正常運行，一般可以通過增加管系的長度以增加管系的柔性；選用支吊架可使支吊架處產(chǎn)生垂直位移，降低管系約束度，增加其柔性。

3)結(jié)合CAESARⅡ應力分析結(jié)果，進行管道優(yōu)化設計時應注意管道的布局，在改變管道走向，增加或改變支吊架形式時，要最大限度地減少對設備管口的作用力，以免造成管系的失穩(wěn)及增大管道的輸送阻力。

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