張忠杰，王先年，康林勇

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

在化工裝置管道布置中，對管道系統進行柔性分析和應力分析是不可缺少的環(huán)節(jié)。管道應力分析可驗證管道布置的安全性。隨著計算機應用的深入，我們可以通過計算軟件準確的、迅速的進行管道應力分析，并使對復雜的管道系統進行應力分析得以實現。目前，國內外大部分工程公司、設計單位均采用CAESARⅡ應力分析軟件進行管道應力分析。

與合成塔出口相連的管道，由于其操作溫度遠遠高于安裝溫度，在操作時因熱脹而產生的熱應力必然作用到兩端的設備上，當這些荷載過大或不平衡時，對設備產生的推力將增大，影響設備的正常安全運行。為此，必須限制作用在合成塔及另一端廢熱鍋爐設備上的力和力矩使其不超過設備設計允許的范圍。合理的管道設計是達到此目的的重要手段，管道設計合理與否可以通過對管道系統的熱應力分析計算結果的來判斷。

本文以某項目氨合成裝置中的合成塔出口管線為例，進行應力計算分析。此管線溫度、壓力高，介質對材質要求苛刻，導致此管線價格昂貴，在合成氨領域素有“天價管”之稱，因此需要做好應力分析，使管線設計做到既安全又經濟。

1 研究基礎

研究的基礎數據為：環(huán)境溫度21℃，設計溫度(T1)440℃，操作溫度(T2)410℃，極端溫度(T3)10℃，設計壓力(P)16500kPa，直徑/壁厚 Φ508×50 mm，管道材料 A312 TP321H，保溫厚度 120mm，基本風速(WIN)30m/s，地震加速度(U)0.1g。

根據合成塔、蒸汽過熱器、廢熱鍋爐、管道數據等，利用CAESAR II所建模型見圖1，合成塔出口管線ISO圖見圖2。

圖1 出口管線模型圖

圖2 出口管線ISO圖

2 分析計算

本研究考慮設計溫度、操作溫度、設計壓力、風載荷、地震載荷，同時考慮布爾登效應（Translation & Rotation），利用CAESARII進行的工況組合見表1。

表1 計算工況組合表

2.1 工況組合研究

研究工況中T1為設計溫度，T2為操作溫度，T3為極端環(huán)境溫度，WIN1/WIN2為風載荷，U1/U2為地震載荷，將不同的溫度、位移進行組合研究，分別研究了水壓試驗工況、安裝工況、偶然工況下的應力、荷載、熱位移等因素。

2.2 管道應力研究

利用CAESAR II軟件，對設計的管道分別進行了一次應力、二次應力研究，管道最大應力點見表2。由表2可以看出，所設計的管道的一次、二次應力均滿足規(guī)范要求。

2.3 管口許用荷載研究

由于出口管線溫度較高，熱位移較大，本研究設置了彈簧支架，經過加載彈簧支架的管口荷載計算結果見表3。

由表3可以看出，node6420點（廢熱鍋爐）入口，能夠滿足管口許用荷載要求，蒸汽過熱器出口荷載交由設備廠商校核，經過校核也能滿足設備設計要求。

2.4 法蘭泄露分析

由于本研究的管線DN500，2500LB，已經超出了ASME相關標準法蘭規(guī)格，因此，軟件自帶的等效壓力法和最大屈服強度法均不適用，本研究依據ASME VIII附錄二的計算方法，進行法蘭泄露分析。將法蘭處的軸向力及彎矩帶入計算，結果見表4。

由表4可以看出，管口法蘭泄露分析通過，本研究還分析了增加彈簧支架后，整個管系的撓度，均小于10mm，滿足設計要求。

3 研究結論

通過CAESARⅡ應力分析軟件的計算，使合成塔的出口管線滿足了冷熱態(tài)許用應力的要求，管口許用荷載、法蘭泄露分析的要求，同時也為彈簧支架的選取、土建條件的提出，提供了依據；使此管線的設計做到了安全、經濟、合理。

表2 管道應力極值表

表3 管口許用荷載校核表

表4 法蘭泄露/應力計算表