煤氣管道系統減壓閥組補強分析

摘 要:石化、冶金等大型聯合企業煤氣管道系統中的減壓閥組，連接結構形式較多，由于不連續結構造成應力集中的現象較多，目前工程上對其的應力分析主要靠經驗進行，補強方法通常采用整體補強。針對減壓閥組的上述問題，本文通過有限元分析軟件Ansys11.0，以一大型冶金化工聯合企業的煤氣管道系統減壓閥組為例，詳細的進行了其各個不連續連接結構處的應力分析，并提出了相應的補強措施，為石化、冶金等大型聯合企業煤氣管道系統中的減壓閥組的應力分析及補強提供了理論依據，具有較為重要的意義。

關鍵詞:減壓閥組 斜接管 加強圈 補強

中圖分類號:TQ547文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(b)-0058-02

Reinforcement analysis of pressure-reducing valve groups in gas piping system

Ling Chen1， Changqing Hu2

(1. Iron-making research department of CISDI Engineering Co. Ltd.， MCC， Chongqing， 400013 )

(2. Power research department of CISDI Engineering Co. Ltd.， MCC， Chongqing， 400013)

Abstract： There are a lot of connection styles of pressure-reducing valve groups in the gas piping system of petrochemical and metallurgical corporations.In addition， many examples of stress concentration often occur because of the discontinuous structure. At present，the analyses of these examples mainly depend on the engineering experience，which means that these stress concentration examples should do the overall reinforcement. In this paper，the stress analysis for the discontinuous structure of a pressure-reducing valve group，which belongs to the gas piping system of a large united metallurgical and petrochemical corporation， has been made by the finite element analysis software Ansys11.0.Based on the detailed analysis，an appropriate reinforcing method for the valve group has been presented.According to the above presentation，this paper provides the theoretical basis for the stress analysis and reinforcement of pressure-reducing valve groups in the gas piping system，and it is useful in the petrochemical and metallurgical corporations.

Key words: pressure-reducing valve groups;pipe with lateral nozzles;reinforcing ring;reinforcement

減壓閥組是通過一系列控制調節閥和相應的連接管道使管道系統介質出口壓力低于進口壓力，并保持出口壓力恒定的成套設備，其廣泛應用于化工、冶金、石化、石油、電力等相關領域[1～6]，特別是大型石化、冶金聯合企業的煤氣管道系統，起著降低壓力、穩定管網和安全保護的重要作用，一旦發生事故，造成的社會和經濟影響十分巨大。因此，煤氣管道系統減壓閥組的安全運行十分重要。

影響減壓閥組安全運行的關鍵部件為連接進出口前后的連接管道，在實際的生產條件中，受減壓閥組的閥門選取、現場安裝條件等條件影響，減壓閥組的連接結構形式較多，不連續結構造成應力集中的現象較多，再加上板厚負偏差和腐蝕裕量，使得減壓閥組連接管道的設計十分復雜。目前工程上對減壓閥組的應力分析主要靠經驗進行，補強方法通常采用整體補強。整體補強會導致設備材料的浪費，同時，在某些特殊的安裝場合，會出現無法進行正常安裝從而影響生產的情況。

針對減壓閥組的上述情況，本文以一大型冶金化工聯合企業的煤氣管道系統減壓閥組為例，通過有限元分析軟件Ansys11.0，詳細的進行了其各個不連續連接結構處的應力分析，并提出了相應的補強措施，為石化、冶金等大型聯合企業煤氣管道系統中的減壓閥組的應力分析及補強提供了理論依據，具有較為重要的意義。

1 煤氣管道系統減壓閥組補強分析

1.1 減壓閥組模型單元

圖1所示為一大型冶金化工聯合企業的煤氣管道系統減壓閥組，其由三個DN900調節閥、一個DN600調節閥和一系列相應的接管組成，具體設計條件見表1。

對上述煤氣管道系統減壓閥組進行簡化建模，管道的支承以邊界約束的形式給出，上述減壓閥組的模型邊界條件如圖2。

模型分析采用三維殼體單元SHELL181進行模擬，節點總數79378個，單元總數79522個。

1.2 減壓閥組應力分析

按表1所述的設計條件，對上述煤氣管道減壓閥組進行初步的應力分析計算，應力強度評判標準按《GB150-1998鋼制壓力容器》[7]，材料在設計溫度(300℃)下的許用應力[S]為86MPa，楊氏模量196GPa。

計算結果表明:左錐體段(減壓閥組前)的斜接管大開孔處應力很高，左錐體段需取厚度19mm、DN900接管(左)需取厚度10mm左右才能滿足規范要求;再考慮設計要求的-12.5％的板厚負偏差和2mm的腐蝕裕量，則上述部位的厚度需要取到24mm、14mm左右才能滿足規范。上述厚度遠遠超出了初始設計的板厚，如采用整體補強的方法進行補強，用材上較為浪費，且會造成下方的閥門支撐平臺載荷增加。因此，必須采用其它的補強方法對上述減壓閥組進行補強。

從計算結果和常識可知，最大應力發生在左錐體段(減壓閥組前)的斜接管大開孔處，從前期研究[8]可知:對于斜接管補強常用的等面積補強和控制變形補強法來說，控制變形補強法的效果要明顯優于等面積補強;另外，控制變形法中，外部加強(如外部增焊角鋼、加強圈、鋼板等)和內部增設隔板的補強方式最優。由于本次分析對象的介質是煤氣，為避免影響管道內部的煤氣介質流動特性，不宜在管道內增設隔板;同時，由于施工原因，不宜在薄弱部位外部增焊角鋼。考慮到上述原因，對于本次分析的減壓閥組的補強宜采用斜接管大開孔處增設適當寬度、厚度的加強圈的方法進行。

1.3 減壓閥組補強分析與計算

從2.2可知，最大應力發生在左錐體段(減壓閥組前)的斜接管大開孔處，采用對該處斜接管增設加強圈的方法進行補強。經計算優化，在模型中左端大開孔處分別取200mm寬加強圈(錐體段和DN900接管在開孔處均取200mm寬加強圈)，見圖3所示。

在保證加強圈處厚度的前提下，左錐體段(減壓閥組前)主體的厚度為14mm，減壓閥組前其余部分以及整個減壓閥組后的板厚為10mm，具體見表2。

需要注意的是對左斜接管斜段(DN900)加強圈部位，由于接管本身為10mm，而根據計算得到的加強圈板厚只需4mm，因此可以直接就把該部位的接管做成14mm。

按上述補強方式進行補強，并進行補強后的應力分析計算，計算和強度評定結果如圖4(a～c)和表3所示。

從圖4和表3可知，采用加強圈補強的方式，對減壓閥組高壓力入口端(左端)的斜接管大開孔處進行局部補強后，其一次局部薄膜應力強度、一次＋二次應力強度和一次總體薄膜應力強度均滿足《GB150-1998鋼制壓力容器》的許用應力要求。因此，上述補強方式是可行的，且局部補強節省了大量的材料，對減壓閥組的造價、載荷、安裝均十分有益。

2 結語

本文以一大型冶金化工聯合企業的煤氣管道系統減壓閥組為例，對煤氣管道系統減壓閥組的補強進行了詳細的分析，得到如下結論:煤氣管道系統減壓閥組的薄弱部位在高壓端的斜接管大開孔處;對煤氣管道系統減壓閥組的補強可采用控制變形的局部補強方式代替整體補強;對煤氣管道系統減壓閥組，采用加強圈對高壓端斜接管大開孔處的薄弱地位進行補強，而其它地方按常規進行設計，即可滿足規范要求，此種方法較為優化。

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