芻議變換裝置中高溫管道的應力分析和設計

吳凱(華陸工程科技有限責任公司 陜西省西安市 710065)

隨著經濟的快速發展，我國的工業發展越來越快，各種高溫管道應用在工業生產中，高溫管道的質量對工業安全、穩定的生產有很大的影響，只有保證高溫管道安全穩定的運行，才能確保工業的正常生產。下文對高溫管道進行了應力分析，并提出了一些降低設備管口受力方法，分析了管道設計思路。

一、高溫管道應力分析的意義

隨著工業的快速發展，各種高溫、高壓管道的應用越來越廣泛，管道設計對管道質量及使用壽命有很大的聯系，而管道應力分析對管道設計質量有很大的影響，因此，對管道進行應力分析有十分重要的意義。管道應力分析是管道設計的基礎，只有對各種荷載對管道產生的作用力進行分析，才能對管道的安全性能進行評價，才能保證管道的設計更加合理。對已經布置的管道進行應力計算，確定管道的最大應力值，從而經管道承受的應力控制在允許范圍內。應力分析是管道和相連設備安全運行的重要手段，對管道進行應力分析，能有效的保證變換裝置安全、穩定的運行。

二、變換裝置高溫管道的設計

1.變換裝置管道特點

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℃，為了降低生產成本，擴大裝置規模，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。

2.變換裝置高溫管道的設計

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，由于管道的溫度比較大，產生的熱脹力會對設備管口產生很大的推力，因此，在進行管道設計時，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、使用補償器等。

在管道設計過程中，要盡量選擇改變管道走向和選用彈簧支吊架的方法來增加管道的柔性，一般情況下，當兩個固定點的位置相同時，適當的增加管道的長度能提高管道的柔性，當管道的某一段剛度過強時，采用增加與管道垂直方向的管道長度來增強管道的柔性。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型，在保證管道走向不改變的前提下，合理的運用彈簧支吊架能極大的提高管道的補償能力，但彈簧支吊架的數量要控制好，如果彈簧支吊架數量過多就會對整個管道的穩定性造成影響，如果彈簧支吊架的數量過少，則不能起到應用的作用。

適當的改變管道走向能提高管道的柔性，降低設備管口受到的推力，在進行管道設計時，要在保證管道柔性的前提下，盡量保證管道的強度，避免管道過于柔軟，從而增加管道的穩定性，節省管道投資費用。在進行管道應力計算時，要先減少管道對設備管口的力矩和推力，常用的方法有調整支架的位置、調整支架形式、改變管道走向、增加自然補償等。

三、高溫管道設計實例

本次設計采用CAESARII軟件對某合成氨工藝的CO變換裝置管道進行設計，對變爐出口和變換爐進料口之間的管道進行應力計算。

1.設計參數

該管道的介質主要為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口管道初始位移量為25mm，本次設計管道操作溫度為450℃，設計操作壓力為4.0M Pa，設計變換爐管道出口到換熱器進口管道初始位移量為28mm。

2.管道應力計算

由于變換爐出口和熱換器進口管道初始位移量比較大如果采用剛性支架會將管道頂死，增加設備管口的受力，因此這部分要采用彈簧支吊架進行管道支撐。將該管道分成若干個節點，分別對各節點的應力進行計算，該管道的一次應力計算結果為變換爐出口節點應力為73768N、管道中間節點應力為5660N、熱換器進口節點應力為67823N，本次一次應力設計結果為變換爐出口節點應力為89333N、管道中間節點應力為5870N、熱換器進口節點應力為83795N；一次應力計算結果為變換爐出口節點應力為16284N、管道中間節點應力為1207N、熱換器進口節點應力為16294N，本次一次應力設計結果為變換爐出口節點應力為19925N、管道中間節點應力為1196N、熱換器進口節點應力為19993N。

3.管道分析和調整

根據應力計算結果可以得出管道的支架受力處于合理范圍，但設備的管口許用載荷偏大，變換爐出口力矩也大于規定靜設備管口的許用載荷，換熱器出口方向力矩也偏大，因此，需要對管道進行適當的調整。由于管道的運行溫度為400℃，管道受熱膨脹對設備管口產生的推力比較大，因此，可以適當的增加管道長度，提高管道的柔性。由于換熱器接近變換爐的一側有其他管道，不能通過增加管道長度的方法來提高管道柔性，因此，可以采用改變管道走向的方法來降低設備管口的推力。

總結

管道的鋪設對裝置的安全運行有十分重要的作用，而管道應力分析是保證管道安全運行的重要方法，因此，在進行管道設計時，要科學準確的計算出管道應力，采用適當的方法調整設備管口推力，同時要綜合考慮管道材料、管道介質等對管道質量的影響，確保管道安全、可靠的運行。

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