穩(wěn)定塔底再沸器入口管道設(shè)計(jì)中的CAESARII靜力分析

李金潞，劉峰，向煒成，呂忠

(1.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧撫順113001；2.中國(guó)寰球工程公司遼寧分公司，遼寧撫順113006)

0 前言

管道應(yīng)力分析是對(duì)管道進(jìn)行包括應(yīng)力計(jì)算在內(nèi)的力學(xué)分析，并使分析結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，以保證管道自身和與其相連的設(shè)備、機(jī)器的安全。管道應(yīng)力分析可以分為靜力分析和動(dòng)力分析兩部分。靜力分析是指在靜力載荷作用下對(duì)管道進(jìn)行力學(xué)分析，并進(jìn)行相應(yīng)的安全評(píng)定，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。動(dòng)力分析則主要指往復(fù)壓縮機(jī)和往復(fù)泵管道的振動(dòng)分析、地震分析以及水錘和沖擊荷載作用下管道的振動(dòng)分析。目前，管道工程界均采用CAESARII管道應(yīng)力分析軟件進(jìn)行管道應(yīng)力分析。既可以進(jìn)行靜態(tài)分析，也可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，同時(shí)還可以進(jìn)行壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、泵、空冷器和加熱爐等特殊設(shè)備及機(jī)械的管口受力校核，廣泛應(yīng)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(yīng)用

CAESARⅡ是基于有限元理論，以梁?jiǎn)卧Ｐ蜑榛A(chǔ)的分析程序，具有在線幫助、圖形顯示以及糾錯(cuò)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(yīng)力分析軟件對(duì)某煉油項(xiàng)目輕石腦油異構(gòu)化裝置中塔底再沸器入口連接管道進(jìn)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(yīng)力校核；

EXP-純熱態(tài)載荷作用下的二次應(yīng)力校核；

OCC-偶然載荷作用下的一次應(yīng)力校核；

OPE-操作狀態(tài)載荷下管道對(duì)支吊架和設(shè)備管口的推力計(jì)算；

FAT-疲勞載荷校核。

1.2 管道柔性設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的目的是保證管道在設(shè)計(jì)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(shè)置不當(dāng)?shù)仍斐梢韵聨讉€(gè)問題:

1)管道應(yīng)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(jī)器、設(shè)備產(chǎn)生過大的應(yīng)力或變形，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

在管道設(shè)計(jì)中，增加管道柔性的方法主要有:改變管道走向(包括設(shè)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(yīng)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(dāng)管徑較大，場(chǎng)地受到限制且所需的補(bǔ)償量較大時(shí)，可考慮采用波紋管膨脹節(jié)來增加管道柔性。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

使用CAESARⅡ軟件對(duì)某煉油項(xiàng)目中穩(wěn)定塔底部到再沸器附屬管道進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用錄像進(jìn)行語言訓(xùn)練，常常會(huì)收到事半功倍的教學(xué)效果。如，學(xué)習(xí)二年級(jí)下冊(cè)《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(lǐng)里灌，我端盆向你身子上潑。”句中“灌”“潑”很難用語言文字向?qū)W生將清楚，我就讓學(xué)生觀看一段傣族人民過潑水節(jié)的錄像，學(xué)生看到錄像中大家你追我，我追你，一個(gè)傣族姑娘把滿滿的一瓢水倒進(jìn)了一位解放軍叔叔的衣領(lǐng)里，一個(gè)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(xué)生覺得“灌”“潑”這兩個(gè)字用得非常準(zhǔn)確生動(dòng)，把傣族人民潑水時(shí)的快樂描繪得惟妙惟肖，更體會(huì)到準(zhǔn)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(yīng)力計(jì)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(yùn)算，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。表3中一次應(yīng)力SUS為29 908.7N，其＜允許應(yīng)力值125 000N；二次應(yīng)力EXP分別為40 529.7N和32 756.2N，均＜允許應(yīng)力值162 500N，表明一次應(yīng)力和二次應(yīng)力符合校核標(biāo)準(zhǔn)。

表3 管系應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在此基礎(chǔ)上對(duì)各節(jié)點(diǎn)與設(shè)備管口的力和力矩進(jìn)行校核，以免造成法蘭泄露而影響設(shè)備運(yùn)行，設(shè)備管口所受力及力矩計(jì)算結(jié)果如表4所示，表中載荷工況中5和6分別為設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果與(表5)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比照分析，得到穩(wěn)定塔底出口10節(jié)點(diǎn)處y方向受力較大，再沸器進(jìn)口80節(jié)點(diǎn)處的z方向彎矩也偏大，均超過了應(yīng)力安全運(yùn)行的靜設(shè)備管口許用載荷標(biāo)準(zhǔn)。通過分析，證明該方案不理想，需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表4 設(shè)備管口受力和力矩

表5 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

2.3 管系優(yōu)化設(shè)計(jì)

分析管系受力，發(fā)現(xiàn)圖1中10節(jié)點(diǎn)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(diǎn)推力過大，因此可以采用增加管長(zhǎng)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(yīng)力和二次應(yīng)力均滿足要求。由表6計(jì)算結(jié)果可知，10節(jié)點(diǎn)和80節(jié)點(diǎn)所受應(yīng)力明顯減少，各節(jié)點(diǎn)所受力和彎矩值明顯小于安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。但整個(gè)管道存在的兩個(gè)彈簧支吊架易使相應(yīng)節(jié)點(diǎn)附近在操作狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生不同方向震動(dòng)，導(dǎo)致整個(gè)管系的不穩(wěn)。分析動(dòng)態(tài)模型圖2(c)表明該設(shè)計(jì)方案不理想。

圖2 動(dòng)態(tài)模型分析圖

表6 調(diào)整后的設(shè)備管口受力和力矩

在上述修改方案基礎(chǔ)上可以將彈簧支吊架換成剛性支托及導(dǎo)向架，以限制x，y，z方向的位移。由于節(jié)點(diǎn)63處設(shè)有導(dǎo)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(yīng)計(jì)算結(jié)果如表7所示。根據(jù)調(diào)整后的設(shè)備管口受力情況表7可知，各項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)果均小于安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備管口受力和力矩

3 CAESARⅡ軟件的優(yōu)點(diǎn)

1)CAESARⅡ是以梁?jiǎn)卧Ｐ蜑榛A(chǔ)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜設(shè)備和動(dòng)設(shè)備的校核。

2)CAESARⅡ軟件既可以計(jì)算管道與設(shè)備連接的管口柔性和設(shè)備管口處的局部應(yīng)力，也可把管架與管道作為一個(gè)整體進(jìn)行應(yīng)力分析驗(yàn)算等。

3)應(yīng)用CAESARⅡ軟件進(jìn)行程序運(yùn)算快捷、準(zhǔn)確，尤其是在大型工程項(xiàng)目中優(yōu)勢(shì)更加突出，有時(shí)局部出錯(cuò)人工需整個(gè)過程重新計(jì)算，而CEASARⅡ軟件只需調(diào)整相應(yīng)的模型即可完成。

4 結(jié)論

1)CAESARⅡ應(yīng)力分析軟件是使用簡(jiǎn)單梁?jiǎn)卧⒐芟的Ｐ停ㄟ^定義系統(tǒng)中的荷載，在CAESARⅡ的結(jié)果分析報(bào)告中，可以看到各個(gè)工況下管系的整體受力情況及各個(gè)節(jié)點(diǎn)、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(shè)備正常運(yùn)行，一般可以通過增加管系的長(zhǎng)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(yīng)力分析結(jié)果，進(jìn)行管道優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(shí)，要最大限度地減少對(duì)設(shè)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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