管道應(yīng)力分析
——氨合成塔出口管線設(shè)計(jì)

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(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行柔性分析和應(yīng)力分析是不可缺少的環(huán)節(jié)。管道應(yīng)力分析可驗(yàn)證管道布置的安全性。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的深入，我們可以通過(guò)計(jì)算軟件準(zhǔn)確的、迅速的進(jìn)行管道應(yīng)力分析，并使對(duì)復(fù)雜的管道系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析得以實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)外大部分工程公司、設(shè)計(jì)單位均采用CAESARⅡ應(yīng)力分析軟件進(jìn)行管道應(yīng)力分析。

與合成塔出口相連的管道，由于其操作溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于安裝溫度，在操作時(shí)因熱脹而產(chǎn)生的熱應(yīng)力必然作用到兩端的設(shè)備上，當(dāng)這些荷載過(guò)大或不平衡時(shí)，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的推力將增大，影響設(shè)備的正常安全運(yùn)行。為此，必須限制作用在合成塔及另一端廢熱鍋爐設(shè)備上的力和力矩使其不超過(guò)設(shè)備設(shè)計(jì)允許的范圍。合理的管道設(shè)計(jì)是達(dá)到此目的的重要手段，管道設(shè)計(jì)合理與否可以通過(guò)對(duì)管道系統(tǒng)的熱應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果的來(lái)判斷。

本文以某項(xiàng)目氨合成裝置中的合成塔出口管線為例，進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析。此管線溫度、壓力高，介質(zhì)對(duì)材質(zhì)要求苛刻，導(dǎo)致此管線價(jià)格昂貴，在合成氨領(lǐng)域素有“天價(jià)管”之稱(chēng)，因此需要做好應(yīng)力分析，使管線設(shè)計(jì)做到既安全又經(jīng)濟(jì)。

1 研究基礎(chǔ)

研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為：環(huán)境溫度21℃，設(shè)計(jì)溫度(T1)440℃，操作溫度(T2)410℃，極端溫度(T3)10℃，設(shè)計(jì)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(fēng)速(WIN)30m/s，地震加速度(U)0.1g。

根據(jù)合成塔、蒸汽過(guò)熱器、廢熱鍋爐、管道數(shù)據(jù)等，利用CAESAR II所建模型見(jiàn)圖1，合成塔出口管線ISO圖見(jiàn)圖2。

圖1 出口管線模型圖

圖2 出口管線ISO圖

2 分析計(jì)算

本研究考慮設(shè)計(jì)溫度、操作溫度、設(shè)計(jì)壓力、風(fēng)載荷、地震載荷，同時(shí)考慮布爾登效應(yīng)（Translation & Rotation），利用CAESARII進(jìn)行的工況組合見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算工況組合表

2.1 工況組合研究

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

2.2 管道應(yīng)力研究

利用CAESAR II軟件，對(duì)設(shè)計(jì)的管道分別進(jìn)行了一次應(yīng)力、二次應(yīng)力研究，管道最大應(yīng)力點(diǎn)見(jiàn)表2。由表2可以看出，所設(shè)計(jì)的管道的一次、二次應(yīng)力均滿(mǎn)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(shè)置了彈簧支架，經(jīng)過(guò)加載彈簧支架的管口荷載計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可以看出，node6420點(diǎn)（廢熱鍋爐）入口，能夠滿(mǎn)足管口許用荷載要求，蒸汽過(guò)熱器出口荷載交由設(shè)備廠商校核，經(jīng)過(guò)校核也能滿(mǎn)足設(shè)備設(shè)計(jì)要求。

2.4 法蘭泄露分析

由于本研究的管線DN500，2500LB，已經(jīng)超出了ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法蘭規(guī)格，因此，軟件自帶的等效壓力法和最大屈服強(qiáng)度法均不適用，本研究依據(jù)ASME VIII附錄二的計(jì)算方法，進(jìn)行法蘭泄露分析。將法蘭處的軸向力及彎矩帶入計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可以看出，管口法蘭泄露分析通過(guò)，本研究還分析了增加彈簧支架后，整個(gè)管系的撓度，均小于10mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 研究結(jié)論

通過(guò)CAESARⅡ應(yīng)力分析軟件的計(jì)算，使合成塔的出口管線滿(mǎn)足了冷熱態(tài)許用應(yīng)力的要求，管口許用荷載、法蘭泄露分析的要求，同時(shí)也為彈簧支架的選取、土建條件的提出，提供了依據(jù)；使此管線的設(shè)計(jì)做到了安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

表2 管道應(yīng)力極值表

表3 管口許用荷載校核表

表4 法蘭泄露/應(yīng)力計(jì)算表