应力分析在管道设计过程中的优化及指导

应力分析在管道设计过程中的优化及指导

李丹丹，王悦新，陶永成

中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司 吉林长春 130001

摘要：电力建设是我国整体经济建设中非常重要的组成部分，一直以来发挥着非常重要的作用，随着超超临界技术的发展，设计过程中往往存在着极端的温度及压力变化，用于输送这些介质的管道通常为压力管道。压力管道由于通常传输这类极端温度及压力的介质，其安全与否对机组运行的安全性尤为重要。

关键词：应力分析；管道设计过程；优化及指导

引言

我国整体经济建设的快速发展离不开各行业的支持，其中工业建设的贡献尤为突出。管道应力分析是指通过科学计算对管道进行力学分析，以确保管道能够满足与其相连的设备的安全应用需求。设计人员在管道设计过程中需要全面考虑管道应力状态，进而保证其能够满足安全运行需求，绝不能主观臆断，同时还应当注重设计的高效化与合理性。

1管道应力分析方法与范围

管道应力分析前，需要编制相应的分析规定，明确分析重点。了解把握管道应力分析轴测图和相关数据，应用CAESARII应力分析软件进行分析，构建模型，之后再分析其合理性，最终得出结果，科学调整管道模型，以保证应力校核评定过程顺利。在此基础上，编制计算书，将计算结果提交给配管专业。一般而言，与荷载敏感的转动设备或者与应力敏感的设备相连的管线、管道应当进行重点应力分析，其中与荷载敏感的转动设备相连的管线主要包括下述几种：(1)连接泵进出口的管线。(2)连接往复泵、压缩机的管线。(3)公称直径大于等于DN100的转动设备管道。与应力敏感的设备相连的管道包括下述几种：(1)连接加热器的管道。(2)连接主辅机设备的管道等。

2管道优化设计

1.管道走向的优化，在进行管道的设计时，需要考虑诸方面因素，如管道尺寸的大小、位置的分配、走向优化、以及支架的位置及其形式。对于一些极端工况下的管道如四大管道、LNG管道等，受制于配管经验，有时会考虑的不够周到合理，导致管道的应力超出许用应力范围。对于这类问题，通过借助CAESARII对相关管道进行应力计算，即可对应力超标部分的管道进行调整和优化。由于二次应力通常是由于管道的热胀冷缩引起的，四大管道介质由于较高的设计参数，所引起的位移量通常较大。因此此处三通的二次应力超标说明，支管的布管方案不足以吸收因温度变化所引起的位移，需要对连接的支管柔性进行优化。2.管道支架的设置及其优化，如何合理的设置支吊架的位置及形式一直是管道设计过程中的一个重点。在设计过程中，一般管道工程师会按经验绘制配管研究图，并根据研究图建立CAESARII的相关应力计算模型并初步确认支吊架的位置及形式。根据应力计算结果，可以方便的判断出支吊架的设置是否合理，对不合理的设置则可根据具体的计算结果进行调整，最终得到合理的布置方案。

3增加自然补偿，即增设膨胀节

该方法造价较高，工序复杂，设计人员选择该方式应慎重考虑。管道自带补偿作用，能够避免管道因应力的作用而出现变形，但是，若管道荷载的内部力量或者外部力量过大，就需要增加自然补偿。自然补偿的安装流程如下：(1)确定补充类型，结合管道内部传输介质温度以及管道管径明确补偿类型。(2)计算管道膨胀量，可以应用该公式，即膨胀量=膨胀系数×管道长度。(3)明确补偿位置，一般而言靠近两个管道固定位置的中心点即为补偿位置。(4)校核管道应力，确保增加自然补偿后管道能够安全稳定运行。

4弹簧支吊架的设计

在进行管道设计时，管支架的托空有时是无法避免的。但管支架的托空在管道布置过程中通常是不被允许的。对于发生支架托空的管道，通常的做法是通过调整管道的走向或者支架的位置，使托空位置的管道能够重新被支撑住。但在托空距离超过5mm时，采用此类的调整方案往往无法解决托空的问题，并且更多的时候是没有足够的空间去进行上述方案的调整。在这种情况下，通常只能考虑采用弹簧支吊架。弹簧支吊架在管道的设计过程中应用非常广泛，其包括可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架，具体该使用何种形式，则成为弹簧支吊架应用的重点和难点。借助于CAESARII的计算结果，可以很好的解决这一难题。

5峰值应力分析

管道设计环节峰值应力的分析，主要是针对管道某个位置进行分析，分析可能会产生的最大应力。通常来说，最大应力受由一次应力和二次应力重叠影响，峰值应力并不会造成管道变形，多会造成管道穿孔，可以说峰值应力给管道造成的威胁很大。管道设置的环境因素也会产生相应的影响，比如温度环境和湿度环境。第一，保证管道安全运行。安全是企业持续发展和获得效益的重要保障，做好管道运行安全管理工作有着重要的意义。通过密封性、抗腐蚀性与抗压性的分析，能够明确管道是否安全。其中，抗压强度的判断主要是应力分析。第二，保证管道附属设备整体运行的安全。管道运输的实现，需要各类附属设备的支持，比如三通和法兰等。若附属设备性能出现问题，那么也极易引发安全问题。例如，管道内部介质的温度比较高时，受热胀冷缩的影响，极易发生设备损坏的情况，引发气体泄漏，最终造成安全事故。做好应力分析，合理配置附属设备，对保证管道整体安全有着重要的意义。

6管道柔性设计注意事项

第一，增加自然补偿。若管径过大、空间有限，且需要较大自然补偿，或者设备、技术有特殊要求，不能采取改变管道走向的方法，此时在设计过程中就可以考虑应用该方法，但膨胀节工艺复杂、成本高，一般不做优先考虑。第二，选择支吊架固定，支吊架能够释放支撑点，降低其对垂直位置的约束，提高管道柔性，但若大量使用支吊架会影响管道稳定性。第三，改变管道走向，这种提高管道柔性的方法是最为理想的设计方案，管道两端在保持稳定的情况下，不管是二维平面还是三维空间，抑或是两者的组合，通过改变管道走向都能够达到增加柔性的效果，因此，在其他条件满足的情况下，应当优先选择该方法。

7管道应力分析的安全评定

热力管道设计中的应力分析主要目的是为了保证和其他相连的设备和机器的安全，保证设备和机器在热力管道中进行的安全评定，需要充分的考虑在设备和机器内受到的荷载所承受的应力能够均匀分布，排除因为管道受力不均匀造成的管道变形，所以工程师在对热力管道设计中的应力结构要充分考虑管道所承受的承载能力。1.管道一次应力的校核条件，有关热力管道设计中的一次应力的校核条件有明确的规定如下：（1）热力管道设计中内部的组件和管系的壁厚要满足规定要求，同时热力管道内部所产生的压力应是安全的。（2）热力管道的管系壁厚决定了管道的稳定性，因为管道外部应力也是安全的。（3）热力管道中因为受力、重力和其他荷载因素所产生的一次应力，所需要的校核条件不能超过管道接受的温度范围。2.管道二次应力的校核条件，热力管道设计中的二次应力的校核条件不允许超过管道所接受的应力范围，同时管道受到外界因素的影响发生位移变化，温度从最低到最高的变化管道会产生热胀冷缩，所以在计算管道设计中的最大位移应力范围应该特别注意。

结语

针对用于传输极端温度、压力介质的压力管道，通过借助应力分析软件CAESARII对相关管道进行应力分析，根据CAESARII的计算结果并结合管道设计的相关经验，有效的解决了管道走向的优化、支架位置及形式的确认、管口载荷的优化以及弹簧支吊架的选型等难题。

参考文献

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[2]ASMEB31.3-2012,Process Piping[S].

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