附塔管道的应力分析

摘要：结合某装置反应塔附塔管道的应力分析，概述管道应力分析的目的、方法、必要性以及工作过程

关键词：附塔管道应力分析管道走向

中图分类号：TU81文献标识码：A

压力管道在现代化工生产中被越来越广泛的使用，管道配管直接决定着工艺管道的安全性及经济性，也直接影响着整个工程的质量和安全事故的发生率以及整个装置的寿命。而对压力管道进行详细的应力分析，可得出整个管系的应力水平、薄弱点位置，可针对性的设置管道支吊架，合理地确定管道的走向，消除应力峰值，为安全生产打好基础。

管道应力分析的任务是指对管道进行包括应力计算在内的力学分析，并使分析结果满足标准规范的要求，从而保证管道自身和与其相连的机器、设备及土建结构的安全。

管道在使用过程中会受到各种载荷的影响，如果载荷超出了管道的承受能力，管道就会发生弯曲、变形、断裂等现象，也会对与管道相连的机器、设备及土建结构造成危险甚至破坏。为便于分析，将管道中各种载荷对管道产生的应力分为：一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力是指管道所受载荷，如内压、地震载荷、风载荷等引起的管道对抗外部载荷所必须的内部应力，随外力的增大而增大，具有非自限性的特点，超过某一限度，将使管道整体变形直至破坏。二次应力与外载荷没有直接关系，是由热胀冷缩、端点位移等位移载荷所产生的应力，具有自限性，即局部屈服和小量变形就可使应力减小。峰值应力是管道由于局部结构不连续或局部应力集中附加到一次应力或二次应力的增量。

管道应力分析可划分为静力分析和动力分析。静力分析是指在静力载荷作用下对管道进行力学分析，并进行相应的安全评定。需完成下列任务:计算管道中的应力并使之满足标准规范的要求，保证管道自身的安全（包括防止法兰泄露）；计算管道对与其相连的机器、设备的作用力，保证机器、设备的安全；计算管道对支吊架和土建结构的作用力，为支吊架和土建结构的设计提供依据；计算管道位移，防止位移过大造成支架脱落或管道碰撞，并为弹簧支吊架的选用提供依据；埋地管的稳定性计算，避免管道失稳。动力分析则主要指往复压缩机和往复泵管道的振动分析、管道的地震分析、水锤和冲击载荷作用下管道的振动分析，使地震和振动的影响得到有效控制。需完成下列任务：管道的地震分析，防止管道在地震中发生破坏；往复压缩机和往复泵管道的固有频率和振型分析，防止管道系统发生机械共振；往复压缩机和往复泵管道的强迫振动分析及声学模型分析，防止管道因振动发生疲劳破坏；水锤、安全阀泄放载荷和两相流所产生的支架载荷计算。

管道热胀冷缩产生的位移应力（二次应力）与管径、壁厚、管道的布置走向及温度高低等诸多因素直接相关，比较复杂，因此对管道二次应力的分析是管道应力分析最重要的任务，必须使管道系统具有足够的柔性。管道柔性设计的一般方法有：改变管道的走向，选用弯头、环形管等；选用波纹管膨胀节或其它允许有移动或转动的装置；选用弹簧支吊架。在保证管道具有足够柔性来吸收变形的前提下，应避免使管系过分柔软，避免管系产生振动，还可减少投资。

下面以某化工装置中反应塔所附管系对应力分析的应用作一说明。反应塔直径3600mm，高42米，主管从塔靠近上封头的筒壁水平伸出，然后垂直沿塔外壁向下，在离地三米出再水平转出，其中在不同高度又从竖直管向塔引出四根水平管伸入塔内，管上还有多个阀门，以及其它小直径管连接。主管直径DN500，不同部分操作温度从50℃到130℃，操作压力0.4兆帕。原配管为支撑此管系，在竖直管下端转水平处加支撑架。

应力分析过程中，将此管系建模输入CAESARII软件中，经过计算分析发现一次应力能满足要求，二次应力严重超标，对设备管口受力过大。原因在于多处水平直管与主管连接三通处应力超标，水平管太短，造成两三通之间管道膨胀不能被吸收；同时，造成塔的接管法兰应力严重超标。根本原因还是对管道的二次应力考虑不周，不能平衡二次应力，需增加管道的柔性。为改善塔的法兰受力，需增加管系与塔连接的支架，减少管系对法兰的应力。而增加支架又造成管道柔性减少，更加剧了二次应力。增加管道柔性的方法中，首选改变管道走向，但此塔周围管线、设备众多，管道直径大，不能设置π形弯，在附塔管道中不能在竖直段设置膨胀节。选择了将水平管改为在水平方向上L形，相当于增加了水平管长度，同时去掉在在竖管最下方的支撑，在下部水平管上增加膨胀节，在塔上合适位置增加了支撑管的支架。又详细核算出塔和管道的膨胀位移，将位移输入模型。直径较小的支管道增加π形弯，减少对主管的影响。经过计算，管道各点出的应力水平，对支吊架的作用力和力矩以及各点的位移也清楚地显示出来。经过修改，将附塔管道的应力降到较低水平，各处的位移也满足工艺要求，同时，塔上管口受力及力矩经核算也满足了设备及土建的要求。

综上所述，对压力管道进行应力分析，能确定合适的管道走向，设计合适的支吊架，对整个管系的安全运行起着至关重要的作用，从而保证整个装置的安全运行。

参考文献：

[1]唐永进 《压力管道应力分析》 中国石化出版社