芻議變換裝置中高溫管道的應(yīng)力分析和設(shè)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(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的工業(yè)發(fā)展越來越快，各種高溫管道應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，高溫管道的質(zhì)量對工業(yè)安全、穩(wěn)定的生產(chǎn)有很大的影響，只有保證高溫管道安全穩(wěn)定的運行，才能確保工業(yè)的正常生產(chǎn)。下文對高溫管道進行了應(yīng)力分析，并提出了一些降低設(shè)備管口受力方法，分析了管道設(shè)計思路。

一、高溫管道應(yīng)力分析的意義

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，各種高溫、高壓管道的應(yīng)用越來越廣泛，管道設(shè)計對管道質(zhì)量及使用壽命有很大的聯(lián)系，而管道應(yīng)力分析對管道設(shè)計質(zhì)量有很大的影響，因此，對管道進行應(yīng)力分析有十分重要的意義。管道應(yīng)力分析是管道設(shè)計的基礎(chǔ)，只有對各種荷載對管道產(chǎn)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(shè)計更加合理。對已經(jīng)布置的管道進行應(yīng)力計算，確定管道的最大應(yīng)力值，從而經(jīng)管道承受的應(yīng)力控制在允許范圍內(nèi)。應(yīng)力分析是管道和相連設(shè)備安全運行的重要手段，對管道進行應(yīng)力分析，能有效的保證變換裝置安全、穩(wěn)定的運行。

二、變換裝置高溫管道的設(shè)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(chǎn)成本，擴大裝置規(guī)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(shè)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(chǎn)生的熱脹力會對設(shè)備管口產(chǎn)生很大的推力，因此，在進行管道設(shè)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(shè)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?shù)脑黾庸艿赖拈L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(shù)量要控制好，如果彈簧支吊架數(shù)量過多就會對整個管道的穩(wěn)定性造成影響，如果彈簧支吊架的數(shù)量過少，則不能起到應(yīng)用的作用。

適當?shù)母淖児艿雷呦蚰芴岣吖艿赖娜嵝?，降低設(shè)備管口受到的推力，在進行管道設(shè)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(wěn)定性，節(jié)省管道投資費用。在進行管道應(yīng)力計算時，要先減少管道對設(shè)備管口的力矩和推力，常用的方法有調(diào)整支架的位置、調(diào)整支架形式、改變管道走向、增加自然補償?shù)取?/p>

三、高溫管道設(shè)計實例

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

1.設(shè)計參數(shù)

該管道的介質(zhì)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(shè)計管道操作溫度為450℃，設(shè)計操作壓力為4.0M Pa，設(shè)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(yīng)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(shè)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(jié)點，分別對各節(jié)點的應(yīng)力進行計算，該管道的一次應(yīng)力計算結(jié)果為變換爐出口節(jié)點應(yīng)力為73768N、管道中間節(jié)點應(yīng)力為5660N、熱換器進口節(jié)點應(yīng)力為67823N，本次一次應(yīng)力設(shè)計結(jié)果為變換爐出口節(jié)點應(yīng)力為89333N、管道中間節(jié)點應(yīng)力為5870N、熱換器進口節(jié)點應(yīng)力為83795N；一次應(yīng)力計算結(jié)果為變換爐出口節(jié)點應(yīng)力為16284N、管道中間節(jié)點應(yīng)力為1207N、熱換器進口節(jié)點應(yīng)力為16294N，本次一次應(yīng)力設(shè)計結(jié)果為變換爐出口節(jié)點應(yīng)力為19925N、管道中間節(jié)點應(yīng)力為1196N、熱換器進口節(jié)點應(yīng)力為19993N。

3.管道分析和調(diào)整

根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果可以得出管道的支架受力處于合理范圍，但設(shè)備的管口許用載荷偏大，變換爐出口力矩也大于規(guī)定靜設(shè)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?shù)恼{(diào)整。由于管道的運行溫度為400℃，管道受熱膨脹對設(shè)備管口產(chǎn)生的推力比較大，因此，可以適當?shù)脑黾庸艿篱L度，提高管道的柔性。由于換熱器接近變換爐的一側(cè)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(shè)備管口的推力。

總結(jié)

管道的鋪設(shè)對裝置的安全運行有十分重要的作用，而管道應(yīng)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(shè)計時，要科學(xué)準確的計算出管道應(yīng)力，采用適當?shù)姆椒ㄕ{(diào)整設(shè)備管口推力，同時要綜合考慮管道材料、管道介質(zhì)等對管道質(zhì)量的影響，確保管道安全、可靠的運行。

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