對化工管道設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力與柔性設(shè)計(jì)舉措解析

陳長冬

摘要：本文首先對化工工程設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力進(jìn)行了闡述，然后對加強(qiáng)化工管道設(shè)計(jì)中應(yīng)力和柔性的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，通過對管道計(jì)算模型的介紹，對管道應(yīng)力進(jìn)行研究分析，在研究分析中，主要的內(nèi)容包括了管道非彈簧支吊架應(yīng)力計(jì)算、管道彈簧支吊架應(yīng)力計(jì)算以及管道對汽輪機(jī)進(jìn)口的推力，為化工管道設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力與柔性設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：管道設(shè)計(jì);管道應(yīng)力;柔性設(shè)計(jì)方法

1.化工工程設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力概述

在管道應(yīng)力中，主要包括了動(dòng)力分析和靜力分析這兩個(gè)方面。在進(jìn)行靜力分析的過程中，其內(nèi)容主要包括了對壓力荷載作用下的一次應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，這樣我們就可以得到管道的應(yīng)力值，然后需要根據(jù)數(shù)值的情況對管道進(jìn)行設(shè)計(jì)。在管道受到脹冷縮影響之后，就會(huì)產(chǎn)生二次應(yīng)力，這樣我們可以保證獲取的數(shù)值能夠在允許的范圍之內(nèi)，從而能夠避免出現(xiàn)疲勞損壞而造成損失的問題。另外，在對設(shè)備的作用力進(jìn)行分析的過程中，也是屬于管道應(yīng)力靜力分析中的內(nèi)容之一，在這項(xiàng)分析當(dāng)中，需要按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行執(zhí)行工作。在動(dòng)力分析中，其中主要的內(nèi)容包括了管道系統(tǒng)共振頻率和管道自振頻率這兩個(gè)方面。不僅需要對管道的強(qiáng)迫振動(dòng)進(jìn)行研究分析，同時(shí)還需要對管道振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，這樣就能夠?qū)艿缿?yīng)力進(jìn)行合理的控制，同時(shí)還不僅需要對復(fù)式壓縮機(jī)的氣柱頻率進(jìn)行分析，還需要對復(fù)式壓縮機(jī)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行研究，這樣在設(shè)定氣柱共振產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)值的時(shí)候，可以合理的控制在范圍之內(nèi)。

2.加強(qiáng)化工管道設(shè)計(jì)中應(yīng)力和柔性的設(shè)計(jì)方法

使用ANSYS的情況下，對某工業(yè)汽輪機(jī)空載試驗(yàn)主蒸汽管道進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和建模的過程，首先闡述了對蒸汽管道管口推力和管道應(yīng)力的判斷標(biāo)準(zhǔn)，既得到了所設(shè)計(jì)管道的非彈簧支吊架的應(yīng)力計(jì)算值，還獲取了管道對汽輪機(jī)進(jìn)口的推力值，還得到了所設(shè)計(jì)管道的彈簧支吊架應(yīng)力計(jì)算值，也包括了管道對汽輪機(jī)進(jìn)口的一次、二次應(yīng)力值。從結(jié)果可以知道，在整個(gè)主蒸汽管道中，其中一次應(yīng)力和二次應(yīng)力都是低于許用值。詳細(xì)情況如下：

在這個(gè)汽輪機(jī)中，是屬于350MW汽輪發(fā)電機(jī)組鍋爐給水泵驅(qū)動(dòng)用沖動(dòng)、單軸、單缸、凝汽式汽輪機(jī)，其供汽壓力是2.0MPa，額定功率是4.2MW，而供汽溫度是220℃。其中在汽輪機(jī)空載試驗(yàn)主蒸汽管道中，其母管材料是12Cr1MoV，而規(guī)格是Φ159mm×8mm。在溫度是20℃的情況下，那么許用應(yīng)力就是155MPa，彈性模量就是2.08×105MPa。在溫度在20℃～220℃的時(shí)候，其中線膨脹系數(shù)是在13.76×10-6/℃。在溫度是220℃的情況下，其中許用應(yīng)力是149MPa，彈性模量是1.99×105MPa。

2.1管道計(jì)算模型

對管道應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算的過程中，在運(yùn)用ANSYS PIPING MODELS時(shí)，依照試驗(yàn)現(xiàn)場的條件，要從蒸汽管道母管的兩個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行開始，然后到汽輪機(jī)主蒸汽進(jìn)汽口進(jìn)行結(jié)束。其中主要包括了彎管段、直管段、支管段、大小頭以及閥門，在支吊架中，其中分類主要包括了固定支架、導(dǎo)向支架滑動(dòng)支架、以及彈簧支架。

2.2管道應(yīng)力分析

2.1.1管道非彈簧支吊架應(yīng)力計(jì)算

在固定支架為編號1001和1005的情況下，那么對于分配荷載來說，分別為-1167N和-1708N。在熱態(tài)荷載變化中，分別為-1773N和-1709N。其中在工作荷載中，是分別為-2940N和-3416N。而對于冷態(tài)荷載變化來說，都是為-2N。在安裝荷載中，分別為-1169N和-1709N。其中在滑動(dòng)支架中，其編號包括了1007、1002、1004、1006，而分配荷載中，是分別為-777N、-3045N、-5380N、-925N。而熱態(tài)荷載變化中，分別為155N、1842N、1470N、119N。在工作荷載中，分別為-622N、-1203N、-3909N、-807N。在冷態(tài)荷載變化當(dāng)中，分別為0N、20N、19N、0N。而對于安裝荷載來說，分別為-777N、-3026N、-5360N、-925N。

2.1.2管道彈簧支吊架應(yīng)力計(jì)算

在對彈簧支吊架應(yīng)力進(jìn)行極端的過程中，其中彈簧號為201，那么彈簧的剛度就是1.6665N/mm，而熱位移就是21.15mm，在工作荷載中，其數(shù)值為-634N，而安裝荷載是-669N，對于彈簧壓縮量來說，其數(shù)值是401mm，荷載變化是在6%左右[1]。

2.1.3管道對汽輪機(jī)進(jìn)口的推力

通過計(jì)算之后，其熱態(tài)是0.9144Fr+Mr=1078N·m，而冷態(tài)是0.9144Fr+Mr=251N·m。在汽輪機(jī)進(jìn)口中，其中直徑是300mm，這時(shí)候我們就可以知道26.689De=6227N·m。因此，在汽輪機(jī)處于冷態(tài)和熱態(tài)的情況下，都是能夠?qū)芸谕屏Φ呐袛鄻?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行滿足[2]。

4.結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)階段人們對安全的重視程度不斷的提高，這樣在保證化工工藝管道安全性的同時(shí)，還能夠在一定程度上提高整個(gè)工程施工的安全性，因此，在對管道進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，不僅需要重視對應(yīng)力，同時(shí)還需要對柔性設(shè)計(jì)進(jìn)行充分考慮，同時(shí)還需要保證選擇設(shè)計(jì)方式的合理性，這樣就能夠保證整個(gè)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。在化工工程設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力中，主要的內(nèi)容包括了兩個(gè)方面：動(dòng)力分析和靜力分析，在動(dòng)力分析和靜力分析中，又包括了其他的內(nèi)容。而在對管道進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要建立一定的計(jì)算模型，同時(shí)還需要對管道應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

參考文獻(xiàn)

[1]劉志強(qiáng).解讀如何正確分析化工管道設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力[J].化工管理，2019（26）：202-203.

[2]李國永.石油化工管道設(shè)計(jì)中基于應(yīng)力分析的柔性設(shè)計(jì)分析[J].化工管理，2019（25）：74-75.