CAESARII软件在管道设计中的应用.pdf

2 2 C H E MI C AL E NG I N E E R I NG DE S I GN 化 工设计 2 0 1 2 ， 2 2 3 C A E S A R I I 软件在管道设计 中的应用 杨羽华 刘辉黄颖航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司 兰州7 3 0 0 5 0 摘要 介绍管道应力分析的内容及重要性，用C A E S A R I I 软件对氨合成塔底部废锅到热交换器的管道进行 应力计算与优化，并总结用 C A E S A R I I 软件进行管道应力分析的注意事项。 关键词应力分析软件管道支架 随着现代 工业技术 的快速发展 ，石化装 置 的 规模不 断扩大 ，管道 的压力 、温度不断提高 ，管 径和壁厚不断加大 ，管道 的设计安全越来 越受到 人们 的重视 ，合理布置管道对 于装 置的安全运行 至关重要 ，应力分析是 管道工程设计 的基 础 ，是 保证管道安全运行的一种重要方法 。 1 C A E S AR I I 软件与管道应力分析 1 ． 1 管道应力分析 目前 管道 应力 分析在 优化 设计 、安全 生产 、 节约材料 等方 面起 到 了重要作 用 ，并 已在 石油 、 化工 、电力等工业管道设 计 中占据 了十分重要 的 位置⋯ 。管道应力分析也越来越受到设计单位 和 投资方的重视 ，尤其在一些外资项 目和国家重 点 工程 中，都 明确要求设计单位提供管道应 力分析 计算书 。 管道应 力分 析的 目的是为 了保证 管 道在 风、 雪、地震 、温度 、压力 、位移 、脉动 等各种 载荷 工况下均不发生某种形式 的失效和破坏 ，为管道 的布置和安装提供科学依据 ，保证 管道和设备 的 安全运行。管道应力分析 主要包括 静力分析和动 力分析两方面 的内容。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 ，满足标 准规范 的要求。动力分析则 主要指 往复压缩机和往复泵管道的振动分析、地震分析 以及水锤和冲击荷载作用下管道的振动分析 J 。 1 ． 2 C A E S A R I I 软件的应用 随着计算机的应用， 人们开发了完善的工程应 用计算软件 ，可 以准确迅速地进行管道应力分析。 目前 ，国内外大部分工程公司均采用 C A E S A R I I 管 道应力分析软件进行管道应力分析- 4 J 。该软件是 由美国 C O A D E公司研发的压力管道应力分析国际 权威专业软件 ，它 既可 以进行静态 分析，也可进 行动 态分析 ，同时还 可 以进 行压缩 机、汽轮机 、 泵 、空冷器和加热炉等特殊设备 和机械 的管 口受 力校核，C A E S A R I I 向用户提供完备的国际上通用 的管道设 计规范 ，软件使用 方便快 捷。C A E A R I I 软件相对于其他的应力分析软件来说，能更直观 地看到输入 的图形 ，在程序运算后 可以直观地查 看管道在运行工况下的形变趋势。 2 应用实例分析 使用 C A E S A R I I 软件对某合成氨项 目合成塔底 部废锅到热交换器的管道进行应力计算。 2 ． 1 管道的主要参数 管道介 质为合成气 ，管道材料 为 A S T M A 3 3 5 G r ． P 1 1 ，腐蚀 裕量 1 ． 5 m m，管径 为 5 0 8 m m 4 4 ． 4 5 mm，管 道 的 设 计 温 度 3 0 0 ℃，设 计 压 力 1 6 ． 2 MP a ，保温层 密度 为 2 0 0 k g ／ m ，保 温层 厚度 1 l O m m，与管道连接 的设备管 口初始位移见表 1 。 表 1 设备管口初始位移 m m 2 ． 2 C A E S A R I I 软件应力计算 根据 以上条件及管道轴测图 ，在 C A E S A R I I 软 件中建立三维模型，见图 1 。 杨 羽华 工程师 。2 0 0 9毕业 于中国石 油大学 。主要从事配管和管道应力分析。联 系电话 1 5 2 9 3 1 3 4 2 3 7 ，Em a i l y y h 2 0 0 2 0 9 4 7 y a h o o ． c o m． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杨羽华等C A E S A R I I 软件在 管道设计 中的应用 2 3 图 1 管道三维模型 1 0 3 0 从表 1 可知 ，废锅出口在 Y方 向 垂直方向 有较大的初 始位移 ，所 以在废 锅 出口处利用 弹簧 支吊架来支撑管道，允许管道有一定的垂直位移 ， 降低设备管 口的受力，在 1 3 0节点处加 Y方向支 架以支撑管道重 量，然后进 行程序运算 。计算结 果表 明该管 系的一 次应 力、二次应力 均符合标准 规范的要求；设备管口及支吊架受力见表 2 。 表 2 设备管 口及支架受 力 HG ／ T 2 0 6 4 5 ． 5中管 口许用受力计算值见表 3 。 表3 H G ／ T 2 0 6 4 5 ． 5中管口许用受力计算值 F x N F y N F z NM x N m My N m Mz N m 3 4 3 0 0 4 9 3 9 2 3 4 3 0 0 1 0 4 2 7 2 1 48 1 7 6 1 0 4 2 7 2 2 ． 3 管系分析与调整 从表 2的计算结果可知 ，节点 1 3 0处 的支架受 力超过 1 6 0 0 0 0 N，受力偏大 ，而废锅出 口和热交换 器进 口x方向和 z方 向的推力都超过了 1 0 0 0 0 0 N， 远远超过了 HG ／ T 2 0 6 4 5 ． 5中规定 的静设备管 口许 用载荷 见表3 ，热交换器出口的Y向受力也偏 大 ；废锅 出口及热交换器进 口 Y方 向和 z方向的 力矩也超过了 H G ／ T 2 0 6 4 5 ． 5中规定的静设备管口 许用载荷 见表 3 。 该管道 管径 大 ，壁 厚 大 ，造 成 管道 刚 度大 ， 管道运行时温度较高 ，所 产生的热胀力对设备管 口产生较大 的推力。由于管道冷态和热态工况 的 温度相差较大 ，导致 1 3 0节点处的刚性支架冷态和 热态的受力相差较大 ，同时在热态时 1 3 0节点处的 刚性支架对热交换器进 口产生较大的 Y方 向的推 力 ，所以在 1 3 0节点处应该设置弹簧支吊架。要减 小设备管口 x方 向和 Z方 向的推力 ，就要更改管 道走向，增加管道柔性。采用图2 两种方案调整管 道走向，增加一处 u形弯、加高立管长度和改变 热交换器 进 口管道走 向来增加管道柔性 ，改善管 口受力。 图 2 修 改方案 2 ． 4 结果 比较与分析 两种修改方案的模型计算结果见表 4 。 与表 2中的设备管 口受力相 比 x方 向和 z方 向的推力由 1 0 0 0 0 0 N左右降低到 3 0 0 0 0 N左右 ，热 交换器进 口 Y 向受力 也 明显减小 ；废 锅 出 口 x、 Y、z三个方向的力矩 和热交换器进 口 Y、Z两个 方向的力矩 明显减小 ，各 管 口的受力 和力矩均符 合表 3 中的许用载荷要求。结果表明两种修改方 案都明显降低了设备管 口的受力和力矩，使之符 合设备管 口的许用载荷 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 CH E MI C A L E N GI N E E R I N G D ES I G N 化工设计 2 0 1 2 ， 2 2 3 由模型计算结果可知，a 方案在降低 z方向推 力方面效果更明显 ，而 b方案在降低 x方 向和 Y 方向的推力方面效果更显著。从管道走向看 ，b方 案 比 a方案多用一个 弯头 ，且有 U形液袋 ，需要 额外增加导淋设施 ，同时也增加 了管道阻力 ，所 以采用 a 方案更经济合理。 3 C A E S A R I I 使用 中应注意的 问题 3 ． 1 数据输入 在用 C A E S A R I I 软件计算前 ，首先要确保所输 入的数据完整正确，这是应力分析的前提条件。 输人数据时特别注意管道约束条件和附加位移等 边界条件 的输入 ，管道 的附加位移要按照对应 的 工况完整输人 ，计算模 型的首尾应该是设备或 固 定端。输人工况除正常操作工况外还要考虑开车、 停车、除焦、再生和水压试验 等工况。软件 默认 的环境温度是 2 l ℃ ，不 同地 区项 目的环境温度并 不相同，环境温度应参考项目的统一规定修改 J 。 3 ． 2管道附加位移 在计算时 ，以下几 种情况应考虑边 界点 的附 加位移 1 机器和设备热胀冷缩 时对连接管道施加 的附加位移。 2 储罐等设 备基 础沉 降在连接管 口处产生 的附加位移 。 3 不和主管一起 分析的支管 ，应将分支 点 处主管的位移作为支管端点的附加位移。 3 ． 3 工况组合 C A E S A R I I 软件提供九种温度压力工况 ，再加 上特殊工况 ，如开车、停工 、吹扫 、再 生、结 焦、 地震和风雪等工况组合起来也 比较 多。常用的工 况组合有 ] ①操作状态工况组合 O P E ，一般 由重力 、压力 、均布荷 载、端 点位移、集 中荷载 和温度构成的组合 ，该工况 主要用于管道对支 吊 架和设备管口的推力计算；②安装状态工况组合 S U S ，一般由重力和压力构成组合，另外还包括 集 中荷载和均布荷载 ，程 序 自动对该工况进行一 次应力校核；③纯热态载荷工况组合 E X P ，为 上述操作状 态和安装状态 的差值 ，程序 自动对 该 工况进行二次应力校核。 软件虽然有推 荐工况 的功 能，却没有把集 中 载荷和均布载荷加到工况组合 中，必须人 为将其 加入L 5 J 。在考 虑地震 和风、雪 等偶然载荷 时 ，不 同时加载 多种偶然载荷。程序 的推荐工况会把初 始位移 D 1自动的和 T 1温度工况组合 ，此 时就要 核对位移和温度是否对 应 ，如果不对应 ，就要 自 己调整工况组合 。 3 ． 4 支 吊架设计 管道支 吊架的设计应根据管道布置 和土建结 构 的情况综合考虑 ，要确保软件设计 的支 架位置 和型式在施工安装 中能够方便实用 。C A E S A R I I 软 件中假设 刚性支架 的刚度很大 ，如果支架 的实际 刚度小，会产生较大 的变形 ，计 算结果就 与实际 情况不一致 ， 所以计算时要考虑支架刚度的影响。 计算完成后要仔细查看支吊架受力报告 ，检查有 无过载和托空现象。 C A E S A R I I 软件中提供多种选择弹簧的设计工 况 ，而软件默认 的是在操作温度 T 1对应 的工况下 选择弹簧 ，对 于多工 况的应力计算 ，应 根据实 际 情况进行选择 ，如果仍采用这种默认 的方式选择 ， 则可能会 导致部分弹簧 位移偏小 ，与实 际情况 有 较大的偏差 J 。弹簧支架并不是设置得越多越好 ， 特别是一些转动设备的管道支架 ，不宜设置过多的 弹簧 ，以免引起振动 ，若必需 时则 需要考 虑其 支 架的刚度 J 。在管架设计时应先考虑设 置刚性支 架 ，当其不 能满足要 求时 ，再 采用 弹簧 支 吊架 ； 同时在弹簧数量较多的管道上设置导 向和限位支 架 ，增加管道的稳定性和防止管道的振动。 3 ． 5 方案 比较 在进行管道应力计算和柔性设计 时，常采用 改变管道走 向、选用补偿器 和合 理设 置支 吊架 等 方法来改善管道柔性 和设备管 口受力- 3 J 。在 这几 种方法中，应该优先选 择改变管架位置 和型式的 方法来降低设备管 口受力；出于安全方面的考虑 ， 对于高压和危险介质管道不宜选用补偿器；对于可 下转 第2 1页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘媛媛催化裂化装置烟 气轮机入 口管道设计 2 1 4 检查预拉设备 倒链及 固定件 是否满 足冷拉力 ，最大预拉力计算方法 F S 式中 ，F为最大拉力 ；盯 。 为屈服强度 ；S为管道截 面 面积 。 5 依据最大预拉力确定倒链规格。 6 焊接前确认焊工操作 资质 ，检查焊接材 料是否符合焊接要求。 7 按 照 焊接 工 艺评 定 及 焊接 指 导 书 进行 焊接。 4 ． 1 ． 2 烟道水平段预拉伸施工 预拉伸形式 为法兰冷紧 ，预拉方法采 用加长 螺栓拉 紧方 法 ，均匀 拉 紧螺栓 ，最终 更 换螺 栓 ， 加设正式垫片 ，设计要求预拉伸距离为 1 8 0 mm。 4 ． 2 烟道安装 烟道应在 机组 找 正、机 座灌 浆完 毕后 进 行。 安装顺序是先把烟机人 口短锥 用螺栓把上 ，由烟 机向外安装管道。 安装烟道 时，先采 用临时支架将 管道暂 时支 好 ，初步找平 、找正 ，临时支架 应调 节方便 、牢 固可靠、易拆 除。当整个 管道 、阀门、膨胀 节就 位后 ，测量管道与烟机 的同轴度偏 差等 ，必 须保 证离烟机人 口最 近一个支座 的轴线和烟机轴 线严 格对 中；然后安装各支 、吊架 ，将 已压缩到 安装 载荷的弹簧和各种 支座安装 就位 ，安装 时应保证 各支、吊点的标 高和相对 位置 ，按 照图纸要 求割 短水平管段 和垂直管段 ； 最后卸下膨胀节上的装运 螺杆 ，松 开膨胀 节 ，取 出每个 弹簧 的限位 卡块 ， 拉动管道 ，完成 组对焊接。 当烟道 和烟机对 中存 在偏差或法兰存在张 口时，应通过调整滚动支座 、 限位滚轮以及弹簧 吊架进行校正。 5 结语 在催化 裂化装置 的烟道设计 中，虽然 受到不 同场地和 空 间的 限制 ，其 烟 道走 向也多 种 多样 ， 但 只要遵循 合理 的设 计原则 ，正确选择材 质 ，合 理布置膨胀 节 和支 、吊点 的位置 ，就能满 足热补 偿和减小烟机推力 的要求 ，从而达到满意 的效果 ， 确保烟机的长周期安全运行。 参考文献 1 杨青， 祁鲁海．催化裂化烟气轮机人口管道的设计 [ J ] ． 化工设计 ，2 0 0 4 ，1 4 3 2 8 3 1 ． 2 胡宁．催化裂化装 置 中烟 气轮机进 出口管道的设计 及材 料选择 [ J ] ．材料开发与应用， 2 0 0 1 ，1 6 2 2 l 一 2 5 ． 3 国家质量监督检验检疫总局特种设 备安全监察局 ．全 国压 力管道设计审批人员培训教材 第二版[ M] ．北京中 国石化出版社 ．2 0 1 1 ． 修改回稿 2 0 1 2 04 1 0 上接 第 2 4页 以采用补偿器 的大直径管道 ，就 要综合考虑使 用 补偿器和改变 管道走 向的经济性 。对于采用 改变 管道走向的方 法 ，应 在设 计 时反 复分 析和 验算 ， 得 到最经济合理 的管道走 向。总而 言之 ，应在保 证管道具有足够的柔性来 吸收位移应变的前提下 ， 使管道的长度尽可能短。 4 结语 使用 C A E S A R I I 软件进行应力计算和分析，所 得到的数据精确 ， 结果可靠 ，辅助配管设计 时，不 但可以保证系统装置的安全运行， 还可以减少不必 要 的工程投资。在用软件 模拟计算 时要 尽可 能真 实地模拟管道可能遇到 的各 种工况 ；在管道应力 分析的过程 中要综合考虑管 道安装空 间、管道介 质和管道材质等各方面的影 响，选择合适 的方法 ， 通过不断的验算来优化管道布置。 参考文献 1 许文欣 ，张强． 化工设计中的管道应力分析 [ J ] ．辽宁 化 工 ，2 0 0 3 ，3 2 3 1 1 71 1 9 ． 2 刘 兴然 ． 3 O万吨／ 年聚 丙烯装 置出料 与循 环气 压缩 机 系统 的应力分析与设计 [ D ] ． 合肥合肥工业大学，2 0 1 0 ． 3 唐永进．压 力管 道应 力分 析 [ M] ．北京 中 国石化 出版 社 ，2 o o 37 9 8 3 ． 4 苑野．管道应 力分析蒸 汽透平 压缩机 进 出 口管线设 计 [ J ] ． 化工设计，1 9 9 8 1 2 4 2 8 ． 5 王洛春．管道应力分析软件在石化工程设计中的应用 [ J ] ． 化学工程与装备 ，2 0 0 9 5 1 2 11 2 2 ． 6 周小兵，蔡晓峰，阳东升等．弹簧支吊架在管道布置和应 力分析中的相关注意事项 [ J ] ． 化肥设计， 2 0 1 0 ， 4 8 6 2 9 3 4． 修改回稿2 0 1 2 0 2 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m