压力管道与设备连接处管口推力计算的对比和讨论.pdf

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1、化工机械2015年压力管道与设备连接处管口推力计算的对比和讨论潘建华“谢中友2艾志斌1宗宁生3(1．合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全工程技术研究中心；2．铜陵学院建筑工程学院；3．中国石油天然气股份有限公司宁夏石化分公司)摘要以某化工厂一条管道及其连接设备为案例，分别采用实体单元和管道单元进行详细分析，并对计算结果进行对比和讨论。计算结果显示使用管道单元计算得到的设备管口推力基本都高于实体单元(轴向力除外)，表明管道单元计算得到管口推力结果整体偏保守。管道单元有限元模型的两种管口遗界条件计算得到的设备管口推力结果时比表明，管道与设备相连处约束设王不宜过

2、于保守。实体单元与管道单元的计算结果最大值位置扣应力均值基本吻合。关键词压力管道有限元实体单元管道单元管口推力中图分类号TQ055．8+l文献标识码A文章编号0254-6094(2015)06_0802．0520世纪70年代以来，随着各种工艺装置的不断大型化和新工艺、新装置的不断出现，管道压力和温度的不断提高，管径和壁厚的不断加大，管道应力分析也受到越来越多的重视。由于理论公式计算结果只能表明管道本身安全，并不能计算管道与设备相连的作用力，因此在实际应用中存在较大的局限性。随着计算机的不断普及，国际上出现了一些管道应力分析计算机程序，以ABAQuS、ANSYS

3、为代表的大型通用有限元软件也提供了专门的管道单元用以承压管道应力分析，这些都是以梁单元为基础的有限元分析程序。一些标准(如GB50316．2000、GB／T2080l一2006、ASME31．3)在压力管道应力计算的某些方面规定了大的原则¨一J，对于细节并未做出具体规定，因此如何确定管道应力需要制订详细的规则，其细节问题则由分析人员自行把握。一些文献对于基于梁单元的管道应力计算精度进行了研究。蔡永成将手工计算结果与CAE-sARⅡ软件的计算结果进行了对比H’；吴晓南等研究了cAEsARⅡ软件在大口径厚壁钢管应力分析中的可靠性H1；潘建华等采用大型通用有限元软件

4、ABAQus对高温高压奥氏体不锈钢管道进行了有限元计算和改造设计M’7o。这些案例表明以梁单元基础的管道应力分析方法是可靠、实用的。但在实际应用过程中，也出现了一些问题，如重整反应器接管与管道连接处的管口推力计算不精确，导致设备出现大变形等。事实上，管道与设备连接处的受力分析是压力管道计算的关键内容之一，也是难点之一哺’91。在压力管道应力计算中，管道与设备管口的应力校核不仅需要为强度设计提供依据，而且还会涉及到法兰连接的泄漏分析。在管道应力分析过程中，如果设备管口约束处置不当，将会与实际情况出现较大的偏差，直接影响到结果的正确性。笔者以某化工厂一条管道及其连

5、接设备为案例，分别采用实体单元和管道单元进行详细分析，并对计算结果做对比和讨论。1计算分析1．1案例介绍和相关参数某石化公司在冬季大检修时发现锅炉给水预$潘建华，男，1981年7月生，高级工程师。安徽省合肥市，23003l。第42卷第6期化工机械803热器设备管箱存在严重裂纹，决定使用备件更换该设备。原设备由日本神户制钢于20世纪80年代设计制造，备用设备由兰州兰石机械设备有限责任公司制造。在更换过程中设备管理人员发现备用设备工艺气侧接管壁厚较原设备偏薄。根据TsGR700l-2013《压力容器定期检验规则》第三十一条规定¨0

6、，合肥通用机械研究院特种设备检验

7、站对备用设备锅炉给水预热器管程气体入口接管进行强度校核。设备管程气体进口接管所连接的管道空视图如图1所示，设备管程的设计数据如下：设计压力25．0MPa(G)最高工作压力22．5MPa(G)设计温度355℃最高工作温度(入口／出口)325／185℃实际操作温度(人口／出口)320／172℃实际操作压力17MPa工作介质合成气腐蚀裕量1．5mm焊接接头系数1．0保温层150mm厚的岩棉图l锅炉给水预热器气体进口管线与A1接管设备管箱进口接管Al材料为sAl82F22CL3，球形封头材料为SA387F22CL2，人孔凸缘材料为SA336砣2cL3，管箱气体进口所连

8、接的管道材料为STPA24(日本牌号，近似相当于12Cr2M01)。设备球形封头最小厚度为90mm，Al接管尺寸为"68mm×88mm，所连接的管道规格为西356mm×44mm。材料的弹性模量和线膨胀系数见表1。表1相关材料的弹性模量和线膨胀系数1．2实体单元有限元分析管箱气体人口Al接管的有限元模型包括高温合成气人口管线、接管、锅炉给水预热器球形封头、人孔接管及Bl接管等。采用大型通用有限元软件ANSYS建立有限元模型，选用实体单元SOLID95，整个模型共20024个单元，105622个节点，有限元模型网格划分如图2所示。图2实体单元有限元模型网格划分高温

9、入口气体管线和锅炉给水预热器封头接管的