火炬管网配管设计的应力分析

火炬管网配管设计的应力分析

0应力场所分析火炬系统是油压机行业安全生产中不可或缺的重要安全系统。由于其生存环境的多样性，火炬系统的设计是一个极其复杂的过程，设计中的应力分析是一个必不可少的环节。在进行应力分析时,国外大多采用软件模拟来研究管道应力分布情况,从而优化设计。目前,国内火炬系统的应力计算大多依赖于经验参数,因此科学、客观地进行应力分析和计算,使火炬系统的设计更加经济、安全、合理显得尤为重要。本文将以某石化公司新建火炬系统项目为例,利用CAESARⅡ软件对火炬总管进行配管设计及应力分析。1管道电压分析基础通常,管道应力分析包括管道柔性设计、静力分析和动力分析。管道应力分析的主要目的2火炬系统及管道设计的确定利用CAESARⅡ软件进行应力分析的主要内容包括以某石化公司新建火炬系统为例,对火炬总管进行配管设计及应力分析。根据需要,全厂拟建1套高压放空燃料气火炬系统、1套低压放空燃料气火炬系统和1套酸性放空气火炬系统。现以高压放空燃料气火炬系统为例进行相应分析与计算:(1)高压放空系统背压为0.35MPa,设计压力2.0MPa;(2)各装置放空气温度最大为150℃,设计温度200℃;(3)经计算,管径为DN1000,壁厚12.7mm,采用X52螺旋缝埋弧焊钢管;(4)排放主线从装置边界按2‰的坡度通向分液罐;(5)为防止凝液产生,高压放空气排放管采用伴热保温,其保温材料为复合硅酸盐卷毡,保温层厚度为100mm。(6)接至火炬总管的管道,在总管上方沿流向45°斜接,且管底标高高于总管中心标高,尽可能减少阻力。(7)在火炬总管上,不得有死角,改变管道走向时,采用R=1.5DN弯头,不使用三通。(8)为避免火炬系统发生内爆炸或产生其他不安全因素,火炬气总管设有固定的吹扫设施高压放空系统的设计温度达200℃,温差导致热胀冷缩现象,产生较大热应力,为保证管道本身及固定端点支座安全可靠运行,在管道设计中考虑设置补偿器。对此,选用自然补偿的“П形”补偿器,并将其设置在两固定点中部。同时为了防止管道移动,在一定距离范围内设置固定管托,在补偿器两侧设置导向管托。3.2节点内部模型的建立有限元法基本思路是将形状复杂的连续体划分为有限个单元。这些单元形状相对简单,具有一定的规则,并在节点上相互连接。由于单元形状简单,易于建立节点间方程并形成总体线性方程组,引入边界条件后求解该线性方程组,即可得到所有节点的量本工程火炬总管模型的建立以有限元法为基本原理,简化火炬管系进行分析,此管系以火炬总管的固定架为分割点,将两固定架之间的管道看作一个独立的管系进行计算,当各个分支管系配管应力分析通过计算后,再进行整个管系复合运算,或将固定架的力和力矩进行合成。根据前期设计经验,火炬总管的管道布置如图1所示。3.3主管壁厚、管路及管道布置图1为该火炬总管部分管道走向示意图,先采用简化法对管系进行分析,看其配管弹性是否合适。根据管道材质的线膨胀量,初步计算出管道在无拘束条件下的伸长量,然后根据该管系特点将其分割成若干个管段,让各管段独自进行膨胀。当各管段计算分析通过后,再进行整个管系的复合核算。将A看作起始端,作为基准点,计算两固定端之间的膨胀量。首先确定管系设计输入条件:设计温度:200℃;设计压力:2.0MPa;主管外径:1016mm;主管壁厚:12.7mm;主管管材:X52(L360)螺旋缝埋弧焊钢管,对应CAESARII中材质库API-5LX52。根据式(1)式中ΔX、ΔY、ΔZ为管系3个方向的热胀量,cm。其中:式中:α为管道材料的平均线膨胀系数,cm/(m·℃);ΔT为管道从安装状态到操作状态的温度变化值,℃,根据SH/T3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》,管道安装温度宜取20℃;LX52(L360)螺旋缝埋弧焊钢管在200℃下的平均线胀系数为12.25×10则:根据SH/T3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》公式:式中:D为管子外径,mm;Δ为管系总变形量,mm;L为管系在两固定端之间的展开长度,m;U为管系在两固定端之间的直线距离,m。在使用以上经验公式时,SH/T3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》与ASMEB31.3均对此作了如下说明(1)无法提供全面的证明来说明此式能得出准确或一贯保守的结果;(2)此经验公式在下列情况下不适用:剧烈循环运动下的管道,即运行寿命期间,等效循环次数超过7000次;L/U>2.5的不等腿U型弯管管道;大直径薄壁管道(管件处的应力增大系数≥5);与端点连线不在同一方向的附加位移量占总位移的大部分管道。显然,此处适用经验公式:所以,此管系主管道布置柔性合适,可不调整管系布置。3.4单元与数据的输入经过对火炬总管的柔性分析,不需要调整布置,此时用CAESARⅡ对火炬总管进行应力分析。将管系划分为单元,这些单元在节点处相互连接,相邻节点编号间隔为5。然后输入数据,它包括基本参数、管道单元结构参数和边界条件的输入。基本参数包括管系中各管道单元的基本特性,如管径、壁厚、管道材料等。管道单元结构参数包括管系中各管道单元的几何形状及尺寸、结构特征。每个管道单元的所有信息占1页数据表,如图2所示。3.4.1.火炬总管无固定架边界条件为位移边界条件、力边界条件。由于整个火炬系统管道存在轴向变形,接上下游装置时,将发生管道推挤,造成连接处严重变形甚至损坏。因此,火炬总管设固定架,并以此为分割点,将两固定架之间的管道看作一个独立的管系进行计算,固定管架加全约束。同时,管道支架加载+Y向约束,输入边界条件时,按照以上数据输入方式即可,建立好的边界约束如图3所示。3.4.1.caesar计算模型管道从建设到运行阶段,有安装、试压、清管和运行4种工况,每种工况所处环境均不一样,其应力值和分析方法也不一样。考虑到高压火炬系统的运行温差较大,本文着重于运行工况下的应力分析。运行工况下,温度是影响管道的主要因素之一,当管道的工作温度高于安装温度,管子受热伸长。管道工作温度越高,温度差产生的轴向应力越大,根据设计输入条件,管道计算温度T1取200℃。CAESARⅡ程序由计算机自动完成计算后,进行火炬总管的工况组合:其中:W为物料重;P1为计算压力;T1为计算温度。冷态下进行一次应力核算,纯热态下进行二次应力核算,热态下进行管线约束点、支架受力及各点位移计算。3.4.1.数据检查命令校正建好的模型如图4所示,运用CAESARⅡ程序中的数据检查命令,可根据程序提供的警告和错误信息检查报告进行更正。确认数据无误后,进行应力计算,如图5所示。3.4.2分析校核(1)通过软件模拟计算,此状态下一次应力最大发生在节点1040处,应力值为43.0971MPa,相对许用应力比率为28.4%,应力校核通过。(2)通过软件模拟计算,此状态下二次应力最大发生在节点1060处,应力值为66.8270MPa,相对许用应力比率为19.7%,应力校核通过。(3)通过软件模拟计算,管线最大位移发生在节点1084处,其值为109.138mm,在X轴向可由弯头吸收,满足设计要求。4模型简化分析本文以某石化公司新建火炬系统项目为背景,利用CAESARⅡ软件对火炬总管进行配管设计及应力分析,主要结论包括:(1)根据设计参数,进行管系的柔性分析,得出(2)通过模型简化分析了运行工况下管