工业蒸汽管道的设计及应力分析探讨

2019-06-13赵飒

山东化工 2019年10期

赵飒

(河北生特瑞工程设计有限公司，河北石家庄 050011)

化工行业普遍使用蒸汽作为热源，蒸汽管道受热产生热膨胀，管道材料内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗因受热产生的变形。在考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力[1]。当蒸汽管道在运行时其内的应力接近或超过管材的极限应力，材料就会被破坏。因此若管道设计不合理，将存在安全隐患。如：由于管道热应力导致管架被推坏，管道滑脱，弯头焊缝开裂，设备管口被顶坏等，严重者会引发燃烧、爆炸。

1 蒸汽管道的设计

1.1 蒸汽管道的选材及强度计算

公称直径大于或等于DN50的蒸汽管道即属于压力管道，压力管道的设计应遵循《压力管道安全技术监察规程-工业管道》 TSG D0001，《压力容器压力管道设计许可规则》TSG R1001，《压力管道规范工业管道》GB/T 20801等规范的相关规定。在进行蒸汽管道设计时，首先应根据蒸汽介质的温度、压力确定管道及管件的设计温度、设计压力、压力等级等。近而确定管道材质，一般情况下蒸汽管道可选用碳钢材质，但鉴于碳化物有可能转化为石墨的的可能，碳钢不宜在425℃以上的温度下长期使用[2]。温度较高的蒸汽还可以选用15CrMo、不锈钢材质。

根据蒸汽使用量计算管径，查阅手册可得到蒸汽的常用流速推荐范围值。管径确定后，依据GB/T 20801.3中直管内压设计中的计算厚度公式(1)计算壁厚t，碳钢管道需考虑腐蚀裕量。

(1)

式中：P——设计压力，单位为兆帕(MPa)；

D——管子外径，取管子外径的名义值，或由实测所得，单位为毫米(mm)；

S——设计温度下管道组成件金属材料的许用应力，由GB/T 20801.2-2006表A.1查取，单位为兆帕(MPa)；

Φ(Φw、Φc)——焊件的纵向焊接接头系数或铸件质量系数，按GB/T 20801.2-2006表A.3、表A.4；

1.2 蒸汽管道的管道布置[3]

蒸汽管道的布置需考虑管道的柔性，管道在设计温度压力下工作时，由于热胀冷缩、端点附加位移、管道支架设置不当等将产生应力过大，导致变形、断裂、破坏等情况。管道的柔性使管道通过自身变形吸收因温度变化或其他原因产生的位移。通常通过自然补偿或使用补偿器的方法增加管道的柔性。常用的自然补偿为L形直角弯、Z字形折角弯及空间立体弯。管道补偿器常用的有矩形补偿器、套筒式补偿器、波纹补偿器等，其中矩形补偿器以其结构简单、投资少、运行可靠成为首选[4]。

在进行蒸汽管道设计时，首先根据装置现场情况确定管道走向，设置好固定支架的位置，即将管道分成不同的段，每两个固定支架之间算一段。对于有水平转弯或Z形转弯的管道在转弯处设置好固定支架，尽量利用L形直角弯、Z字形折角弯进行自然补偿。

(1)L形直角弯处可先设定好长臂的固定点，然后根据公式(2)计算出短臂的长度，从而确定另一个固定支架的位置。

(2)

其中l——L型自然补偿短臂长度(m)；ΔL——长臂的热伸长量(mm)；Dw——管道外径(mm)。

管道热伸长量按式(3)计算：

(3)

其中ΔL——管道的热伸长量(mm)；L——计算管长(m)；a——管道的线膨胀系数[cm/(m ·℃)]；t2——管道内介质温度(℃)；t1——管道设计安装温度(℃)，可取20℃。

(2)Z形折角弯处先预先设定好两个臂的固定点，如图1所示。然后根据公式(4)计算短臂的长度l，计算出来的结果与实际短臂长度进行比较，然后再适当调整固定点的位置，重新计算短臂长度，直到计算值与实际长度大致相符。

(4)

图1 Z形自然补偿段

(3)对于较长的直管段，每隔30～40m需设置一个固定点，两固定点中间可设置一个矩形补偿器。首先使用公式(3)计算管道热伸长量，然后根据热伸长量查手册选择补偿能力能满足要求的矩形补偿器。对于另有要求或设置矩形补偿器有困难的情况下，可以选用波纹补偿器等。

按照以上方法经过固定点分割以及补偿器设置后，可在此基础上设置滑动支架及导向支架。然后可以采用计算机辅助应力分析软件(Caesar II)对管道进行详细的应力计算。

2 蒸汽管道的应力分析

为了保证管道在设计条件下有足够的柔性，需对管道要进行应力分析。管道应力分析的方法一般分为三种：经验判断法、简单分析法和详细分析法，见图2。经验分析法是指与运行良好的管道相比较，其管道形状、尺寸、操作条件均基本相当的管道。或与已分析的管道相比较，确认有足够柔性的管道。简单分析法是指利用图、表等方法对几何形状相对简单的管系进行近似解析计算。详细计算一般是通过计算机辅助应力分析计算。应力分析方法的选择可参照下图进行选择[5]。

为了准确的计算管道应力及管道支架的受力，需要进行详细分析的管道可采用Caesar II进行应力计算，将前面设计好的管道分节点输入软件中，并输入管道的管径、壁厚、材料、腐蚀余量、介质温度、压力、密度、保温材料、密度、厚度、许用应力等。计算结果可得到安装工况、运行工况的各节点的应力、位移、约束点的力和力矩等，由此可判断出管道设计、支架设置等是否合理，并根据计算结果优化管道布置。