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加工设施的管道应力分析

有关如何保持流体有效流动的注释和准则

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Traimak_Ivan / iStock

管道系统对于许多加工厂或设施至关重要,因此,必须精心设计和制造它们。 许多工厂和设施的效率和操作灵活性在很大程度上取决于将流体通过管道输送到共同起作用的设备和机械的能力,灵活性和效率。 管道系统由于其在流体输送中的关键作用,需要在其建造和试运行之前通过各种工程工具和方法采取系统的方法。 应支持管道,以防止由于各种负载条件(例如自重,工作压力,温差和动态负载)而导致故障。

本文讨论了加工厂的管道应力分析,重点是实用说明和有用的技术准则。 没有讨论实用的准则来讨论复杂的公式或分析的数值方面。

管道系统中的应力:主要和次要

对于大多数管道系统(包括喷嘴和分支连接),会遇到两种主要类型的应力。 这些分为主要和次要压力。 主应力是由主载荷(例如压力和重量)产生的。 二次应力与循环条件相关,例如温度变化或施加的位移。

主要压力有两个主要标准。 考虑到管道组件(包括任何钢筋)的壁厚,内部压力引起的环向应力应安全且在规定的范围内。 由于压力,重量和其他持续载荷引起的纵向应力总和应小于规定的极限。 这些限制也是工作温度的函数。 在高温或低温下,允许的应力都会降低。

考虑到次级应力,已经出现了特定的重复和周期性的允许应力。 一组是受热运动的管道系统中(次级)应力的范围。 此条件的温度范围是从最小到最大的总范围,反之亦然。 热应力最高的区域通常是系统吸收大部分热运动的地方。 这可能是温差最高的地方。

相对较高的初始热应力可能会由于塑性应变而随时间降低。 但是,当操作转移到另一个具有不同温度的操作工况时,热应力可能会以相反的方向重新出现。 这种现象形成了热应力(次级应力)和压力或重量应力(初级应力)之间的基本差异。 塑性应变可以通过改变管道中心线的形状或永久变形来释放热应力的大小。 形状的这种变化对持续的压力或重量应力没有实际影响。 因此,在最大/最小正常工作温度下,持续应力通常被限制为最低允许应力。

上述影响的程度将取决于初始热应力和温度的大小。 例如,初始热应力通常会随着时间的推移而减小,而热应力和冷应力的总和将保持大致相同。 该总和称为位移(或膨胀)应力范围,因此与安装过程中管道的初始状态无关。

粗略表示,对于蠕变范围以下的材料,许用应力约为屈服应力的60%至66%。 因此,在达到产量之前,应考虑1.5-1.6的大致安全系数。 通常,这是塑性流动开始时的弯曲应力。

喷嘴载荷

喷嘴用于将设备或机械与相邻的管道网络连接。 这些是相对较弱的点,可能会承受来自管道的大量负载。 喷嘴是否为固定设备的喷嘴(例如容器,热交换器,反应堆等)。 机械喷嘴(泵,压缩机等)是管道应力分析中最敏感,最关键的组件之一。 制造商通常会以力和力矩的形式为每个喷嘴提供一组允许的载荷。 相邻管道系统施加在喷嘴上的实际力和力矩应小于允许的极限。 这是一个重要的考虑因素,特别是对于通常只能承受非常低的喷嘴负载的精密机械。 这对连接到此类机器的管道系统施加了许多限制。

如何支撑管道?

这个问题的答案需要很多考虑和研究。 但是,请注意一些规则以开始支持。 首先,应考虑重量负荷,温度和压力来估算管道跨距的最佳值。 由于重点放在重量负载上,应在计算出的每个跨度长度处插入支撑架,以将向下位移和相关的应力限制在建议值。 在此阶段,横向和轴向的限制位移应仅限于必要的位置。

随后应使用导向支架和限位支架分别限制管道在横向和轴向的位移。 锚固支座和一组限制横向移动的支座应专门放置在敏感设备(例如精密机械)附近的某处,以限制此类设备或机械的喷嘴上的负载。

一个重要的情况是管道从支撑架(支撑架,导向装置等)上抬起。 用数字表示,这可以看作是零大小的反作用力。 在这种情况下,如果估计的允许跨度或其他考虑因素允许,则应除去那些支撑物,或者对附近支撑物进行调整以考虑有效的载荷分配。 替代地,如果由于某种原因例如在出于控制模态/动态运动的原因而需要在具有提离的位置的支撑件上,则可以在该位置处支撑被支撑的夹紧或夹紧。

如何减少压力和反应负荷

高反作用力是管道和设备喷嘴中的主要问题。 有多种方法可以解决此问题。 减轻高应力或高喷嘴负载的一种可能方法是通过使用一些额外的弯头,“ Z”形圈,U形圈,膨胀圈或其他形式来改变管道系统的路线来适应热运动。   如果不可能或不成功,则可以使用其他昂贵的选件,例如伸缩缝和吊架。 这些设备利用弹簧效应来减少应力,反作用力和喷嘴负载。 这些选择给管道系统和工厂带来了可观的初始和运营成本。 它们降低了整体可靠性。 当无法应用其他更简单,更便宜的选项时,应将它们用作最后一个选项。

通常,吊架仅沿垂直线容纳膨胀。 它们已被用来承受由于热运动原因而不能使用刚性支撑的设备或机械喷嘴上的阀芯重量。 伸缩缝受很高的价格范围限制,因此伸缩环或类似的转向始终是最佳选择。 伸缩缝可适应所有轴向运动,但需要特殊的配件和许多规定。 它们是维护密集型的。 它们是精密的设备,仅在特殊情况下使用。

电池限制和连接的管道

通常要清楚了解设备管路系统的应力和负载,并适当优化管路,应考虑所有周围和连接的管路系统。 这是一个关键的考虑。 应该包括多大的连接管道是一个有争议的问题。

对一个单元中的管道进行分析时,应包括连接的管道系统和周围管道系统的一部分,以便捕获所考虑的管道系统的真实响应。 最好的方法是尽可能模拟所有不同管道,设备和设施之间的相互作用。 模型中包含的管道数量会因情况而异,但通常应包括:

  • 从所研究单元的电池极限的方向改变方向后,至少三个配管的方向已经改变。 这只是一个估计值,如果需要的话,应考虑周围管道的较大部分。 例如,有时存在三个导向器或支撑架,并且其配置方式仍使轴向运动仍可传递到该单元或从该单元传递出来。
  • 支持的灵活性。 当考虑支撑件的柔性时,减小了支撑件负载和相关的应力。 取决于许多因素,例如支座的柔韧性,而不是管道和整个系统的柔韧性,这种减少可能是微不足道的或显着的。
  • 喷嘴-壳体相交处在任何设备连接处的灵活性。

案例分析

案例研究涉及一个处理设备,该设备具有许多不同的管道系统,从48英寸(DN1200)到1.5英寸(DN40)。 这是一个高压气体处理设备,每个部分应在不同的热或冷运行情况下运行。 有8组工作压力和压力。 根据部分的不同,最大工作压力可以为130 Barg或120 Barg。 ° C to + 75°C depending on operating case and section. 温度在-81 ° C到+ 75°C 之间变化, 具体取决于操作箱和部件。 表1显示了该系统的组合应力比。 在不同的载荷工况和应力类型下,代码允许应力不同。 最小代码压力与持续加载情况相关。

表1 –综合应力和应力比的评估。 表1 –综合应力和应力比的评估。

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