工艺管道一次应力校核方法分析析及优化改进
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工艺管道一次应力校核方法分析析及优化改进
摘要:管道应力分析主要是为防止管道内应力过大造成管道自身的破坏。
压力、重力、风、地震、;中击等不同载荷将引起管道内不同类型的应力。
根据产生应
力载荷的不同,将应力划分为一次应力和二次应力。
目前,国内外工程公司按照ASME B31.3校核工艺管道的一次应力,但由于对ASME B31.3和CAESAR I管道
应力分析软件的理解和应用不同,一般仅校核冷态一次应力,忽略了热态一次应力。
关键词:工艺管道;应力分析;一次应力;热态;冷态;工况;
目前对ASME B31.3标准和CAESAR Il管道应力分析软件的理解和应用不同,国内外工程公司按照ASME B31.3校核工艺管道一次应力通常考虑冷态一次应力,而忽略了热态一次应力。
通过解读冷态一次应力和热态一次应力的定义,根据ASME B31.3—201 4规定的校核准则,讨论了热态一次应力的四种计算方法,并
编制了相应的管道应力分析工况。
一、一次应力的定义与校核准则
1.一次应力的定义。
一次应力:工艺管道由于压力、重量等持续载荷而产生
的纵向应力。
它是外部载荷的实际承担者,随外力载荷的增加而增加。
当管道内
的塑性区扩展到极限状态,即使外力载荷不再增加,管道仍将产生不可限制的塑
性流动,直至破坏。
冷态一次应力:工艺管道在安装状态,由于压力、重量等持
续载荷而产生的纵向应力。
热态一次应力:工艺管道在操作状态,由于压力、重
量等持续载荷而产生的纵向应力。
2.一次应力的校核准则。
ASME B31.3-2014标准302.
3.5节定义:一次应力是
管道系统任一组件由于如压力、重量等持续载荷而产生的纵向应力的总和SL,应
不超过所考虑操作条件相应温度对应的许用应力Sh,即满足SL<Sh。
ASEM
B31.3-2014标准还对一次应力校核增加了说明,SL的计算需要考虑支架起作用或
者支架不起作用的所有工况,并选择不同工况的最大值作为SL的计算值。
而在ASME B31.3-2014版之前的标准中并未对SL的计算工况做出规定。
ASME B31.3-2010标准320.2节首次提出持续应力计算公式如下:
式中:Sl为持续应力;sa为持续纵向力引起的应力;sb为持续弯矩引起的应力;St为持
续扭矩引起的应力。
二、管道应力分析概述
1.管道应力分类。
一次应力,是指在受到外在重力、压力、外加荷载与介质内压等等外
力作用下所相应产生的内力应力。
该一次应力的基本特征就是没有自限性,当外加荷载不断
增加过程中,一次应力也会相应增加,但它始终满足与外加荷载间的应力平衡关系。
但当压
力超过管道材料承受能力范围时,管道就会发生塑性形变最终被破坏。
所以说,一次应力的
产生主要以持续外荷载应力为主。
而一般管道所承受的持续外荷载则主要以管道自重、介质
内压及介质重量为主。
二次应力,化工设计管道会受到一些外界不确定因素影响,进而导致
形变现象发生,用来对抗这种形变所产生的管道应力就是二次应力。
比如比较常见的热胀冷
缩现象,管道位移形变现象等等。
二次应力其自身是存在一定自限性的,这种自限性并不能
像一次应力那样可以保证外加荷载平衡,换言之二次应力不能随外加荷载的增加而相应增大,但管道能通过自身局部变化来有效降低管道应力。
如果外加荷载超出管道自身承受荷载极限,管道依然还能保持完好不被破坏,然后再对应力进行二次分布。
峰值应力,属于前两种应力
的增量表现。
如果管道附近出现局部结构不连续问题或局部热应力效应问题,就要在管道的
一次及二次应力层面上增加新应力增量,即增加峰值应力,一般会体现在管道焊缝位置或未
焊透问题,但整体上峰值应力的作用不甚明显,它是在长时间中慢节奏逐渐积累形成的,对
管道的破坏也是日积月累效果。
2.管道应力分析的方法。
与运行良好的管道(或已分析的管道)的柔性相同或基本相当的管道,通过以往的经验或与已分析的管线的比较相类似,可以采用经验判断法。
经验判断法的
运用者,通常要求要具有丰富的工程经验。
简单分析法,通常是利用图、表等方法对几何形
状相对简单的管系进行近似解析计算。
简单分析法可以确保管道有足够的柔性,尽管载荷和
应力不能准确提供,但这种分析方法快速,甚至可非专职应力分析工程师都能完成。
在对管
道应力进行分析时,要根据实际情况进行分析方法的选择,确保分析结果的准确性、实用性。
3.管道应力分析的意义和目的。
管道应力较为容易引发的问题以安全问题为主,管道在
实际应用过程中,对管道设计的安全性能要求有如下三方面,分别为耐压强度、耐腐蚀性以
及密封程度。
针对管道耐压强度以及耐腐蚀性,设计人员选用达到标准要求的管道材料,便
能有效避免管道内介质由于环境问题的影响而导致管道发生问题。
若管道布置设计存在不合
理问题,或是管道柔性较低难以承载一定应力和形变,便有可能导致化工企业在实际运行过
程中存在安全隐患。
如外界稳固在变化过程中,热销量较大进而令管道的关口出现破损,管
架损坏的问题。
若本身便为动力设备,便需要考虑设备所具有的振动频率与管道本身具备的
固体频率是否一致,以免出现共振问题,进而造成管道本身被破坏。
三、一次应力的计算方法
工艺管道热态一次应力和冷态一次应力校核需考虑载荷如下:重量载荷W,包括管道、
保温、介质及刚性元件的重量;压力载荷P;弹簧载荷H;温度载荷T。
管道应力分析工况类型定义如下:SUS为持续工况;Alt-SUS为关联持续工况;OPE为操作工况;EXP为热膨胀工况。
1.冷态一次应力的计算方法。
根据冷态一次应力的定义,冷态一次应力校核工况为
W+P+H(SUS)。
2.热态一次应力的计算方法。
(1)删除支架法.删除操作状态脱空的支架,重新分析管道
模型,计算热态一次应力。
(2)工况相减法。
操作工况W+T+P+H(OPE)减去温度工况T (EXP)计算热态一次应力。
(3)ASME B31.3附录P法。
ASME B31.3附录P提供评价管道系统应力范围的另一种规则。
附录P考虑操作条件下的
应力,包括位移和持续载荷产生的应力,而不仅是位移应力范围。
该方法考虑管道离开支架
时的非线性影响。
通过激活CAESARII软件配置中附录P选项,即可计算热态一次应力。
(4)关联传递法.CAESARII-2016版软件提供Alt-SUS工况类型,每一个操作工况关联一个持续载荷
工况,通过将操作工况的刚度矩阵传递到持续载荷工况,计算操作工况对应的热态一次应力。
四、结果分析
1.由于计算冷态一次应力仅考虑安装状态的重力和压力,因此,四种方法计算结果相同,最大冷态一次应力比均为60.7%。
2.工况相减法计算得到热态一次应力比为9
3.3%;删除支架法和关联传递法计算得到热态
一次应力比相同,最大值均为79.8%;ASEM B31.3附录P法计算得到的热态一次应力最小,
最大应力比为34.9%。
从计算结果分析,工况相减法计算结果最保守,其次是删除支架法和
关联传递法,ASME B31.3附录P法计算结果最不保守。
3.删除支架法需要核实所有操作工况对应的支架脱空情况,然后手动删除所有脱空支架,才能计算热态一次应力。
如果计算模型大,工况复杂,需要删除脱空支架数量多,容易产生
漏删和错删等问题。
因此,删除支架法不是计算热态一次应力的最佳方法。
4.工况相减法不需要删除脱空支架,但需要定义温度工况T,通过操作工况W+T+P减去
温度工况T计算得到热态一次应力,比删除支架法简单实用。
但是,由于温度工况T的不真
实性(管道操作工况不存在,仅考虑温度而不考虑重力等载荷的情况),造成热态一次应力
计算结果比较保守,因此,工况相减法是计算热态一次应力的备选方法。
随着化工产业的迅猛发展,提升化工装置的安全性能极为重要,而管道应力分析对管道
设计而言也是至关重要的,它间接帮助工业生产效益提升,因此在化工工程设计时应该重视
对化工管道应力的深层次研究分析,在分析的基础上进行合理的柔性设计,以保证管道的安
全性,推动化工产业向前安全健康地发展。
参考文献
[1]王永进.压力管道应力分析.2016.
[2]唐春梅,工艺管道应力分析中对偶然载荷的静态处理.2016.。