高爐煤氣的布袋除塵重要管段應(yīng)力分析計算案例目錄高爐煤氣的布袋除塵重要管段應(yīng)力分析計算案例 11.1凈煤氣管道的背景 1 2 21.2.2凈煤氣管道的模型圖 41.3靜力分析結(jié)果 51.3.1管道應(yīng)力 51.3.2管道位移 71.4建模過程中曾出現(xiàn)的問題與解決方案 9的重要因素[23。對于高爐煤氣除塵裝置來說，凈煤氣出口管道非常重要，由于煤氣可能出現(xiàn)的最高溫度300℃,將管道壓力設(shè)置為布袋除塵器的設(shè)計壓力0.5MPa,管道材料與布袋除塵器一樣選用Q235B。凈煤氣管道布置圖如6-1。管道具體尺寸、各部件間距于圖6-2展示。1.2基于CAESARⅡ建模(1)直管模型建立以同口以同口在建立直管段，由于CAESARⅡ中所有的管道的連接均基于管道的節(jié)點編號，因此首先應(yīng)該確定管道的編號。建立模型時首先在DX,DY,DZ位置處輸入管道在相應(yīng)方向的投影長，在Diameter處輸入管道直徑，然后在相應(yīng)的位置輸入溫度，壓力，流體介質(zhì)密度以及腐蝕裕量251。選擇材料時其相應(yīng)的許用應(yīng)力，泊松比等參數(shù)也自動生成，但若材料庫中沒有該種材料則需要手動輸入材料的特性參數(shù)。最后，根據(jù)設(shè)計方的要求對管道的保溫層進(jìn)行選擇，保溫材料的選擇與管道材料選擇的方法相類似，可以選擇材料庫內(nèi)保溫層材料，也可以建立個(2)法蘭和閥門模型的建立 ElasticModulus(H32.0340E在CAESARⅡ中法蘭與閥門參數(shù)比較少，而且兩者建立方法完全相同，相對而言比較容易建立。CAESARⅡ數(shù)據(jù)庫中也法蘭與閥門的數(shù)據(jù)庫，但是一般不能直接調(diào)取，最好根據(jù)設(shè)計方案建立符合條件的管件[27】。建立閥門時，應(yīng)注意閥門兩端是否帶有法蘭。建立法蘭時，應(yīng)注意是單片法蘭還是雙片法蘭。對兩者進(jìn)行修改時，點擊Rigid對兩者的質(zhì)量與長度兩個參數(shù)修改便可。(3)波紋管補償器模型的建立在一些位移較大的管道附近，若采用剛性原件固定很可能造成管道應(yīng)力檢核難以通過，此時可以通過波紋管補償器吸收管線的位移。同時，也能吸收一部分管線的震動。在建立波紋管補償器時，需要注意與波紋管連接的管路和約束類型。(4)普通約束模型的建立1.2.2凈煤氣管道的模型圖1.3靜力分析結(jié)果1.3.1管道應(yīng)力管道應(yīng)力校核是管道應(yīng)力分析的核心。管道應(yīng)力校核不僅需要對管道的一次應(yīng)力，二次應(yīng)力進(jìn)行校核若有偶然載荷還需要對偶然載荷進(jìn)行校核，還要在變工況條件下對應(yīng)力校核。管道應(yīng)力校核是管道能否安全運行的重要條件。CAESARⅡ中使用管道校核應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)是ASMEB31.3工藝管道的標(biāo)準(zhǔn)，ASMEB31.3更趨向于安全，這也確保了管道能更安全的運行。在管道校核時，通常采用第三強度理論即最大切應(yīng)力理論，一般管道材料都是塑性材料，第三強度理論不僅考慮了拉應(yīng)力與拉應(yīng)變，還考慮了切應(yīng)力使校核更加安全。表6-1是工況下管道一次應(yīng)力較大部分。上表列出了工作狀態(tài)管道的應(yīng)力結(jié)果數(shù)值較大的一部分，由于數(shù)據(jù)較多只對管道應(yīng)力最大節(jié)點分析。HighestStresses:(KPa圖6-8工作狀態(tài)管道的應(yīng)力最大點其中，各項應(yīng)力含義如下所示：(1)AxialStress軸向應(yīng)力(3)TorsionStress扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(4)CodeStress綜合應(yīng)力(5)AllowableStress許用應(yīng)力(6)Ratio綜合應(yīng)力所占許用應(yīng)力的百分比一次應(yīng)力校核通過的標(biāo)志是綜合應(yīng)力值小于或者等于許用應(yīng)力值。本文所示模型一次應(yīng)力校核通過，無應(yīng)力超標(biāo)節(jié)點。根據(jù)一次應(yīng)力的計算結(jié)果，還可以得到最大應(yīng)力點。一次應(yīng)力最大值點是100節(jié)點，該點的綜合應(yīng)力為22.375MPa,占許用應(yīng)力的比例是23.5%,不屬于危險點，無需對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。管道的軸向應(yīng)力一部分是有管道內(nèi)介質(zhì)壓力引起的，一部分是由管道的約束力引起的。在本管系中壓力是處處相同，因此由壓力引起的軸向應(yīng)力也是相同的。而節(jié)點80和節(jié)點100處的軸向應(yīng)力較大，由上表可知主要原因是節(jié)點80處Y向的約束力較大。彎曲應(yīng)力很大程度上是由管道位移引起的。表6-2純熱態(tài)管道的應(yīng)力上表這列出純熱態(tài)管道的應(yīng)力結(jié)果的一部分，由于數(shù)據(jù)較多只對管道應(yīng)力最大節(jié)點分析。HighestStresses:(KPa)CodeStress:223.1Allow管道純熱態(tài)應(yīng)力僅考慮溫度對管道的影響。二次應(yīng)力校核通過的標(biāo)志是綜合應(yīng)力值小于等于許用應(yīng)力值。如果一次應(yīng)力校核通過但二次應(yīng)力值卻大于許用應(yīng)力，可用合成應(yīng)力再次校核驗證：倘若合成應(yīng)力不大于許用值，那么二次應(yīng)力校核通過。本文所示模型二次應(yīng)力校核合格，無應(yīng)力超標(biāo)點存在。二次應(yīng)力最大值點是節(jié)點10250,二次應(yīng)力的數(shù)值為2.23MPa,占許用應(yīng)力的比值為0.1%。1.3.2管道位移管道位移分析是管道應(yīng)力分析中重要的環(huán)節(jié)。管道產(chǎn)生位移的原因很多。首先是管道自重，由于自重產(chǎn)生的位移在冷態(tài)或熱態(tài)都存在。管道的自重可以看做均布載荷，在材料力學(xué)中可以把管道作為連續(xù)的梁，而梁在自重作用下會產(chǎn)生撓曲變形。其次是支吊架的約束反力。當(dāng)管道由安裝狀態(tài)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)時，支吊力會發(fā)生改變。支吊力的改變會使支吊點的管道受到約束反力，進(jìn)而使管道產(chǎn)生位移。管道產(chǎn)生位移會使管道受到額外受力，嚴(yán)重時會使管道支吊架產(chǎn)生架空現(xiàn)象使管道系統(tǒng)癱瘓。避免管道位移的方法有很多，最常用是設(shè)置吸收管道位移的原件，如波紋管補償器。凈煤氣的安裝狀態(tài)位移數(shù)據(jù)如表6-3。節(jié)點號節(jié)點號表6-3是冷態(tài)即安裝狀態(tài)的管道位移較大的連續(xù)節(jié)點?？梢园l(fā)現(xiàn)在節(jié)點管道在自重作用下會朝Y向移動。且節(jié)點60-100處于管道中部，+Y方向的支架設(shè)置于管道兩端，所以節(jié)點60-100受到重力的影響，位移相比較而言最大，但是此位移仍然不影響管道和設(shè)備工作。在管道70節(jié)點處加上+Y方向的支架，則冷態(tài)最大位移從節(jié)點80處-Y方向的4.958變?yōu)楣?jié)點100處-Y方向的0.448,位移減小了10倍。節(jié)點號節(jié)點號節(jié)點10-50、100-170在工作狀態(tài)下的位移較大，這一部分原因主要是由于熱漲作用的熱位移。可以發(fā)現(xiàn)管道節(jié)點10-50是Z走向，因此熱漲作用對Z方向的位移影響作用最明顯，由于Z向缺少約束其方向的位移變化也較大，但是Y向位移幾乎沒有影響。在節(jié)點140-180處為支管，朝X走向，因此X向的熱位移增大量也較大。熱位移是衡量管道因溫度改變而產(chǎn)生的位移變量。建議在熱位移極大的位置設(shè)置補償器，吸收管道位移，減少支吊架的約束力。建模過程中曾出現(xiàn)的問題與解決方案在管道初次建模時，我按照管道原本設(shè)計，結(jié)合其他類似情況管道，在膨脹節(jié)位置加入了四個方向的限位拉桿，防止膨脹節(jié)由于過度變形而導(dǎo)致的損壞。結(jié)果在進(jìn)行應(yīng)力校核時，發(fā)現(xiàn)二次應(yīng)力有超額點，校核失敗。于是針對應(yīng)力超額點進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)拉桿將膨脹節(jié)兩邊都固定了，使膨脹節(jié)起不到補償熱位移的作用。經(jīng)過查詢