煤氣管道系統(tǒng)減壓閥組補(bǔ)強(qiáng)分析

摘 要:石化、冶金等大型聯(lián)合企業(yè)煤氣管道系統(tǒng)中的減壓閥組，連接結(jié)構(gòu)形式較多，由于不連續(xù)結(jié)構(gòu)造成應(yīng)力集中的現(xiàn)象較多，目前工程上對其的應(yīng)力分析主要靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，補(bǔ)強(qiáng)方法通常采用整體補(bǔ)強(qiáng)。針對減壓閥組的上述問題，本文通過有限元分析軟件Ansys11.0，以一大型冶金化工聯(lián)合企業(yè)的煤氣管道系統(tǒng)減壓閥組為例，詳細(xì)的進(jìn)行了其各個不連續(xù)連接結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力分析，并提出了相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施，為石化、冶金等大型聯(lián)合企業(yè)煤氣管道系統(tǒng)中的減壓閥組的應(yīng)力分析及補(bǔ)強(qiáng)提供了理論依據(jù)，具有較為重要的意義。

關(guān)鍵詞:減壓閥組 斜接管 加強(qiáng)圈 補(bǔ)強(qiáng)

中圖分類號:TQ547文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(b)-0058-02

Reinforcement analysis of pressure-reducing valve groups in gas piping system

Ling Chen1， Changqing Hu2

(1. Iron-making research department of CISDI Engineering Co. Ltd.， MCC， Chongqing， 400013 )

(2. Power research department of CISDI Engineering Co. Ltd.， MCC， Chongqing， 400013)

Abstract： There are a lot of connection styles of pressure-reducing valve groups in the gas piping system of petrochemical and metallurgical corporations.In addition， many examples of stress concentration often occur because of the discontinuous structure. At present，the analyses of these examples mainly depend on the engineering experience，which means that these stress concentration examples should do the overall reinforcement. In this paper，the stress analysis for the discontinuous structure of a pressure-reducing valve group，which belongs to the gas piping system of a large united metallurgical and petrochemical corporation， has been made by the finite element analysis software Ansys11.0.Based on the detailed analysis，an appropriate reinforcing method for the valve group has been presented.According to the above presentation，this paper provides the theoretical basis for the stress analysis and reinforcement of pressure-reducing valve groups in the gas piping system，and it is useful in the petrochemical and metallurgical corporations.

Key words: pressure-reducing valve groups;pipe with lateral nozzles;reinforcing ring;reinforcement

減壓閥組是通過一系列控制調(diào)節(jié)閥和相應(yīng)的連接管道使管道系統(tǒng)介質(zhì)出口壓力低于進(jìn)口壓力，并保持出口壓力恒定的成套設(shè)備，其廣泛應(yīng)用于化工、冶金、石化、石油、電力等相關(guān)領(lǐng)域[1～6]，特別是大型石化、冶金聯(lián)合企業(yè)的煤氣管道系統(tǒng)，起著降低壓力、穩(wěn)定管網(wǎng)和安全保護(hù)的重要作用，一旦發(fā)生事故，造成的社會和經(jīng)濟(jì)影響十分巨大。因此，煤氣管道系統(tǒng)減壓閥組的安全運(yùn)行十分重要。

影響減壓閥組安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件為連接進(jìn)出口前后的連接管道，在實(shí)際的生產(chǎn)條件中，受減壓閥組的閥門選取、現(xiàn)場安裝條件等條件影響，減壓閥組的連接結(jié)構(gòu)形式較多，不連續(xù)結(jié)構(gòu)造成應(yīng)力集中的現(xiàn)象較多，再加上板厚負(fù)偏差和腐蝕裕量，使得減壓閥組連接管道的設(shè)計(jì)十分復(fù)雜。目前工程上對減壓閥組的應(yīng)力分析主要靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，補(bǔ)強(qiáng)方法通常采用整體補(bǔ)強(qiáng)。整體補(bǔ)強(qiáng)會導(dǎo)致設(shè)備材料的浪費(fèi)，同時，在某些特殊的安裝場合，會出現(xiàn)無法進(jìn)行正常安裝從而影響生產(chǎn)的情況。

針對減壓閥組的上述情況，本文以一大型冶金化工聯(lián)合企業(yè)的煤氣管道系統(tǒng)減壓閥組為例，通過有限元分析軟件Ansys11.0，詳細(xì)的進(jìn)行了其各個不連續(xù)連接結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力分析，并提出了相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施，為石化、冶金等大型聯(lián)合企業(yè)煤氣管道系統(tǒng)中的減壓閥組的應(yīng)力分析及補(bǔ)強(qiáng)提供了理論依據(jù)，具有較為重要的意義。

1 煤氣管道系統(tǒng)減壓閥組補(bǔ)強(qiáng)分析

1.1 減壓閥組模型單元

圖1所示為一大型冶金化工聯(lián)合企業(yè)的煤氣管道系統(tǒng)減壓閥組，其由三個DN900調(diào)節(jié)閥、一個DN600調(diào)節(jié)閥和一系列相應(yīng)的接管組成，具體設(shè)計(jì)條件見表1。

對上述煤氣管道系統(tǒng)減壓閥組進(jìn)行簡化建模，管道的支承以邊界約束的形式給出，上述減壓閥組的模型邊界條件如圖2。

模型分析采用三維殼體單元SHELL181進(jìn)行模擬，節(jié)點(diǎn)總數(shù)79378個，單元總數(shù)79522個。

1.2 減壓閥組應(yīng)力分析

按表1所述的設(shè)計(jì)條件，對上述煤氣管道減壓閥組進(jìn)行初步的應(yīng)力分析計(jì)算，應(yīng)力強(qiáng)度評判標(biāo)準(zhǔn)按《GB150-1998鋼制壓力容器》[7]，材料在設(shè)計(jì)溫度(300℃)下的許用應(yīng)力[S]為86MPa，楊氏模量196GPa。

計(jì)算結(jié)果表明:左錐體段(減壓閥組前)的斜接管大開孔處應(yīng)力很高，左錐體段需取厚度19mm、DN900接管(左)需取厚度10mm左右才能滿足規(guī)范要求;再考慮設(shè)計(jì)要求的-12.5％的板厚負(fù)偏差和2mm的腐蝕裕量，則上述部位的厚度需要取到24mm、14mm左右才能滿足規(guī)范。上述厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了初始設(shè)計(jì)的板厚，如采用整體補(bǔ)強(qiáng)的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，用材上較為浪費(fèi)，且會造成下方的閥門支撐平臺載荷增加。因此，必須采用其它的補(bǔ)強(qiáng)方法對上述減壓閥組進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

從計(jì)算結(jié)果和常識可知，最大應(yīng)力發(fā)生在左錐體段(減壓閥組前)的斜接管大開孔處，從前期研究[8]可知:對于斜接管補(bǔ)強(qiáng)常用的等面積補(bǔ)強(qiáng)和控制變形補(bǔ)強(qiáng)法來說，控制變形補(bǔ)強(qiáng)法的效果要明顯優(yōu)于等面積補(bǔ)強(qiáng);另外，控制變形法中，外部加強(qiáng)(如外部增焊角鋼、加強(qiáng)圈、鋼板等)和內(nèi)部增設(shè)隔板的補(bǔ)強(qiáng)方式最優(yōu)。由于本次分析對象的介質(zhì)是煤氣，為避免影響管道內(nèi)部的煤氣介質(zhì)流動特性，不宜在管道內(nèi)增設(shè)隔板;同時，由于施工原因，不宜在薄弱部位外部增焊角鋼。考慮到上述原因，對于本次分析的減壓閥組的補(bǔ)強(qiáng)宜采用斜接管大開孔處增設(shè)適當(dāng)寬度、厚度的加強(qiáng)圈的方法進(jìn)行。

1.3 減壓閥組補(bǔ)強(qiáng)分析與計(jì)算

從2.2可知，最大應(yīng)力發(fā)生在左錐體段(減壓閥組前)的斜接管大開孔處，采用對該處斜接管增設(shè)加強(qiáng)圈的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。經(jīng)計(jì)算優(yōu)化，在模型中左端大開孔處分別取200mm寬加強(qiáng)圈(錐體段和DN900接管在開孔處均取200mm寬加強(qiáng)圈)，見圖3所示。

在保證加強(qiáng)圈處厚度的前提下，左錐體段(減壓閥組前)主體的厚度為14mm，減壓閥組前其余部分以及整個減壓閥組后的板厚為10mm，具體見表2。

需要注意的是對左斜接管斜段(DN900)加強(qiáng)圈部位，由于接管本身為10mm，而根據(jù)計(jì)算得到的加強(qiáng)圈板厚只需4mm，因此可以直接就把該部位的接管做成14mm。

按上述補(bǔ)強(qiáng)方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，并進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)后的應(yīng)力分析計(jì)算，計(jì)算和強(qiáng)度評定結(jié)果如圖4(a～c)和表3所示。

從圖4和表3可知，采用加強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的方式，對減壓閥組高壓力入口端(左端)的斜接管大開孔處進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)后，其一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度、一次＋二次應(yīng)力強(qiáng)度和一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度均滿足《GB150-1998鋼制壓力容器》的許用應(yīng)力要求。因此，上述補(bǔ)強(qiáng)方式是可行的，且局部補(bǔ)強(qiáng)節(jié)省了大量的材料，對減壓閥組的造價、載荷、安裝均十分有益。

2 結(jié)語

本文以一大型冶金化工聯(lián)合企業(yè)的煤氣管道系統(tǒng)減壓閥組為例，對煤氣管道系統(tǒng)減壓閥組的補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得到如下結(jié)論:煤氣管道系統(tǒng)減壓閥組的薄弱部位在高壓端的斜接管大開孔處;對煤氣管道系統(tǒng)減壓閥組的補(bǔ)強(qiáng)可采用控制變形的局部補(bǔ)強(qiáng)方式代替整體補(bǔ)強(qiáng);對煤氣管道系統(tǒng)減壓閥組，采用加強(qiáng)圈對高壓端斜接管大開孔處的薄弱地位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，而其它地方按常規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即可滿足規(guī)范要求，此種方法較為優(yōu)化。

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