夾套伴熱式壓力管道設(shè)計

沈 強

（神華工程技術(shù)有限公司安徽分公司，安徽合肥 230009）

以某工廠反應(yīng)釜中的工程實際管線設(shè)計為例，分析管道力學(xué)分析的內(nèi)容和方法以及夾套伴熱式壓力管道的設(shè)計思路和方法，該工程實際管線位于該工廠1號和2號反應(yīng)釜之間，其中1號反應(yīng)釜底部裝有物料輸送泵，該泵使用管線與1號和2號反應(yīng)釜相互連接，而且輸送泵輸送的物料為熔融狀態(tài)。所以該管線需要使用夾套伴熱式壓力管道，防止物料輸送的過程中熱量散失最后凝固。

1 管道力學(xué)分析的內(nèi)容和方法

1.1 壓力管道的特點

1.1.1 應(yīng)用管理環(huán)節(jié)多

工業(yè)生產(chǎn)過程中一般使用的壓力設(shè)備分為壓力容器和壓力管道兩種，但是有些物料輸送過程中無法使用壓力容器，壓力管道的使用是必須的，但是壓力管道與壓力容器相比應(yīng)用管理環(huán)節(jié)要多很多，壓力管道的種類比壓力容器多，工廠使用壓力管道的數(shù)量比壓力容器大，而且壓力管道的設(shè)計、制造和安裝等過程均比壓力容器復(fù)雜，所以壓力管道的應(yīng)用管理環(huán)節(jié)多。

1.1.2 邊界條件復(fù)雜

壓力管道的長度比其他設(shè)備更長，所以在設(shè)計過程中需要考慮的因素就更多，設(shè)備因素、支撐因素、地理位置因素、城市規(guī)劃因素等均對壓力管道有一定的影響。工業(yè)生產(chǎn)中壓力管道的作用一般為輸送物料，而且輸送物料的管道跨越的空間比較大，尤其是長輸管道。為了計算壓力管道的薄膜應(yīng)力，必須考慮設(shè)備因素、支撐因素、熱脹冷縮因素以及振動因素，因此壓力管道的邊界條件比較復(fù)雜。

1.1.3 安裝工作量大

工業(yè)生產(chǎn)過程中很多流程都需要使用壓力管道輸送物料，壓力管道比較長、跨越空間大、種類多，所以壓力管道安裝的過程中需要注意的安全隱患比較多，壓力管道安裝的工作量比較大。

1.1.4 應(yīng)用種類多

工業(yè)生產(chǎn)中流程較多且比較復(fù)雜，每個階段需要的物料種類都是不同的，不同生產(chǎn)流程中輸送管道的要求也有所不同，因此工廠需要使用多種類型的壓力管道才能滿足工業(yè)生產(chǎn)各個流程的需求。

1.1.5 質(zhì)量控制難

工業(yè)生產(chǎn)對壓力管道的要求比較高，管道的質(zhì)量必須達到要求才能正常使用。但是管道在使用中的質(zhì)量受到操作、環(huán)境、應(yīng)用、制造工藝、材料等因素的影響，管道質(zhì)量必須同時對這些因素進行控制才能符合工業(yè)生產(chǎn)中物料輸送的要求。所以壓力管道必須充分結(jié)合金屬材料學(xué)、金屬腐蝕學(xué)、材料力學(xué)、振動學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科知識，否則不能控制壓力管道的質(zhì)量，這些屬于壓力管道在設(shè)計階段需要控制的因素，設(shè)計階段滿足要求后再對制造、安裝以及應(yīng)用三個環(huán)節(jié)進行控制，才能保證壓力管道能夠安全輸送物料且經(jīng)濟合理。

1.2 管道力學(xué)的內(nèi)容

1.2.1 管道靜力分析

壓力管道應(yīng)該在計算壓力載荷和持續(xù)載荷作用、熱脹冷縮以及端點附加位移載荷作用、管道對設(shè)備作用、支吊架受力以及法蘭受力五種情況下進行靜力分析，防止壓力管道塑性變形被破壞、疲勞破壞或者不能正常運行。

1.2.2 管道動力分析

壓力管道應(yīng)該對自振頻率、強迫振動響應(yīng)進行動力分析，防止管道系統(tǒng)共振或者振動不受控制。往復(fù)壓縮泵應(yīng)該對柱頻率、壓力脈動進行動力分析，防止往復(fù)壓縮泵氣柱共振或者壓力脈動不受控制。

1.2.3 管道載荷分析

壓力管道的載荷分析可以具體分為：管道自身、保溫狀態(tài)下、輸送物料狀態(tài)下的重力載荷；內(nèi)部和外部的壓力載荷；熱脹冷縮、支撐等方面的位移載荷；自然因素中的風(fēng)載荷和地震載荷；閥門起閉時的瞬變流沖擊載荷；兩相流脈動載荷；往復(fù)壓縮泵產(chǎn)生的壓力脈動載荷；設(shè)備簡諧運動產(chǎn)生的機械振動載荷；其余應(yīng)力載荷。

1.3 管系靜應(yīng)力分析方法

本文主要介紹矩陣解析法，該種方法的原理是通過結(jié)構(gòu)力學(xué)建立管道的力學(xué)方程，然后以矩陣的形式聯(lián)立不同的力學(xué)方程形成關(guān)聯(lián)方程組，最后求出關(guān)聯(lián)方程組的解即可得到強度判斷條件，求解的過程中還需要使用彈性和塑性力學(xué)準(zhǔn)則。矩陣解析法求解一般需要使用SAP-5、CAESAR Ⅱ、等值剛度、SIMFLEX-Ⅱ等分析程序。SAP-5分析程序是我國最開始使用的一種，是從國外引進的，該程序可以計算大型的結(jié)構(gòu)彈性以及不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，包括壓力管道的靜力分析和動力分析，但是該分析程序操作比較復(fù)雜，當(dāng)前已經(jīng)被市場淘汰。而等值剛度分析程序與SAP-5類似，都是早期使用的管系靜應(yīng)力分析程序，由于功能性不足的原因當(dāng)前也已經(jīng)不再使用。CAESAR Ⅱ和SIMFLEX-Ⅱ分析程序是當(dāng)前主要使用的兩種，但是CAESAR Ⅱ分析程序?qū)σ恍┓蔷€性應(yīng)力的受力分析計算有所不足，所以該方法具有局限性。而SIMFLEX-Ⅱ則相對功能比較全面、操作比較簡單、適合大多數(shù)關(guān)系靜應(yīng)力分析的計算，所以當(dāng)前市場主要使用SIMFLEX-Ⅱ分析程序?qū)芟奠o應(yīng)力進行分析和計算。

1.4 SIMFLEX-Ⅱ應(yīng)力分析法

SIMFLEX-Ⅱ應(yīng)力分析法分為數(shù)據(jù)輸入、程序運行、計算結(jié)果分析與判定三個步驟，數(shù)據(jù)輸入步驟需要選擇管道走向變化的位置、管道界面尺寸變化的位置、管道支吊架的位置、固定端位置、剛或柔件兩端位置、冷緊扣兩端位置以及載荷集中位置的數(shù)據(jù)，具體可以分為溫度、材料、應(yīng)力、彈性模量、泊松比、密度、厚度、形狀、結(jié)構(gòu)、約束條件、位移、端點類型、載荷等方面的參數(shù)。程序運行之前需要對數(shù)據(jù)輸入的正確性進行檢查，有一些數(shù)據(jù)輸入錯誤出現(xiàn)明顯的邏輯不合理，此時SIMFLEX-Ⅱ分析程序會發(fā)出錯誤警報并提醒對輸入數(shù)據(jù)進行修改，而有些分析程序檢查不出來的錯誤則需要人工進行再次檢查。數(shù)據(jù)檢查完成之后可以利用自重載荷、溫度工況、壓力工況、集中載荷、位移載荷等參數(shù)計算出操作工況下管系對邊界的推理、管系輸入數(shù)據(jù)中各點的一次應(yīng)力值和二次應(yīng)力值。計算結(jié)果分析和判斷需要分別對一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、位移分析、推力和力矩分析進行評定。如果評定結(jié)果發(fā)現(xiàn)強度過高可以適當(dāng)對管系設(shè)計進行修改，壓力管道的設(shè)計不只需要保證強度、材料等性能符合要求，還要盡可能地降低管道成本，所以這種情況下降低材料的強度達到縮小成本的目的是必要的。

1.5 管系的熱脹及柔性設(shè)計

管系熱脹的膨脹量公式如下：

公式（1）中各指標(biāo)意義如下：Δt為壓力管道在溫度為T時的膨脹量，單位為mm；at為壓力管道在溫度為T時的熱膨脹系數(shù)，單位為℃，一般T=20℃時at=0；ΔT為壓力管道提高的溫度；l為壓力管道的長度，單位為mm。

根據(jù)材料力學(xué)理論可以得到管道壓縮變形量的公式如下：

公式（2）和（3）中各指標(biāo)意義如下：Δt與l的指標(biāo)與上文相同；εt為壓力管道的應(yīng)變量；σt為壓力管道內(nèi)的應(yīng)力，單位為MPa；E為壓力管道的彈性模量。

由式（1）和公式（2）、（3）可知：壓力管道受熱膨脹時長度和溫度成正比；壓力管道端點的位置量與膨脹量相同；壓力管道的溫度和線膨脹系數(shù)與截面積成正比關(guān)系；壓力管道的推力與內(nèi)力值相等。

因此，管道柔性設(shè)計需要分別從空間走向和尺寸、管道輔助設(shè)施的剛度、管道中間支撐、管道柔性元件的應(yīng)用、管道摩擦力以及管道冷緊等方面進行設(shè)計。管道的空間走向應(yīng)該盡量以長度最短和拐彎最少為主，如果管道柔性因素未達到要求，可以適當(dāng)改變其空間走向和結(jié)構(gòu)尺寸。管道輔助設(shè)施需要緩解管道的柔性矛盾，所以其他剛度必須滿足受力能力，同時在管道與輔助設(shè)施的連接位置可以使用柔性管件進行連接，同樣可以起到緩解管道柔性矛盾的作用。管路可采用彈簧支吊架來提高管路柔性，剛性支架對管路起支撐作用，但也限制管路位移，熱膨脹時管路受剛性支架影響。大直徑壓力管道的摩擦力比較大，管道摩擦力設(shè)計時需要考慮到摩擦力對支架的影響。管道冷緊也是設(shè)計時必須要考慮的因素，管道與敏感設(shè)備連接不能采用冷緊，冷緊會對管道施加附加力，不利于管道的穩(wěn)定運行。

2 夾套伴熱式壓力管道設(shè)計

2.1 工藝流程

本文主要設(shè)計的壓力管道位于工廠的1號和2號反應(yīng)釜之間，1號反應(yīng)釜下方的出口與管道輸送泵的入口相互連接，管道輸送的出口與2號反應(yīng)釜的入口相互連接，該管道負責(zé)將1號反應(yīng)釜的產(chǎn)物輸送到2號反應(yīng)釜中作為原料參與反應(yīng)。1號反應(yīng)釜生成的是熔融狀態(tài)產(chǎn)物，壓力管道需要輸送高溫產(chǎn)物。所以該工廠工業(yè)生產(chǎn)中需要使用夾套伴熱式壓力管道，伴熱溫度平均值為246℃，管道壓力為1MPa，需要保證輸送管道中的熔融狀態(tài)物料溫度維持在200℃，所以夾套管的材料使用厚度為30mm 的巖棉。在管道輸送泵的作用下，熔融狀態(tài)物料的平均壓力為1.3MPa。因此根據(jù)工藝流程可以計算出該壓力管道的外部夾套管應(yīng)該選擇外徑為6英寸的管線，內(nèi)部壓力管道應(yīng)該選擇外徑為4英寸的管線，管線的連接位置使用等級為300磅的不銹鋼法蘭。根據(jù)管道中物料的溫度和壓力以及操作溫度可以判斷該管道設(shè)計的要求為B 級。

2.2 泵出口管線設(shè)計

由于夾套伴熱式壓力管道輸送的物料溫度達200℃，在操作狀態(tài)下會產(chǎn)生較大的熱膨脹。因此本文使用SIMFLEX-Ⅱ應(yīng)力分析法對其進行柔性分析，通過柔性材料的使用降低熱膨脹對管道產(chǎn)生的力、力矩和二次應(yīng)力。本文根據(jù)泵口受力情況的不同分別設(shè)計出圖1中三種夾套伴熱式壓力管道方案。

圖1 夾套伴熱式壓力管道設(shè)計方案

圖1（a）夾套伴熱式壓力管道設(shè)計方案中泵出口管線直接合并，圖1（b）夾套伴熱式壓力管道設(shè)計方案中泵出口CA-201B 側(cè)加長了400mm，圖1（c）夾套伴熱式壓力管道設(shè)計方案中在58點增加豎向支撐。

如果用FXX 表示管道X 軸的軸向力、FYY 表示管道Y 軸的軸向力、FZZ 表示管道Z 軸的軸向力、FRA 表示管道的軸向力合力、MXX 表示管道的X 軸力矩、MYY 表示管道的Y 軸力矩、MZZ 表示管道的Z 軸力矩、MRA 表示管道的合力矩，圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）中管道的泵出口分別為CA-201A 和CA-201B，則可以得到CA-201A 側(cè)泵出口的受力分析情況如表1所示；CA-201B 側(cè)泵出口的受力分析情況如表2所示：

表1 CA-201A側(cè)泵出口的受力分析情況

表2 CA-201B側(cè)泵出口的受力分析情況

由表1可知，CA-201A 側(cè)泵出口的受力分析情況中，設(shè)計方案3表現(xiàn)最好，且設(shè)計方案3能夠滿足夾套伴熱式壓力管道的設(shè)計要求。

由表2可知，CA-201B 側(cè)泵出口的受力分析情況中，設(shè)計方案3表現(xiàn)最好，且設(shè)計方案3能夠滿足夾套伴熱式壓力管道的設(shè)計要求。

因此，無論是CA-201A 側(cè)還是CA-201B 側(cè)，夾套伴熱式壓力管道設(shè)計方案3都能夠滿足要求。

2.3 管線的應(yīng)力分析

管線的盈利分析一般分為兩種情況，第一種情況為工廠停工或者安裝管道階段，此時管道的溫度與室溫基本保持一致，本文對該種情況下管線的受力分析溫度取20℃。第二種情況為工廠運行中，此時管道的溫度需要保持在200℃，但是由于管道中熔融狀態(tài)物料進入到管線之中時溫度為246℃，所以管線的操作溫度為200℃和246℃。溫度不同管線的應(yīng)力情況也各不相同，由于管線的操作溫度存在一定的差異，所以管道的各段應(yīng)力情況也有一定的差異。安裝和停工狀態(tài)管線不會發(fā)生熱膨脹、振動、脈動等情況，在重力影響下應(yīng)力情況相對穩(wěn)定。操作狀態(tài)下，管道泵口受熱膨脹的影響會發(fā)生偏離，端點發(fā)生位移。該操作狀態(tài)平均溫度為135℃，該管道的熱膨脹系數(shù)為1.3417mm/m，設(shè)備橫向位移和縱向位移距離分別為650mm 和1345.5mm，所以可以計算出端點的橫向位移和縱向位移分別為0.65×1.3417=0.872mm、1.3455×1.3417=1.81mm。因此CA-201A 端位移為（-0.872，-1.81，0），CA-201B 端位移為（0，3.259，-0.543），符合設(shè)計要求。

2.4 運行情況調(diào)查

夾套伴熱式壓力管道設(shè)計方案3在2017年投入某工廠正式使用，根據(jù)該工廠反饋回來的使用情況可知，該設(shè)計方案完全滿足該工廠生產(chǎn)工藝的需求，既保證了輸送物料的過程中不會散失大量熱量凝固，又保證了該管道不會因熱脹而受損。

3 結(jié)束語

綜上所述，夾套伴熱式壓力管道設(shè)計既需要保證工藝和機械性符合要求，又要滿足生產(chǎn)實際要求。管線柔性設(shè)計可以保證泵口荷重滿足要求，管線測量重量是為了降低自身荷重和熱脹的影響，管線工藝要求設(shè)計是為了滿足設(shè)計方面的要求，管線波紋膨脹節(jié)形式與夾套伴熱式膨脹節(jié)共同使用可以滿足工藝方面的要求，不銹鋼片波紋膨脹節(jié)可以保證機械性符合要求，SIMFLEX-Ⅱ程序在設(shè)計中使用可以保證管線在操作溫度和壓力下可以正常工作。