CAESARⅡ在医药企业管廊蒸汽管道应力分析中的应用.docx

          “CAESARⅡ”在医药企业管廊蒸汽管道应力分析中的应用                    1.2. 付江涛 2、王薇 3. 1、中核第四研究设计工程有限公司 河北省 石家庄市 0500004. 2、石家庄市裕华路小学 河北省 石家庄市 050000内容摘要：管廊上的蒸汽总管在医药企业中常见的管道之一本文就一定工况下对公称直径为DN150～DN400蒸汽管道增加方（矩）形补偿器前后进行对比，并使用“CAESARⅡ”软件对蒸汽管道主要受力点的位移、受力情况及综合应力占许用应力的比率进行了分析，得到在一定工况下方（矩）形补偿器可采用的最小尺寸，为以后相似工程提供设计参考关键词：应力分析；方（矩）形补偿器；尺寸医药企业在产品的生产过程中，经常需要对产品进行加热、浓缩、回收、干燥等步骤，这些单元操作往往需要大量的热量，而低压蒸汽因其具有洁净度好、使用快捷、可控性高、价格相对便宜等特点，被医药企业广泛应用所以在厂区管廊中蒸汽管道极为常见，而相对于管廊中其他的物料管道，蒸汽具有一定的温度，在使用过程中受热后会产生一定的热膨胀量，需要采用自然补偿或补偿器减少应力对管道的影响而补偿器设置的位置、大小及选型需要进行相应的应力计算后进行选型。

目前常用的应力分析软件为CAESARⅡ，其建模的依据是ASME B31.1动力管道和ASMEB31.3等规范在输入蒸汽管道的基本参数（包括管道的材质、外径、壁厚，蒸汽的工作温度、工作压力、设计温度、设计压力等）后，并经设计后可对管道进行应力分析（包括静力分析和动力分析）一、蒸汽管道工艺条件1.工作温度及压力的选择由于医药企业使用的溶媒主要为有机溶剂，同时大部分的有机溶剂沸点不是很高，所以主要用于加热与干燥的蒸汽温度不用过高，一般为0.6-0.8MPa的饱和蒸汽，故本文蒸汽工作压力选择为0.7MPa，工作温度为171℃2.管径与管道壁厚的选择根据医药企业生产规模的不同，分别选择公称直径为DN150、DN200、DN300、DN400四种常见管廊中蒸汽管道的规格结合《化工管路手册》[1]表4.1-9 无缝碳钢管壁厚和本单位工艺室规定，蒸汽管道设计条件见表1表1 蒸汽管道设计条件设计参数管道材料设计参数单位数值20#工作温度℃171工作压力KPa700设计温度℃176设计压力KPa800管道参数公称直径管道规格（mm）保温厚度（mm）保温材料DN150159x4.550离心玻璃棉DN200219x6100离心玻璃棉DN300325x8100离心玻璃棉DN400426x8100离心玻璃棉二、应力分析1.蒸汽管道无补偿时应力分析在管廊蒸汽管道的设计中，一般固定点的距离为50-120m[2]，当蒸汽管道的管径越大、工作温度越高时，间距要求会相应缩小，相反间距可以适当加大，但是间距不能选择过大，否则影响到管道一次应力，过大还会在运行重造成管道失稳。

厂区管廊上的管道一般会设有多个固定端，一节固定端中的管道可以单独计算互不影响，本文研究了蒸汽管道在固定点距离为63m，管架间距为9m时不同管径下的应力分析图1 蒸汽管道无补偿时模型注： 150,220点设置为固定架，160,170,180,190,200,210为滑动架表2 无补偿时管道应力分析管径节点位移综合应力占许用应力的比率受力X mmY mmZ mm%FX N.FY N.FZ N.DN150150（始端）000224.20-758-795751220（末端）000224.20-758795751DN200150（始端）000224.20-1393-1462739220（末端）000224.20-13931462739DN300150（始端）000224.20-2766-2902587220（末端）000224.20-27662902587DN400150（始端）000224.20-3652-3827385220（末端）000224.20-36523827385根据应力分析结果，蒸汽管道在运行时二次应力严重超标，固定端轴向推力为795751-3827385N造成这么大轴向推力是因为蒸汽管道受热后产生热膨胀，又管道两端由固定端固定，中间没有补偿器减少热膨胀的影响，故蒸汽管道在此状态下运行，管架受力过大，增加了结构投资，同时安全事故的风险也加大。

2.蒸汽管道增加补偿后应力分析根据表1得到的结果，需要对蒸汽管道进行优化补偿管道的热膨胀当安装条件、场地没有特殊要求时，方（矩）形补偿器因其造价低，维护少等特点广泛应用于减少蒸汽管道热应力故采用在蒸汽管道中间设置方（矩）形补偿器来减少热膨胀对管道的影响，调整后管道模型详见图2图2 蒸汽管道优化后模型注： 150,220点设置为固定架，160, 180,200,210为滑动架，170,190为导向架表3 改造后管道应力分析管径节点位移综合应力占许用应力的比率受力X mmY mmZ mm%FX N.FY N.FZ N.DN150150（始端）0000.9321-894-27621700032.1366.2144-2512796172-37.218-67.07744.57947.58---177-48.5940.18-10.97378.65---183-48.7940.887-5.39178.84---185-37.457-68.319-60.63247.3---19000-48.1895.80-2514-803220（末端）0002.05-11-7213284DN200150（始端）0003.4132-1672-53691700032.1368.5169-47941489172-37.218-67.07744.57948.1---177-48.5940.18-10.97377.8---183-48.7940.887-5.39178.2---185-37.457-68.319-60.63247.5---19000-48.1897.7254-4800-1516220（末端）0001.5-16-13186271DN300150（始端）0005.7751-3377-131831700032.112.2-228-98353019172-28.888-19.09543.72849.6---177-44.508-0.079-11.14779---183-45.0180.172-5.74679.7---185-29.575-19.425-59.76548.4---19000-48.13710.7233-9847-3271220（末端）0003.193-260115102DN400150（始端）0006.431523-4535-187511700032.08812.82-816-133704256172-22.137-12.05443.44253.67---177-39.478-0.087-10.97877.06---183-40.0490.08-6.11977.99---185-22.975-12.244-59.47651.95---19000-48.12211.04420-3897-1177220（末端）0004.12399-341621092通过调整方（矩）形补偿器的尺寸，将管道中二次应力中综合应力占许用应力的比率控制在80%以下。

由表3看出，综合应力占许用应力的比率最大点出现在节点183处对于DN400直径的管道，此时方（矩）形补偿器的宽为4000mm，长5000mm，二次应力最大的节点为183，综合应力占许用应力的比率为77.99%，对比改造前，两处固定端的综合应力占许用应力的比率也分别由224.2%降低到6.43%和4.12%，解决了二次应力超标问题在此模型基础上，还尝试了增大方（矩）形补偿器的长和宽，还能得到的更低的综合应力占许用应力的比率，对于管道二次应力的受力状况有更好的改善，但是无限的增加会造成占地面积增大，提高土建成本，需要根据现场情况综合考虑，本文不在深入研究在公称直径DN400蒸汽管道模型的基础上，分别分析了DN300,DN200,DN150不同公称直径下蒸汽管道的受力情况尽量在减少占地，降低成本的原则下，对方（矩）形补偿器的尺寸也进行了调整公称直径DN300时,方（矩）形补偿器的宽为4000mm，长4700mm，最大的综合应力占许用应力的比率为79.7%；公称直径DN200时,方（矩）形补偿器的宽为4000mm，长4300mm，最大的综合应力占许用应力的比率为78.2%；公称直径DN150时,方（矩）形补偿器的宽为3600mm，长3700mm，最大的综合应力占许用应力的比率为78.84%。

通过对比，同等工况下的蒸汽管道，在满足蒸汽管道运行的最低要求下，需要的方（矩）形补偿器尺寸成递减趋势三、结论通过CAESARII软件计算及对模型的调整，当厂区管廊上蒸汽管道工作压力为0.7MPa，公称直径为DN150-DN400，跨距为9m时，每60m设置的方（矩）形补偿器的大小可设置宽为4000mm，长5000mm，即可满足管道的热膨胀要求实际设计工作中，由于受项目特点、总平面布置、地形及天气等不同原因，可以根据实际情况在计算模型的基础上进行修改，为蒸汽管道的应力计算与计算提供一个参考参考资料：[1]徐宝东 齐福海.化工管路设计手册[M].北京,化学工业出版社,2011.[2]马大博.浅谈化工装置中蒸汽管道的自然补偿[J].化工管理,2014,(5),169-170.20  -全文完-。