设备管口载荷计算的准确模拟

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应力计算中，设备管口的受力值是关键的校核点。在常规的计算里，-般将设备管口当成 固定点”，或者由设备专业提供设备管口的 端点位移”，再单独计算管道对于设备点的作用力 [1。这种算法忽视了设备与管道的相互作用，与实际偏差较大。对设备内部管道进行建模工作量太大，而且往往设备内部的详细结构不能提供给管道应力分析工程师，因此无法将设备与管道作为-个整体的管道模型来计算应力。

CAESAR I软件是以梁单元模型为基础的有限元分析程序，广泛应用于石油、化工及电力等行业的大型管系应力分析 2。在CAESAR II软件中，阀门常作为 刚性体”与管道-起进行应力分析，分析中只考虑阀门的膨胀、重量等信息，并不对阀门本身的强度进行校核。这种做法给设备与管道的整体模型提供了思路：由于阀门重量需要管道支撑，因此阀门-般作为实质刚体，输入阀门的重量信息；而设备与阀门的区别在于，设备有 自身的支撑结构，无需借助外部管道的支撑。虚拟刚体”是重量为零的刚性体，用于重量对管道应力分析不影响的情况 [3。设备作为- 个整体，无需外围管道系统的支撑，因此，我们把设备作为 虚拟刚体”与管道-起进行应力分析。

1 典型设备的模拟49J化工设备的内部管道有多种形式，但基本可归纳为如下三种：直管、u型管和环管。设备的内部结构不同，模拟方式也会不-样，下文依次选取某项目的几种典型设备，说明如何用 CAESAR I软件中的虚拟刚体”给设备建模〃模后的设备与管道模型连成-个整体进行应力分析。

1.1 直管型1.1.1 基本结构以空冷器为例，某空冷器管束4排，总长 6 m，宽2 m，通过周围构架支撑管束和鼓风机≌冷器管束与管箱是-个整体，搁置在支撑钢结构上，管箱与支撑型钢之间用螺栓连接。管内介质操作温度为270℃。设备结构示意图见图 1，其中a端为物料入口，设备在a端抽出两个接口，以下表示 a，a2；b端为物料出口，出口两个接口分别为b ，b 。

1.1.2 建模考虑到管束和管箱是-个整体，用 虚拟刚体”来模拟它，进出口管嘴用管道模拟。本项目空冷器管箱在 C点、d点、e点、f点通过螺栓与支撑钢结构连接，但 e，f点的螺栓开孔是长圆孔，允许 e，f点在 ，方向28 mm的位移〃模分析如下：本模型将 d点设收稿 日期：2013 04.01作者简介：余玲 (1983-)，女，湖北公安县人，工程师。主要从事工艺配管及管道应用分析工作。

2013年 8月 余玲，等.设备管口栽荷计算的准确模拟胀量只能与设备滑动端的位移-致，其余的热位移需要换热管在设备内部吸收，不在本模型考虑范围内。

2200图3 换热器外形图Fig.3.General view ofhem exchanger磐寄 I。 目1 . l。 l。

l Il图4 换热器压盖结构Fig.4 DeVil view ofthe gland seal壳体管与支管之间采用压盖形式，支管与压盖之间有 2 m/n的活动间隙，因此壳体与支管连接考虑为gap2mm的GUI导向支撑。支管 ，方向未做限位，可以吸收外界对于支管轴向的应力，而由于支管采用u型回旋的方式，外界管道对支管轴向的膨胀并不是自由膨胀，而是有-定刚度限制的膨胀，可由设备提供此处的刚度用于计算。基于以上分析，物料换热器按如图5示意图进行模拟。

图5 换热器管口轴测图Fig.5 Isomeric drawing of he exchanger nozzles1.2.3 结果分析输入相应的结构尺寸，用 虚拟刚体”，GUI”，-Y”等模拟后，选然热器出口7个支点某工况的受力及位移如表3。

由于换热管端伸出设备处采用压盖结构，且有2 mm间隙，因此扭矩为 0；以 方向位移作为分析依据，计算平均位移如下 l：AxK×△TX△L 13.0710-cm/(m·℃ )x(80-15)℃ ×5.3 m4.5m m 软件计算出的7个支管位移平均值约为4.11 mm，与分析值-致。每个支管处的位移值，由于受到外界管道的作用，靠近联箱出口处的位移小，向下依次增加。软件能计算出每个支管的位移及受力，并能考虑设备外管道对管口的影响。

1.3 盘管型1.3.1 基本结构以某盘管加热炉 (见图6)为例，加热炉内为螺旋盘管式结构，炉体内全密封，炉体支撑为立柱式支撑。物料炉所使用的炉管是5头并联2层串联且 2层螺旋盘管同心圆布置的结构。内、外层盘管构成环状烟气夹套，层与层之间用间隙棒固定并控制层间距。

2层螺旋盘管采用串联结构方案，物料流动过程是：2013年8月 余玲，等.设备管口载荷计算的准确模拟Accurate Simulation in C alculation of Load Acting on Nozzles in EquipmentYU Ling，XU Jie(BeijingAerospace Propulsion Institute，Beijing 100166，China)Abstract：Interaction between equipment and outer piping will create an acting force to the nozzle on equipment.This force cannotexceed an alowable value for this equipment，thus，the accurate calculation of the force acting on nozzle is important.Althoughthere are various equipment types，for inner tube，there are three typical shapes-straight tube，U shaped tube an d ring shaped tube。

In this paper，exampled with three typical equipment，by using dummy rigid” defined in software CAESARII，the equipmentwere simulated.In these models，constraints were added，in which equipment and piping was connected into whole body，SO thatthe displacement of sliding end in equipment can be calculated on the basis of taking account of the constraints on the nozzles inequipment.Through the calculation of thermal displacement，the correctness of model was verified，and the result reflected theinteraction betw een equipment an d piping.With this model，multi working conditions cal be calculated，then more accurate nozzleforce value will be resulted and provided。

Keywords： stress calculation；nozzle load；software CAESARII；dummy rigid第二届化工新技术产学研论坛2013年10月 山东·济南主管单位：中国化工经济技术发展中心 山东省石油化学工业协会主办单位：山东石工研究院 山东石工信息中心 中国石油大学 (华东)支持单位：中国化工情报信息协会、上海市化工信息中心、河南石工信息中心、山西省煤化工发展促进中心、山东省炼油化工协会、济南大学、北方胶粘剂与涂料协会、山东化学化工学会、山东石-r，保监测总站、山东省危险化学品登记注册办公室、山东戍本化工产品质量监督检验站会议形式：主题报告项目对接 展览展示专题讨论主题报告：我们将邀请来自工信部、中国石油和化工联合会、中国化工经济技术发展中心、山东势技厅、山东省石油化学工业协会、中国石油大学、山东大学、青岛科技大学、山东师范大学、济南大学、山东石工研究院、济宁市化工研究所等专业机构和科研院所、高校的权威专家学者与企业代表围绕以下几个方面进行交流探讨：1.石油和化学工业经济运行情况2.化 工科技政策解读及导向3.科技选项、申报、规划与管理4.化工热点聚焦及投资机会5.化工前沿技术及应用6.市场现状及前景分析7.新项目、新技术、新趋势8.环保政策与节能减排技术9.国家对化工中小型企业的项目、基金扶持政策及申报办法会议冠名协办、会议赞助隆重招募中地址：济南市文化东路 80号 (250014) 报名热线：0531.86399980 86399950 传真：86399186联系人：李海静 王健 资料下载地址：.ca Emaih dhg###sdchem.net