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雙螺栓管夾在電力、石化管系靜應(yīng)力的分析方法

 

  工程上實際出現(xiàn)的雙螺栓管夾在管系情況是 復(fù)雜的。從承受的載荷來講,管系承受的載荷種類是比較多的;從空間布置上來講,管系既可能具有簡單的平面走向,又可能具有復(fù)雜的空間走向;從邊界條件上來講,它既可能與剛度較大的設(shè)備相連,又可能與對外載荷比較敏感的機(jī)械相連;從約束條件上來講,它既可能受到剛性約束,又可能受到彈性約束,同時還會因設(shè)備的熱脹和不均勻下沉等給管系一個附加位移;從工作工況上來講,它既可能在常溫的試驗工況下工作,又可能在高溫或低溫的操作工況下工作。因此,雙螺栓管夾對管系的應(yīng)力計算并不是一件容易的事。對某些簡單管系,可以利用材料力學(xué)理論,通過建立其靜力平衡方程、物理方程、幾何方程來求解它的力和應(yīng)力。但對于復(fù)雜的靜不定管系,雙螺栓管夾僅僅利用材料力學(xué)的理論是無法求解的,此時 需要借助于結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論來求解,然后利用彈性力學(xué)或塑性力學(xué)的準(zhǔn)則建立其強(qiáng)度判定條件。事實上,對于復(fù)雜的空間管系,目前眾多的應(yīng)力計算都是以結(jié)構(gòu)力學(xué)理論為基礎(chǔ)建立起來的。

  雙螺栓管夾無論是采用材料力學(xué)理論還是結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,對于復(fù)雜的空間管系,都將面臨建立許多方程(包括靜力平衡方程、物理方程、幾何方程等)并對方程求解的問題。當(dāng)這樣的方程數(shù)量太多時,用手工進(jìn)行計算有時是不現(xiàn)實的,它可能需要花費數(shù)日、數(shù)月甚至幾年的時間才能得出結(jié)果。為此,管系靜力的求解方法則根據(jù)管系的復(fù)雜程度而派生出許多類型。這些方法大致可以分為以下三類:近似計算法、圖表法和矩陣解析法。
  1、近似計算法
  雙螺栓管夾主要是針對形狀和邊界條件比較簡單的管系,在進(jìn)行了一些假設(shè)之后,給出來一個近似的簡單判斷式。這類計算方法的代表是ANSI簡單判斷式。除ANSI簡單判斷式之外,還有導(dǎo)向懸臂法、彈性中心法等一些近似計算法在設(shè)計中也時常用到。ANSI簡單判斷式目前已被列入許多相關(guān)規(guī)范(如ANSI  B31.3和SHJ41標(biāo)準(zhǔn))中。
   2、圖表法
   這類方法是通過其它方法對一些形狀比較簡單且比較固定的管系(如π形補償器)進(jìn)行系列性的數(shù)據(jù)計算,并將計算結(jié)果列成圖表,雙螺栓管夾設(shè)計人員在設(shè)計過程中通過查找相應(yīng)的圖表 可判斷管系的應(yīng)力是否符合要求,或者根據(jù)圖表數(shù)據(jù)來確定管道的補償臂長。這類方法的代表有凱洛格法、Tube法和Turn法等。
   3、矩陣解析法
   這種方法是計算機(jī)管系應(yīng)力計算的基礎(chǔ)。它是利用結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論來建立管道的力學(xué)方程,通過矩陣傳遞原理形成關(guān)聯(lián)方程組,并將方程組的求解轉(zhuǎn)化為矩陣的求解,然后利用彈性力學(xué)和塑性力學(xué)的準(zhǔn)則建立強(qiáng)度判斷條件。雙螺栓管夾以矩陣解析法為基礎(chǔ)的應(yīng)力分析程序已有很多, 我國常用的雙螺栓管夾在管道應(yīng)力分析程序而言, 有SAP-5分析程序、等值剛度法分析程序、CAESARⅡ分析程序等。
   SAP-5程序是我國從國外引進(jìn)的 早應(yīng)用的應(yīng)力分析程序。它是一個大型的結(jié)構(gòu)線彈性計算通用程序,可用于各種結(jié)構(gòu)(包括結(jié)構(gòu) 、加熱爐 的鋼結(jié)構(gòu)等)的應(yīng)力計算。其中的管道應(yīng)力計算部分既可進(jìn)行靜力計算,又可進(jìn)行動力計算。但由于它不是管道應(yīng)力分析的專用程序,雙螺栓管夾輸出的結(jié)果只有內(nèi)力而沒有應(yīng)力,輸入的方法也比較繁瑣,使用很不方便,故國內(nèi)不少使用單位都增加了前端處理和后端處理。目前該計算程序已基本不再使用。
   等值剛度法應(yīng)力分析程序也是較早應(yīng)用的管系應(yīng)力計算程序。它是由電力系統(tǒng)開發(fā)的程序,可用于計算管道內(nèi)壓、自重、熱膨脹、端點位移等荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力和各點的位移。但該程序的功能不太全,應(yīng)用不如CAESARⅡ靈活,雙螺栓管夾計算精度也比較差,故目前也基本不再使用。
   CAESARⅡ應(yīng)力分析程序是目前應(yīng)用 普遍的管道應(yīng)力分析程序,它是由美國COADE公司開發(fā)編制的。該程序的功能比較全,可在微機(jī)上操作,因此雙螺栓管夾在石油化工管道設(shè)計中得到了 應(yīng)用。該程序除可以進(jìn)行管道的靜力分析和動力分析外,還可進(jìn)行非埋地管道的抗震分析、管系中管道元件或接頭的局部應(yīng)力分析、法蘭泄漏分析等。它也允許計入管系中管道元件的摩擦力,但由于摩擦力是非線性的,故有時會使計算時間較長,甚至算不出結(jié)果。
   除了上面介紹的幾類常用管道應(yīng)力計算方法外,目前還有一些其它方法在工程中也時有用到,如有限元計算法,而且新的其它應(yīng)力計算方法也在不斷出現(xiàn)。這些方法呈現(xiàn)出朝著兩個相反方向發(fā)展的 點,其一是針對簡單管系的計算方法,新的方法朝著如何快速、便捷地判斷管系的強(qiáng)度是否 的方向發(fā)展,雙螺栓管夾以節(jié)省管系強(qiáng)度判斷的人力和物力;其二是針對雙螺栓管夾在復(fù)雜管系的計算方法,新的方法則朝著功能 強(qiáng)大、計算機(jī)操作 快捷方便的方向發(fā)展,而且程序中存入大量的常用數(shù)據(jù)可隨時調(diào)用,以減少輸入的工作量。
   在工程設(shè)計中,究竟采用何種應(yīng)力分析方法應(yīng)視管系的空間形狀、管道的操作條件(高溫、高壓、大口徑等)、與管系相連的設(shè)備(是否屬敏感設(shè)備)等進(jìn)行選擇。對操作條件緩和、相連設(shè)備對管系的附加力不敏感、管系空間形狀簡單且符合簡單判斷式或圖表法分析條件的管系,不一定非要采用計算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)計算和分析,以降低設(shè)計成本。
   一般情況下,下列雙螺栓管夾在管道所形成的管系應(yīng)采用計算機(jī)分析程序進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析:
   a、進(jìn)出加熱爐及蒸汽發(fā)生器的高溫管道;
   b、進(jìn)出汽輪機(jī)的蒸汽管道;
   c、進(jìn)出離心壓縮機(jī)、透平、鼓風(fēng)機(jī)的工藝管道;
   d、進(jìn)出離心分離機(jī)的工藝管道;
   e、進(jìn)出高溫反應(yīng)器的工藝管道、雙螺栓管夾;
   f、溫度超過400℃的管道;
   g、利用圖表或其他簡化法初步分析后,表明需要進(jìn)一步詳細(xì)分析的管道;
   h、與有受力要求的其他設(shè)備相連的管道。
   對此,某些資料上給出了 具可操作性的規(guī)定,在此一并介紹給讀者,供參考。下面是某些雙螺栓管夾資料給出的應(yīng)采用計算機(jī)分析程序進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析的管道條件:
   a、操作溫度大于等于400℃的所有規(guī)格的管道;
   b、DN80,操作溫度大于等于300℃或低于等于-20℃的管道;
   c、DN150,操作溫度大于等于200℃的管道;
   d、DN650的大口徑管道;
   e、DN300的真空管道;
   f、與敏感設(shè)備(如泵、壓縮機(jī)、蒸汽透平等)相連的工藝管道和蒸汽管道;
   g、用簡單計算法判斷補償不夠或者用圖表法無法查到管道;
   h、有雙螺栓管夾的管道;
   i、有波紋膨脹節(jié)的管道、雙螺栓管夾;
   j、有冷緊的管道。
   除此之外,對下列雙螺栓管夾在管道應(yīng)根據(jù)具體情況確定是否需要用計算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析:
   a、貴重金屬管道(如合金鋼、不銹鋼、 殊耐熱鋼、超低溫用鋼管道等);
   b、開仃工頻繁的管道;
c、直管部分較長、熱脹冷縮量較大的管道;
   d、相連機(jī)械或設(shè)備的管口有較大位移的管道;
   e、剛度較大的厚壁管道;
   f、劇毒介質(zhì)管道。
   雙螺栓管夾對于與運行良好的管道形狀、條件等相同或基本相同的管道,或者與經(jīng)過詳細(xì)應(yīng)力分析并且合格的管道形狀、條件相同或基本相當(dāng)?shù)墓艿?,可以不再進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析。
   有關(guān)雙螺栓管夾在管系靜應(yīng)力的分析方法在一些專著和手冊中已經(jīng)有了不少的介紹,本書僅介紹兩種工程上常用的方法,即ANSI簡單判斷法和CAESARⅡ計算機(jī)詳細(xì)分析法兩種。

滄州力瑞管道設(shè)備有限公司    雙螺栓管夾    http://dbfans.com.cn/CPML/KDSK/

 

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