２０１７焦 第２期 管 道 技 术 ５ 设 各 Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ２０１７ Ｎｏ．２ 基于Ａｂａｑｕｓ的蒸汽管道应力分析 曹水亮，石秀山 （中国特种设备检测研究院，北京１０００１３） 摘要：文中针对某装置高温高压蒸汽管道中出现的应力问题，应用结构有限元分析方法对复杂工 况下的蒸汽管道进行应力分析与计算，结果发现其最大应力值超标。通过分析比对，提出增加支吊架 的改进方法，从而降低蒸汽管道所承受的应力，有效防止管道出现过应力失效。 关键词：蒸汽管道；应力分析；支吊架 中图分类号：ＴＫ２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—９６１４（２０１７）０２—０００７－０３ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｔｅａｍ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｂａｑｕｓ ＣＡＯ Ｓｈｕｉ－ｌｉａｎｇ，ＳＨＩ Ｘｉｕ—ｓｈａｎ （Ｃｈｉｎａ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ａｉｍｓ ａｔ ｓｔｒｅｓｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ａｐｐｅａｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉ【ｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔｅａｍ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｏｆ ａ ｄｅｖｉｃｅ，ｓｔｒｕｃ— ｔｒａｌｕ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｃａｌｃ￣ａｔｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅａｍ ｐｉｐｅｌｉｎｅ．ｉｔ ｗａｓ ｆ０ｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｅｘｃｅｅｄｅｄ ｓｔｎｄａｒｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ａｄｄｉｎｇ ｔｈｅ ｈａｎｇｅｒ ｗｅｒｅ ｐｍ￣ｓｏｄ，ｔｈｕｓ ｈｅｌｐｉｎｇ ｔｏ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｅａｍ ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｔｈｕｓ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｏｖｅｒｓｔｒｅｓｓ ｆａｉｌｕｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅａｍ ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｈａｎｇｅｒ ０引言 应力分析过程是—个系统的过程，其需要在管体模型 的基础上，再添加相应的约束条件和载荷，最终提交给计算 在装置输送蒸汽类压力管道中，一方面受到外界 环境的影响，管体易受到腐蚀或者变形影响，因而会 影响蒸汽管道的安全运行；另一方面，在管道运行过 程中，由于受到操作工况（高温高压）的影响，并且管 线长期处于高温高压状态，结构上布局不合理，会使 管体发生疲劳损伤，增大管线发生失效可能性＿１］。因 此．应对高温高压蒸汽管道进行应力分析，并且定期 监测管线应力的大小，防止管道发生失效事故。 机进行数值求解。有限元应力分析过程女ＩＥＩ图１所示。 对弹性区域离散化 单元分析 建立单元方程 进行单元集成， 在节点上加外载荷力 本文介绍某装置高温高压蒸汽管道常见的应力 分析方法，并对该管道当前状态下进行应力分析，提 出改进方法，降低蒸汽管道所承受的应力，以达到降 低事故风险、减少损失的目的。 １应力分析方法 引入位移边界条件 并求鹅 ｌ 得到节点位移 根据弹性力学公式得到 单元应力 管道的应力分析分为静力分析和动力分析。由 于装置内蒸汽管道主要承受蒸汽内压力、管道自身重 力以及温度变化引起的作用力等，因而本文采用静力 分析方法分析该管道的受力情况。 有限元分析（ＦＥＡ）的过程是用较简单的问题代 替复杂问题后再求解［２］。对于结构单元形状较简单 的模型，一般容易满足边界条件，这样容易得到收敛 图１有限元分析流程图 其中，单元分析主要包括以下几个方面： （１）建立位移函数 ＝乏 （１） 式中：Ｙ为位移；Ｏｔ 为插值函数的系数； 为插值函 数；ｉ＝１，２，３，…，ｎ。 于实际情况的精确解。 收稿日期：２０１６—０８－２６ （２）建立单元刚度方程 Ｆ ＝ （２） 第２期 曹水亮等：基于Ａｂａｑｕｓ的蒸汽管道应力分析 ９ 由于此管线未有竖直方向的额外支撑，只有在两 竖直管上方端口位置与容器通过焊接相连，在底部三 通汇合管的上端口与装置底座相连，整个管线仅３处 为降低管线运行安全风险．对管线的支吊架进行 改进。拟在管线底部三通两边各安装一处支吊架，通 过受力分析计算，得出应力云图。 整个管线有５处支吊架，其中底部增加的两处，在 竖直方向可以起到关键的支撑作用，弥补了三支撑时 的不足。通过分析，得出最大应力值为２１２．１ ＭＰａ。 从应力分析结果来看，最大应力值小于管材０．９倍屈 服强度，管线能安全运行。 ４结论 位置在竖直方向起到支撑作用。通过分析，得出最大 应力值为２３２．４ ＭＰａ。由应力分析可知，最大应力值超 过管材０．９倍屈服强度，对管线运行造成安全隐患［４］。 ３改进措施 通过分析，应力较大的主要原因是固定支撑不 够，建议在管线底部直管段两端增加支吊架。 图６为加支吊架后的应力云图。 通过对比分析，可以得出增加管道支吊架前管线 所受最大应力为２３２．４ ＭＰａ。增加管道支吊架后管线 所受最大应力为２１２．１ ＭＰａ。因此，在管道底部增加 支吊架后，管道最大应力值未超过管材Ｏ．９倍屈服强 度，使管线安全运行。 由于蒸汽管道受高温高压作用，并且随着服役时 间的累加、环境因素的影响等，在管道运行期间对其 进行应力分析是必要的。另外。通过应力分析可以为 压力管道设计安装提供参考。 参考文献： ［１］郭延军，陈跃光．支吊架失效与电厂蒸汽管道安全分析 ［Ｊ］．电力设备，２００７（４）：６２—６４． ［２］吴鸿庆，任侠．结构有限元分析［Ｍ］．北京：中国铁道出版 社．２０００． ［３］ 石亦平，周玉蓉．ＡＢＡＱＵＳ有限元分析实例详解［Ｍ］． 北京：机械工业出版社，２００６． 『４］ 油气田及管道建设设计专业标准化委员会．输气管道工 程设计规范：ＧＢ ５０２５１－－２００３『Ｓ］．北京：中国计划出版 社．２００３． 作者简介：曹水亮（１９８６一），硕士，从事压力管道检验检测工 （ｂ） 作。Ｅ．ｍａｉｌ：ｃａｏｌｉａｎｇｚｈ＠１６３．ｃｏｒｎ 图６应力云图（加支吊架后） ｆ上接第６页） ［３］汪冈伟．正、反输运行输油能耗指标的测算［Ｊ］．油气储 运，１９８９，８（３）：１０－１２． ［９］葛腾泽，赵建兴．原油热处理规律研究［Ｊ］．石油规划设 计，２００９，２０（４）：２４—２５；２８． ［１０］ＤＥＳＨＭＵＫＨ Ｓ，ＢＨＡＲＡＭＢＥ Ｄ Ｐ．Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｐｏｕｒ ｐｏｉｎｔ ｄｅｐｒｅｓｓａｎｔｓ ｆｏｒ Ｎａｄａ ｃｒｕｄｅ ｏｉｌ（Ｇｕｊａｒａｔ，Ｉｎｄｉａ） ［４］ 苗永保．英买力凝析油外输投产工艺分析［Ｊ］．油气田地 面工程，２００９，２８（８）：５２—５３． ａｎｄ ｉｔｓ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｏｉｌ ｒｈｅｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌ— ｏｇｙ，２００８，８９（３）：２２７—２３３． ［５］ 聂岚，袁宗明，周子誉，等．热处理作用对含蜡原油流变 性的影响［Ｊ］．石油化工应用，２０１４，３３（１）：７４—７９． ［６］ 王哲，马贵阳，赵状，等．管输含蜡原油降凝技术研究进 展［Ｊ］．当代化工，２０１４，４３（１２）：２５８８－２５９２． ［７］ 张爱晖，程震宇．稠油在低温环境下的伴水输送实验［Ｊ］． 油气储运，２０１３，３２（１）：２０－２２． ［１１］孟令德．含蜡原道结蜡规律与清管周期确定［Ｄ］． 大庆：东北石油大学，２０１２． 『１２］ 李玉春．海拉尔油田集输道安全运行技术研究 ［Ｄ］．大庆：东北石油大学，２０１１． 作者简介：韩明原（１９９５一），研究方向为油气长距离管输技术。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｍｉｎｇｙｕａｎ＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ ［８］ 宝月，彭清华，姜帅．降凝剂机理研究技术进展概论［Ｊ］． 当代化工，２０１５（８）：２０１０－２０１３．
