管道应力

管道应力（通用9篇）

管道应力 篇1

1 前言

工业管道设计主要包括装置设备的布置、管道布置、管道材料设计和管道应力分析四项工作, 其中工业管道应力分析是工业管道设计安全、经济和合理的保障和重要方式。

当管道在外力作用下不能产生位移时, 管道的几何形状和尺寸将发生变化, 这种形变称之为应变。管道变形的基本形式可分为拉伸 (压缩) 、剪切、扭转和弯曲四种, 受多种荷载作用的管道变形都可视为这四种基本变形的组合。管道的基本变形形式是解决复杂应力状态问题的基础。本文主要针对工业管道应力分析作简要说明。

2 应力概念及特点

管道及其元件能够承受的最大荷载除与材料本身的物理性能 (如材料的刚度和强度) 有关外, 还与其规格尺寸、壁厚、结构形状、空间布置等有关。管道及其元件的破坏实质上反映了材料物理性能的破坏, 即受力超出了材料性能指标。将管道元件的受力与材料物理性能指标挂钩, 消除管道元件的规格尺寸、壁厚、结构形状等因素的影响而直接以材料的性能指标作为设计判据。

应力一般随外力的增加而增长, 但对任一管道材料, 当应力超过管道材料能承受的限度时, 材料就会破坏, 此时这个极限称为该材料的极限应力。极限应力通过材料的力学实验来测定。将测定的极限应力作适当的降低, 规定出材料能安全工作的应力最大值, 这就是许用应力。材料若要安全使用, 则在使用时其内应力应低于其极限应力, 否则在使用时材料会发生破坏。

材料在工作时, 其内部的应力可分为静应力、交变应力和应力集中三种。材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏, 材料所能承受的交变应力远低于其静载下的强度极限。另外, 材料由于截面形状的改变而引起应力局部增大, 这种现象称为应力集中。对于组织均匀的脆性材料, 应力集中将大大降低构件的强度, 设计时应特别注意。

3 管道应力分类

管道在压力荷载、机械荷载及热负荷等作用下, 在整个管道或某些局部区域产生不同性质的应力。

3.1 按应力方向

按管道应力方向分为:环向应力、轴向应力、径向应力、剪切应力。

3.1.1 管道环向应力

管道环向应力又称为切向应力、周向应力, 简写为SP。管道环向应力是由管道内压或外压产生的。

3.1.2 管道轴向应力

管道轴向应力又称为纵向应力, 简写SL。管道轴向应力主要包括:内压或外压所产生的轴向应力、活动支架的摩擦力所产生的轴向应力、管道自重和热膨胀所产生的力和力矩作用在管道上的轴向应力以及其他力和力矩作用在管道上的轴向应力。

现重点讨论管道运行和安装时因温度不同而产生的轴向应力。常温下安装的管道, 当运行时, 管道内温度与环境温度不一致时, 管道会发生热胀冷缩。根据胡克定律, 当构件横截面上的正应力未超过材料屈服极限时, 应力与应变成正比, 即SL=E×ε, 其中E为材料的弹性模量, 表示材料抵抗变形的能力, E越大则抵抗变形的能力越强。ε为管道轴向长度相对变化率, 即, 其中△L为管道因运行时与环境的温差引起的膨胀量, △L=α·△t·L, 其中α为管材的线膨胀系数。

经上述推导后, 因温度引起的轴向应力计算公式为:SL=E·α·△t。

3.1.3 管道径向应力

管道径向应力简写为Sr, 是由管道的内压或者外压产生, 当管道承受内压时, 内壁的径向应力最大, 外壁的径向应力为零。与管道环向或轴向应力相比, 管道的径向应力较小, 可忽略不计, 但管道外径与内径的比值大于1.1的高压管道除外。

管道径向应力计算公式为:, 其中p为管道内压, D为管道内径, t为管道壁厚。

3.1.4 管道剪切应力

管道剪切应力, 简写为τ, 主要由管系的热胀、自重作用于管道的扭矩和剪力所产生。

3.2 按应力对管道的破坏作用

按应力对管道的破坏作用, 将应力分为一次应力、二次应力、峰值应力。

3.2.1 一次应力

一次应力是指外加荷载, 如压力、重力等作用产生的力。一次应力随外加荷载的增加而增加, 且无自限性, 当其值超过材料的屈服极限时, 管道将产生塑性变形而破坏。因此在管系的应力分析中首先应使一次应力满足许用应力值。

3.2.2 二次应力

二次应力是指由于管道变形受到约束而产生的正应力或剪应力, 它本身不直接与外力相平衡, 二次应力主要特征有:

(1) 管道内的二次应力通常是由位移荷载引起的, 如热膨胀、附加位移、安装误差、振动荷载。

(2) 二次应力有自限性, 当局部屈服和产生少量塑性变形时, 能通过变形协调使应力降下来。

(3) 二次应力是周期性的 (除去安装引起的二次应力) 。

(4) 二次应力的许用极限是基于周期性和疲劳断裂模式, 不取决于一个时期的应力水平, 而是取决于交变的应力范围和交变的循环次数。

3.2.3 峰值应力

峰值应力是由于荷载、结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的应力最高值。峰值应力的特征是整个结构不产生任何显著的变形, 它是疲劳破坏和脆性断裂的可能根源, 如管道中的转弯半径处、焊缝咬边处等处的应力。对峰值应力的评定, 在工程上一般采用应力集中系数进行简化求解。

4 工业管道应力分析的主要目的和内容

4.1 工业管道应力分析主要目的

管道应力分析主要解决管道的强度、刚度、振动等问题, 为管道的布置、安装提供科学依据, 主要体现在以下几个方面。

4.1.1 保证装置运行的安全性

管道布置不合理, 将会使整个装置运行存在隐患, 如管道因热应力而导致管架被推倒、设备管口撕裂或顶坏、弯头和三通等焊缝处裂缝、法兰泄露等;若管道或管系的固有频率与振源频率相同则还会产生共振。这些现象都属于应力分析范畴, 通过对管道或管系进行应力分析, 可保证其具有较好的柔性, 避免共振产生, 保证装置稳定安全运行。

4.1.2 保证管道系统设计安全的要求

管道安全性能的总体要求包括耐压强度、密封性和耐腐蚀性。

4.1.3 保证管道的柔性

管道的柔性反映管道变形难易程度。在操作工况下, 因热胀冷缩、端点附加位移、支承位置设置不当等原因而使管道产生应力过大、变形、泄露或破坏, 影响管道的正常运行。管道的柔性指管道通过自身变形吸收因温度变化引起的位移, 降低管道的应力, 保证管道上的应力在材料的许用应力范围内。

4.1.4 减少工程投资

通过应力分析可合理的布置管架, 准确计算管架的个数及承重, 从而减少不必要的土建投资。另外通过应力分析可获得弹簧、管件、补偿器等元件的准确设计参数, 从而使投资更加合理化。

4.2 工业管道应力分析主要内容

管道应力分析最主要内容就是对工业管道进行载荷、应力、变形等各类力学分析, 并以此最大程度上避免工业管道出现变形、位移以及破坏等问题, 管道应力分析分为静力分析与动力分析两类[3]。

4.2.1 静力分析

静力分析指在静力荷载的作用下对管道进行力学分析, 并进行相应的安全评定, 使之满足标准规范要求, 见表1。

4.2.2 动力分析

动力分析指往复压缩机和往复泵管道的振动分析、地震分析、水锤和冲击荷载下管道的振动分析, 其目的是使地震和振动的影响得到有效控制, 见表2。

5 管道柔性计算的范围和方法规定

管道是否需要进行详细的应力分析, 一般与管径、温度和所连接的设备有关, 不同国家、不同行业、不同公司、不同工程经常互相参考和借鉴。实际设计中, 并非所有的管道都需进行详细的应力计算, 也并非所有的计算都必须通过计算软件进行。

一般管道应力分析方法有:目测法、简单计算法、计算软件分析法。

5.1 目测法

目测法适用范围:

(1) 与运行良好的管道柔性相同或没有重要变动的管道

(2) 和已分析的管道比较, 确认有足够柔性的管道

(3) 分析人员具有一定的相关经验。

5.2 简单计算法

简单计算法适用于具有同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无中间约束的非剧毒或非高度危害的介质管道。

其柔性计算经验公式为:

式中:D0为管道的外径, L为管道的伸展长度, U为管道两端的连线长度, δ为管道总热位移量,

由于上述公式为简化计算, 有其局限性, 不适用于下列管道:

(1) 在剧烈循环条件下运行、有疲劳危险的管道;

(2) 大直径薄壁管道 (管件应力增强系数i≥5) ;

(3) 与端点连线不在同一个方向的端点附加位移量占总位移量大部分的管道;

(4) L/U>2.5的不等腿U型弯管道, 或近似直线的锯齿状管道。

管道的柔性计算方法除上式外, 还有Grinnell法、Tube Turns法、M.W.Kellogg Co.法等。这些方法一般是利用数据表或线图来计算两端固定的简单管道柔性, 包括作用力和应力范围, 其计算结果有一些差异。

5.3 计算软件分析法

当目测法和简单计算法都不能判定管道的柔性, 或者规范要求必须进行详细应力分析的管道, 则需采用计算软件来进行详细的应力分析。

目前适用较多的管道应力分析软件有:CaesarⅡ、Atuo Pipe、Triflex等。其中CARSARⅡ适用较为普遍, 该程序是进行管道静力分析和动力分析的专用程序, 功能比较齐全, 可考虑管道的非线性约束, 如管道与支架之间的摩擦力、限位支架的间隙等, 通过计算可得出设备管口受力、管架受力、管道的一二次应力、法兰受力、弹簧规格、各节点位移和管道振动频率等。

6 应力分析流程

对于需要进行详细应力分析的管道, 需要利用应力计算程序进行分析, 使用计算机软件3D模型做管道布置设计的详细应力分析流程见图1。

使用应力计算软件分析管道应力的流程见图2。

7 结论

管道应力分析是管道设计中不可或缺的环节, 管道应力计算为管道布置、安装提供了科学依据, 可保证管道及装置的安全运行, 同时也为优化管道布置和节约项目投资提供了思路。

参考文献

[1]梁军.工业管道设计中的应力分析[J].山西化工, 2005, 04:78~80.

[2]万波, 赵浩.管道设计中的应力分析[J].广东化工, 2013, 05:161~162.

[3]王洛春.管道应力分析软件在石化工程设计中的应用[J].化学工程与装备, 2009, 05:121~122.

[4]袁立方.热力管道设计中的应力分析[J].广西轻工业, 2009, 07:57~58.

[5]吴震, 德泊亭.工业管道设计中管道柔性分析的研究[J].化工管理, 2014, 05:120~121.

管道应力 篇2

(1)、可以消除普通压浆法引起的气泡，同时，孔道中残留的水珠在接近真空的情况下被汽化，随同空气一起被抽出，增强了浆体的密实度，

(2)、消除混在浆体中的气泡。这样就避免了有害水积聚在预应力筋附近的可能性，防止预应力筋的腐蚀。

(3)、浆体中的微沫浆及稀浆在真空负压下率先流入负压容器，待稠浆流出后，孔道中浆体的稠度即能保持一致，使浆体密实度和强度得到保证，

(4)、孔道在真空状态下，减小了由于孔道高低弯曲而使浆体自身形成的压头差，便于浆体充盈整个孔道，尤其是一些异形关键部位。对于弯型、U型、竖向预应力筋更能体现真空灌浆的优越性。

(5)、作为一种全面的技术，真空辅助压浆要求施工现场具有高水平的质量管理，包括高水平的管理人员和操作队伍。这样，由于这种方法本身的性质决定了它具有高水平的质量控制。

管道应力 篇3

【摘 要】基于管道有限元基本理论，结合LNG液化冷箱内管道应力分析的实例，根据相关规范，分析了包括自重、冷缩、地震及风载作用在内的低温管道存在的荷载作用，并结合实际的荷载工况组合，对管道系统进行了安全性评定，并给出对该类管道系统进行应力分析可采取的切实可行的建议。

【关键词】管道应力分析；有限元；荷载组合

1.前言

近几年我国液化天然气（LNG）装置发展突飞猛进，作为液化冷箱在整个装置中起到至关重要的作用，而液化冷箱中低温管道的正确应力分析，是确保整个装置处于安全使用的一项关键设计环节。本文依据《ASME31.3工艺管道设计规范》、《GB/T 20801.3-2006工业管道—设计规范》，利用CAESARⅡ有限元软件对该液化冷箱低温管道应力分析，下面进行阐述说明：

液化冷箱主要构成部分：（1）冷箱框架；（2）珠光砂；（3）板翅换热器；（4）分离罐；（5）管道；（6）道支吊架。

下面进行管道分析，管道静力分析需要完成下列任务：（1）计算管道中的应力并使之满足标准规范的要求，保证管道的自身的安全。（2）计算管道对与其相连设备的作用力，并使之满足标准规范的要求，保证设备的安全。（3）计算管道对支吊架的作用力，为支吊架的设计提供依据，保证支吊架的安全。（4）计算管道的位移，防止位移过大造成支架脱落或管道碰撞，并为弹簧支吊架的选用提供依据。

在板翅换热器支架以上的各管道为常温管道，所以只考虑一次应力即可，在直径较大的管道上可采用支吊架防止一次应力超标，本文对此类管道就不在加以说明。在冷箱内比较重要的管道为低温管道，他不但承受一次应力，还承受二次应力。管道在-162℃ 温度下要产生冷缩，二次应力比较大，所以管道要有足够柔性。

以管道Ⅰ为例：LMR-4100-100-F3 管道直径；?120X10，压力：2.5Mpa（G） 温度：-162℃

材质：铝合金5083

节点40—节点600为Y轴 节点50—节点30为Z轴

节点50—节点60为X轴

在工作温度为-162℃下，冷箱内设备都产生冷缩，节点600与分离罐管嘴相连，经计算，节点600在Y轴方向位移5mm。节点10与节点70与板翅换热器相连，经计算，节点10在Y轴方向位移17mm，在Z轴方向位移5mm，节点70在Y轴方向位移17mm，在Z轴方向位移-2mm。冷箱内管道在计算时，不计风载，对于珠光砂对管道作用力与二次应力相比很小，可忽略不计

通过CAESARⅡ计算得如下结果：

管道Ⅰ一次应力结果：

应力报告表明整个系统的一次应力低于其允许值，最接近许用应力的一次应力发生在节点40。

管道Ⅰ二次应力结果：

应力报告表明整个系统的二次应力低于其允许值，最接近许用应力的二次应力发生在节点600。

管道Ⅰ跨度不大，又满足一次应力所以不用采用支吊架。管道节点10、40、70与已连接的各设备管嘴满足各设备许用应力的要求。计算结果不满足要求时，通常存在以下问题：（1）一次应力超标：缺少支吊架。（2）二次应力超标：管道柔性不够或三通徐加强。（3）冷态位移过大：缺少支吊架。（4）设备受力过大：管道柔性不够，支吊架设置不合理。（5）固定支架、限位支架水平受力过大：固定点、限位点位置选择不当或管道柔性不够。（6）支吊点垂直力过大：考虑采用弹簧支吊架。（7）支吊点脱空：考虑采用弹簧支吊架。（8）弹簧荷载、位移范围选择不当：人为进行调整。（9）计算工况组合不当：人为进行调整。

通过以上分析，作者认为LNG冷箱是个封闭的整体，下半部分都为为低温管路，进行管道应力分析很有必要，管道的柔性不够，会产生断裂，LNG又是易燃易爆，对整个装置，乃至整个系统都会产生巨大危害，对人身和财产都会造成不必要的损失。

2.结束语

（1）合理进行荷载工况组合对液化冷箱内管道应力和设备接口局部应力做安全性评定。

（2）二次应力对管道起主要控制作用。

（3）支吊架的选择要根据受力情况合理的选择。

【参考文献】

[1]唐永进.管道应力分析.中国石化出版社，2009.

[2]ASME B31.3-2006 Process Piping[C].

管道应力 篇4

关键词：化工管道,设计,管道应力

近几年来, 我国对化工管道的大量需求, 使管道设计技术水平日益提高。在工厂设计的过程中, 管道的设计是最主要的环节。而在化工管道设计的过程中, 最重要的一个步骤就是分析管道的应力。化工管道的应力分析是化工管道设计的基础。只有计算出化工管道的应力, 才能开始化工管道的设计。因此, 我国对化工管道应力分析越来越重视, 以此来节约项目的成本和提高项目的效率。

1 化工管道应力的分类

应力就是在单位面积上, 物体在联系介质力学的作用下所承受的作用力。其概念强调的是在单位面积上物体承受的附加内力。因此在设计化工管道的过程中, 要注意的是管道不能在载荷作用下, 出现热胀冷缩、位移或持续外载等会使应力过大的情况, 防止化工管道在作业的过程中出现塑性变形。这就需要在设计化工管道时对管道的应力进行严密的计算和分析, 最终以管道的应力数据来选择化工管道的材料。而化工管道的应力一般分为三种, 依次为一次应力、二次应力和峰值应力。下面笔者就来介绍这三种不同应力的特点。

(1) 一次应力一般是由于外在赋予的荷载而形成的, 比如重力或压力这种外在的作用力。一次应力具有非自限性, 也就是说, 一次应力不能有化学管道自身的抗压性而抵抗外在作用力, 使化工管道自身承受重力或压力等巨大的外在作用力。同时, 一次应力能够满足外加荷载所需求的承受力, 从而达到应力与外加荷载平衡的目的。而当化工管道的材料达到承受最大力极限时, 化工管道极容易因为材料承受过多作用力而产生塑性变形, 以致管道损坏。因此, 当化工管道承受风载荷、水冲击、地震震动等自然因素影响时而承受载荷时所产生的应力都应该属于一次应力。

(2) 二次应力的化工管道荷载应力类型也是在化工管道作业中比较常见的一种。二次应力一般是由于化工管道材料由于受天气、温度或其他影响而产生的热涨或冷缩而产生的。与一次应力相反的是, 二次应力本身是具有自限性的, 换句话说就是当化工管道材料的载荷超过承受能力的极限时, 管道的局部地区会由于承受不住外在赋予的载荷而发生小区域的塑性变形, 但是在发生塑性变形的一段时期之后, 化工管道又能根据自身的张力而平衡自身所承受的应力, 从而使管道承受的应力分布均匀, 将塑性变形的区域的应力分散, 以保障管道不受损坏。

(3) 峰值应力是指由于化工管道的部分零件松动或脱节和局部的热力效应的影响而增加到一次应力和二次应力上的附加应力。峰值应力与一次应力与二次应力不同的是, 不会对化工管道引起明显的塑性变形, 但是会使化工管道从内部结构上慢慢出现裂痕, 不断积累裂痕的量变, 最终达到质变, 造成管道的损坏。因此, 峰值应力产生的原因主要是人为破坏和零件的损坏。

2 化工管道降低应力的方法

由于化工管道在工厂中具有重要作用, 因此, 严格意义上讲, 化工管道需要全部进行应力分析, 并根据管道的温度、口径、压力、壁厚、所连接的设备的荷载要求等方面来确定降低应力的方法。下面就介绍几种目前我国设计化工管道是应用较多的化工管道降低应力的方法。

(1) 增加管道的柔韧性这种方法是在化工管道的材料上进行改革。运用比较柔韧并抗压能力强的材料, 使化工管道的硬件设施更加完善。在挑选化工管道材料时, 尽量选择比较柔韧并且不易出现裂痕的材料, 这样会使化工管道承受峰值应力的能力增强, 从而达到不易损坏的目的。同时, 要对化工管道的走向进行优化, 选择简单、弯度小、悬空的线路, 用指甲来固定化工管道。这样可以使化工管道少受自然因素的影响, 减少一次应力的作用力, 还能有效地减少工程造价。

(2) 利用冷紧的方法采用冷紧的方法就是利用一部分的化工管道的热应力来使化工管道的局部实现热胀应力, 在化工管道的热态下, 对其某一区域进行集中的推理与力矩, 以达到减少区域的应力。这种减少应力的方法可以有效地防止化工管道的弯度过大而导致的泄漏现象。

(3) 设置管道支架化工管道容易损坏的一个原因就是承受的重力作用力过大。因此, 想要减少化工管道承受的应力, 就要先减少化工管道承受的重力。这时, 就可以利用管道支架来减少化工管道承受的应力。在选择管道支架时, 要注意到支架的材料、性能和承重能力。尽量选用高密度、高硬度、高抗压度的材料, 设置在化工管道的弯处, 以减轻管道弯路的应力。

3 结语

总而言之, 在化工管道的设计过程中, 最重要的莫过于对化工管道应力的分析, 而分析化工管道的应力并不是最终目的, 最终目的是把分析的结果有效地运用到减少管道应力中。化工管道是工厂运行的重点, 偷工减料的化工管道很容易造成化学试剂和有毒物质的泄漏, 后果将不堪设想。因此我国在加强对化工管道应力分析技术研究的同时, 还要对化工管道的建设进行严格的监管, 使化工管道的设计技术更上一层楼。

参考文献

[1]罗宇, 张春迎, 陈万里.探讨化工设计中的管道应力分析[J].科技信息, 2010, (11) .

[2]许文欣, 张强.化工设计中的管道应力分析[J].辽宁化工, 2003, (03) .

对锅炉汽水管道应力的计算研究 篇5

1 对锅炉汽水管道的应力分析

火力发电厂锅炉汽水管道的工作环境要具备两种条件:第一, 有一定的压力。第二, 有适宜的温度。以往的计算方法过于复杂, 而且准确度低, 不能从整体看出管系的分布情况, 于是, 人们开始利用ANSYS PIPING MODELS方法来进行应力分析。

1.1 应力限制的最大范围及其分析

管道的一次应力是受外部支吊架的力和自身产生的重量所影响, 且内力和外力必须保持平衡, 若是它的重量无限的增加, 超过所能承受的力度, 则会破坏管道的形体。为了防止管道的承受力超过限度而破裂, 要留出适宜的宽裕度。在承受力的同时, 或受外界的热胀冷缩而发生的变形属于二次应力。它跟一次应力有所差别, 它是通过变形来适应与外力的平衡。若是变形次数过多, 也会对管道附件造成损害, 因此, 要注意应力的循环次数及范围。在我国规定的交变应力的合理次数频数应该为7 000次, 若超出这个范围, 会加重管道的劳损, 甚至破裂。若管道的应力、应变达到或超出上线后, 管道材料就有了可塑性。在超出变形范围后, 可以把超出的应力作为经过塑性变化后的量度。最大应力的范围只要在2倍以内, 就可以得出管道的弹性变化。依据管道应力所承受的应力理论, 管道材料在不断循环中发生的变形, 长时间后会处于弹性状态。管道的材料、结构若遭到破坏, 就可确定其超过自身所承受的两倍的力。应力应变的最大范围不能超过两倍的极限力度, 各锅炉厂家在应力计算中应以此为依据。

1.2 对管系设计参数及材料参数的分析

对机组的参数计算分析, 可以火电厂锅炉为英国拨伯葛动力有限公司制造的亚临界压力自然循环汽包型锅炉为例。该汽轮机型式为亚临界、三缸双排汽、单轴、一次中间再热凝汽式, 额定功率为362.5。管系有3个阀门, 重量分别为21 500 N、20 000 N、18 000 N。管系共有8个支吊架, 其中5处安装弹簧吊架, 3处为导向支架。保温材料为硅酸钙, 密度220 kg/m3, 厚度150 mm。各弹簧吊架所承受载荷、位移等不同数额会对应不同的参数。在15节点时, 数量为1, 计算位移的x、y、z数值都不同, 热态载荷、热位移、刚度、最大载荷、安装载荷参数也不一样。

2 锅炉汽水管道的应力计算

2.1 一次应力与二次应力

一次应力是指正应力, 属于非自限性, 在内压和机械器具的重量之间进行平衡控制。一次应力的管道材料要达到火力发电厂汽水管道应力技术规程和美国ASME标准的弹性要求, 均非自限性规定管道工作状态。表现在管道上即由内压、自重等承受的重量都属于这一类。当管道材料的承受范围达到极限后, 会发生一系列情况, 即产生塑性变形, 严重时直接破坏管道。管道计算完成后可以进行验算, 确保其安全性和可靠性, 一般情况下不会对其验算, 只有在特殊的情况下, 才会验算。如遭遇8级地震的部位或是周边需要建设厂房时才需要验算。在验算期间, 地震所产生的力度不能完全验算在内, 取其中的1/2即可。二次应力是指剪应力, 结构自身的形体变化和外界的压力连续产生的力的作用, 它属于自限性。通常表现为在管道上即由热胀冷缩及位移受约束时所产生的应力, 这类应力不会直接破坏管道, 但是, 可使管道的材料塑性变形、屈服, 导致管道的不稳定, 从而发生突发的情况。管道的热胀情况发生后, 管道的材质受热会出现初始的热应力, 当这种应力过高, 超出它所承受的范围, 就会使管道发生蠕变屈服;另一方面, 管道若是处于冷缩的状态下往往会像反方向发展。这是管道的自弹现象, 也被称为管道冷紧度的自拉模式。由于在自拉的过程中, 它的量度很难把握, 它会时而松时而紧, 管系在冷缩热胀交替的循环中, 它的总量是不会出现太大变化的。在管道应力的计算过程中, 往往会发生意想不到的突发情况, 因此维持平衡最为重要。

2.2 管系应力的计算

管系的应力分析采用ANSYS PIPING MODELSo的方法, 管系计算模型的两端分别为汽缸出口、除氧器进汽口, 其中包括直管段、阀门、支管段、支吊架包括弹簧吊架和导向支架处理。坐标系的设置为X轴正方向, Y轴正方向为竖直向上, Z轴正方向为锅炉侧指向汽机房侧。按钢材在计算温度下的弹性模量计算, 根据管道运行时不同工况分别有按热胀、端点附加位移、热胀冷缩的紧度状况、自身产生的重量和外界连续的荷载力及支吊架对机器的反作用力。

3 结语

分析并研究锅炉厂管道的一次与二次应力的参数分析计算, 及对所要计算的应力范围进行控制, 避免导致管道的破裂。其结果可为我国锅炉汽水管道的发展打下坚实的理论与实践基础。

参考文献

[1]王致祥.管道应力分析与计算[M].北京:水利电力出版社, 1983.

[2]唐永进.压力管道应力分析 (第二版) [M].北京:中国石化出版社, 2010.

[3]刘纯, 陈红冬.锅炉汽水管道应力计算研究[C]//第九届电站金属材料学术年会论文集 (第二卷) .2011, 48-49.

有关化工设计中管道应力的分析 篇6

近年来, 化工工业有了显著发展, 化工设计随之受到广泛关注。化工设计中的管道应力分析能够在分析管系受力情况的基础上, 提出合理的管道设计方案, 在促进管道设计合理化和保障化工设计质量方面发挥了突出作用。接下来, 笔者将对管道应力分析的内容进行论述, 并且基于管道应力分析对于化工设计的重要性, 提出几点管系受力状况的优化措施和方法。

1 管道应力的含义及分类

1.1 管道应力的含义

管道应力是指管道在受到外力作用时, 管道内部会产生一种抵抗这种外力作用的内力, 这种内力基于力的相互作用, 试图将管道受外力变形的状况恢复到受力前的情形。总结来说, 管道某受外力位置所表现出的内力即为管道应力。

1.2 管道应力的分类

管道应力不是单一的, 它有不同的分类。管道应力是受外力作用产生的, 而在受到不同外力作用的情况下, 产生的应力也有所不同, 想要对管道应力进行准确、合理的分析, 需要将应力区别开来, 运用具体问题具体分析的方法分别对不同类别的应力进行分析。接下来, 我们就通过分析应力产生的原因, 对应力种类进行介绍:第一, 一次应力。一次应力是指在重力和外压等外加载荷作用下产生的内力, 一次内力具有显著的非自限性, 这种非自限性表现在内力与外加载荷的等量平衡, 当外加载荷增加时, 一次内力也随之增加, 增加的极限是材料的屈服极限, 一旦应力值超过材料的屈服极限, 管道的受压变形将超出控制范围, 导致管道破坏或毁损。具体导致一次应力产生的外加载荷有风载荷、地震载荷以及水冲击载荷等等;第二, 二次应力。二次应力是指在热涨、冷缩以及其他位移受到约束情况下, 管道为对抗这些约束而形成的应力。二次应力区别于一次应力的显著特征即是二次应力的有自限性, 它不似一次应力那样与外加载荷保持平衡, 不随外加载荷的增加而增加, 发生外加载荷超出材料的屈服极限的情况时, 管道也不至于毁损, 管道会通过局部的屈服或是产生少量的塑性变形来有效降低应力, 进而完成应力的再次分布, 管道保持相对良好的状态;第三, 峰值应力。峰值应力是在一次应力和二次应力上的增量, 管道或附件在出现局部结构不连续、局部热应力效应时, 会在管道一次应力或二次应力上产生一种新的应力增量, 这个新的应力增量即是峰值应力。峰值应力通常出现在焊缝未焊透等位置。峰值应力的作用并不显著, 它是在潜移默化、日积月累的过程中对管道进行破坏, 常会形成管道疲劳裂纹, 造成脆性破坏。

2 管道应力分析的内容

在管道设计中, 很多管道都要进行管道应力分析, 例如冷箱的管道、脆弱材料衬里的管道等等, 它们都需要进行内力分析, 管道种类的多样性也决定了管道应力分析的多样性和复杂性, 接下来, 我们就对管道应力分析的内容进行详述。

管系受到的外加载荷有静态载荷和动态载荷之分。这种外加载荷性态上的差异性使管系对其的反应也有很大不同, 即使是对待相同大小的静态载荷和动态载荷, 管系的响应也是有差异的。者就是管道应力分析出现了静力分析和动力分析两种。

2.1 静力分析的内容

静力分析的内容主要有:第一, 对压力载荷作用下一次应力的计算, 设定合理的管道应力值, 避免管道发生塑性变形损坏;第二, 对管道热胀、冷缩或其他位移受到限制的情况下产生的二次应力进行分析, 将应力值控制在允许范围内, 避免疲劳破坏带来的损失;第三, 分析管道对设备的作用力, 设备的受力要严格按照标准执行, 保障设备的安全运行。除此以外还要对支吊架受力和法兰受力进行计算。

2.2 动力分析的内容

动力分析的内容主要有:第一, 对管道自震的频率进行深入研究, 通过分析管道自震的频率, 得出规避管道系统共振的方法;第二, 分析管道强迫震动的响应情况, 进而能够掌握管道震动规律, 控制管道应力。第三, 对往复式压缩机的气柱频率和压力脉动进行分析, 避免气柱共振的发生, 将压力脉动值设定在合理范围内。

3 管道应力分析的重要性

通过前文论述, 我们已经明确了管道应力分析的内容, 从微观上来讲, 通过静力分析和动力分析的结合, 管道应力分析对管系的组成部分进行了准确的计算, 将一次应力、二次应力的安全值进行设定, 从而最大程度的减少了外加载荷与应力作用对管道进行的破坏, 在避免管道系统自震和气柱自震方面发挥了重要作用;从宏观上来讲, 管道的应力分析为管道设计提供了基础, 促进了管道安全性评价的得出。管道应力分析能够优化化工设计、推动了安全生产进程, 并且节约了材料和资金, 实现了安全、合理、效益共存多赢局面。总而言之, 管道应力分析是一项十分重要的内容。

4 改善管系受力状况的措施

4.1 合理选用和设置管道支吊架

管道支吊架的选用和设置对于管系受力状况的改善有着重要影响, 在设置管道支吊架时, 要充分考虑一次应力、二次应力等因素, 采取有效措施规避一次应力和二次应力的影响, 对于一次应力影响的消除, 基本措施是使管道支吊架的设置必须满足最大允许跨度的要求, 以避免管道受到破坏。对于二次应力作用, 要选用可以实现管系适应变形需要的支吊架。

4.2 增加管道柔性

管道柔性限制着管道自身受力变形的能力, 对于管道应对外加载荷以及自保的有效程度有较大的影响, 增加管道柔性可以增强管道吸收热涨、冷缩, 应对其他位移变形的能力。增加管道柔性的措施主要有改变管道走向、选用补偿能力大的补偿器、应用弹簧支架三种。通过以上措施可以改善管系受力状况, 保障管系安全生产。

5 小结

综上所述, 管道应力分析作为管道设计的基础内容, 在优化化工设计、提高化工工业生产效益方面发挥着重要作用, 在实际的管道设计在过程中, 应当高度重视管道应力分析, 不断进行管道优化实践, 深化化工设计理论, 在理论与实践的结合中, 将管道应力分析的优越性充分展现出来, 进而推动化工产业的发展。

参考文献

[1]包亚西.管道应力分析中进行详细应力分析管道的确定[J].河南化工, 2010.

[2]杜志勇.管道应力分析在工程上的应用[J].中国高新技术企业, 2011.

管道应力 篇7

汽轮机主蒸汽管道在一定的压力和温度条件下工作。作用于主蒸汽管道的载荷有:管内介质产生的压力, 管子重量 (包括阀门、三通、法兰和保温材料等) 产生的均布载荷, 管道支吊架产生的反力;此外, 还有管道温度变化热胀冷缩约束产生的热载荷, 管道安装施工时各部分尺寸误差产生的安装残余应力等等。

对新建设的汽轮机台位的主蒸汽管道进行管道应力计算, 并按照相关标准校核管道应力有着重要的意义。本文用ANSYS PIPING MODELS对南京汽轮电机有限责任公司某工业汽轮机空载试验主蒸汽管道进行建模和应力计算。

2 机组参数及材料计算参数

该汽轮机为350MW汽轮发电机组锅炉给水泵驱动用单缸、单轴、冲动、凝汽式汽轮机, 额定功率为4.2MW。供汽压力为2.0MPa, 供汽温度为220℃。汽轮机主蒸汽管道形式如图1所示。

汽轮机空载试验主蒸汽管道母管材料为12Cr1Mo V, 规格为Φ159mm×8mm。20℃时, 弹性模量为2.08×105MPa, 许用应力为157MPa。220℃时, 弹性模量为1.99×105MPa, 许用应力为149MPa。20℃~220℃的线膨胀系数为13.76×10-6/℃。

汽轮机空载试验主蒸汽管道支管管材为20号钢, 规格为Φ108mm×4.5mm。20℃时, 弹性模量为1.98×105MPa, 许用应力为131MPa。220℃时, 弹性模量为1.734×105MPa, 许用应力为126 MPa。20℃~220℃的线膨胀系数为12.252×10-6/℃。

3 管道应力分析的评定准则

3.1 管口推力的判定

定义汽轮机机轴方向为X方向, 铅垂向上方向为+Y, 则根据NEMA SM23对汽轮机管口受力的要求, 作用于汽轮机进口的合力和合力矩应满足:

0.9144Fr+Mr≤26.689De (1)

其中, Fr为接口处三向推力的合成力, N;Mr为三向推力矩的合成力矩, N·m;De为当量直径, mm;当管口公称直径不大于200时, De=管口公称直径;当管口公称直径大于200时, De= (管口公称直径+400) /3。

3.2 管道应力的判定

在管道应力校核中, 根据产生应力的载荷不同, 管道应力分为一次应力和二次应力。管道应力合格的判定标准是:一次应力和二次应力必须合格。管道的一次和二次应力分别用以下两个不等式来判别。

4 管道的应力计算与分析

4.1 管道计算模型

管道的应力计算采用ANSYS PIPING MODELS, 根据试验现场的条件, 管道计算模型从蒸汽管道母管的两个固定点开始, 到汽轮机主蒸汽进汽口结束, 如图1所示。其中包括直管段、弯管段、阀门、大小头和支管段, 支吊架有弹簧支架、导向支架、固定支架和滑动支架。

4.2 管道应力分析

根据计算参数对管道在热态和冷态状况下进行应力计算。得到如下结论:

4.2.1 管道非弹簧支吊架应力计算值见表1。

4.2.2 管道弹簧支吊架应力计算值见表2。

4.2.3 管道对汽轮机进口的推力见表3。

根据表3的结果, 可以计算出, 在热态下0.9144Fr+Mr=1078N·m;在冷态下0.9144Fr+Mr=251N·m。汽轮机进口公称直径为300mm, 可知26.689De=6227N·m。所以汽轮机在热态和冷态下, 都是满足管口推力的判定准则的。

4.2.4 管道的一次应力和二次应力计算结果如图2和图3所示。

由图2, 3可知, 管道的一次应力为21.25 MPa, 二次应力为63.18 MPa。再根据式 (2) 和式 (3) , 可得表4。

从表4可以看出, 设计的汽轮机管道满足管道应力的判定准则。

结语

本文用ANSYS PIPING MODELS对南京汽轮电机有限责任公司某工业汽轮机空载试验主蒸汽管道进行建模和应力计算, 计算结果表明整个主蒸汽管道的一次应力和二次应力均低于许用值。而且, 汽轮机管口推力也满足要求。因此此主蒸汽管道设计较合理, 能满足机组的安全运行。

摘要：本文用ANSYS对某工业汽轮机空载试验主蒸汽管道进行建模和应力计算。介绍了蒸汽管道管口推力和管道应力的判定准则, 并给出了所设计管道的非弹簧支吊架、弹簧支吊架应力计算值, 管道对汽轮机进口的推力以及一次、二次应力值。结果表明整个主蒸汽管道的一次应力和二次应力均低于许用值。而且, 汽轮机管口推力也满足要求。

关键词：管道应力,管口推力,ANSYS软件

参考文献

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[2]国家质量监督检验检验总局特种设备安全监察局.全国压力管道设计审批人员培训教材[M].北京:中国石化出版社, 2005.

[3]贾芸, 许敏宇, 童金生.多参数、多分支蒸汽管道系统的设计[J].中国新技术新产品, 2013 (26) :102-103.

[4]王致祥.管道应力分析与计算 (Stress analysis and calculation of piping) [M].北京:水利电力出版社, 1983.

管道应力 篇8

管道在内压、持续外载以及热胀、冷缩和其他位移等载荷作用下, 其最大应力往往超过材料的屈服极限, 使材料在工作状态发生塑性变形。高温管道的蠕变和应力松弛, 也将使管系上的应力状态发生变化。

对于管道上的应力, 一般分为一次应力、二次应力和峰值应力三类。

一次应力是指由管道所受荷载, 如所受内压、持续外载、风荷载、冲击荷载等引起的正应力和剪应力。它是非自限性的, 超过某一限度, 将使管道整体变形直至破坏。因此, 必须为不发生材料屈服而留有适当的裕度, 以防止过度的塑性变形而导致管道被破坏。

二次应力是管道由于变形受约束所产生的正应力和剪应力。如由热胀、冷缩和其他位移受约束而产生的应力。它的特征是有自限性, 二次应力或一次应力对管道的作用, 是一个反复交变的作用, 即随着管道的启、停而产生多次交变应力。

峰值应力是管道或附件由于局部结构不连续或局部效应 (包括局部应力集中) 附加到一次应力或二次应力的增量。所以, 温度、压力、管径、壁厚、荷载、跨距、补偿器形式等都会对应力结果产生影响。

二、管道的设计与布置

(一) 设计参数的确定

1.设计要求

我国火电以大机组为主力机组, 还引进了一些亚临界、超临界500MW、600MW机组, 有的管道

工作温度高达566℃。

管道设计应根据热力系统和布置条件进行, 做到选材正确、布置合理、补偿良好、疏水流畅、流阻较小、造价低廉、支吊合理、安装维修方便、扩建灵活、整齐美观, 并应避免水击、共振和降低噪声。

2.设计参数

根据SDGJ6-90《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》说明有关管道的设计参数。

(1) 蒸汽管道的设计压力

管道设计压力 (表压) 系指管道运行中内部介质最大的工作压力, 对于水管道, 还应包括水柱静压的影响。当其低于额定压力的3%时, 可不考虑。

1) 主蒸汽管道。管道设计压力应取锅炉过热器出口的额定工作压力或锅炉最大连续蒸发量下的工作压力。当锅炉和汽轮机允许超压5%运行 (简称5%OP) 时, 应加上5%的超压值。

2) 再热蒸汽管道。管道设计压力应取汽轮机最大计算出力 (调节阀全开, 简称VWO或调节汽门全开加5%超压, 即VWO+5%OP) 下热平衡中高压缸排气压力的1.15倍 (即考虑汽轮机制造误差5%、汽轮机老化5%、中联门阻力3%和再热蒸汽管道的阻力) 。对于再热器出口联箱到汽轮机的部分, 可减至再热器出口安全阀动作的最低整定压力。

(2) 蒸汽管道设计温度

管道设计温度是指管道运行中内部介质的最高工作温度。

1) 主蒸汽管道。主蒸汽管道的设计温度, 取用锅炉额定蒸发量时过热器出口额定工作温度加上锅炉正常运行时允许的温度偏差。温度偏差值取用5℃。

2) 再热蒸汽管道。低温再热蒸汽管道, 取用汽轮机最大计算出力 (VWO或VWO+5%OP) 工况下热平衡中高压缸排气参数为基准, 等熵求取管道在设计压力下的相应温度, 本法适用于高、中压缸同时启动的汽轮机组。

3.管子的选择

(1) 管径选择

根据DL/T5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》中说明主蒸汽管道、再热蒸汽管道的管径尺寸, 宜通过优化计算确定。根据推荐的介质流速 (见表1) , 按下式计算:

式中:Di为管子内径, mm;D为介质质量流量, t/h;υ为介质比容, m3/kg;ω为介质流速, m/S。

(2) 壁厚选择按直管内径确定

式中:Sm为直管的最小壁厚, mm;Di为管子内径, mm;Y为温度对管子壁厚公式的修正系数, 对于铁素体钢538℃以上时Y取0.7;为许用应力修正系数, 对于无缝钢管η=1.0;α为考虑腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度, mm。

表2计算结果为主要汽水管道参数。

(二) 管道设计的内容及深度

1.主蒸汽、再热蒸汽系统拟定

本期工程扩建2×300MW凝汽式空冷机组, 主蒸汽、再热蒸汽、高压给水、主凝结水泵系统均采用单元制。

主蒸汽、再热蒸汽热段、再热蒸汽冷段均采用单元制系统。

主蒸汽管道从锅炉过热器联箱一个口接出, 在主汽门前分成两根分别接至汽轮机左、右侧主汽门。

再热蒸汽热段管道从锅炉再热器一个口接出, 在进入汽机之前又分为两根, 分别进入汽轮机左右侧中压主汽门。再热蒸汽冷段管道从汽机高压缸排汽由两根管引出, 在逆止阀前合并为一根管, 在进入锅炉前又分为两根, 由锅炉两侧进入再热器入口联箱。

这种系统可以简化布置及节省合金钢管, 同时还可以减小由于锅炉两侧受热不均匀所引起的蒸汽温度偏差, 有利于机组的安全运行。主蒸汽管道上不装设流量测量装置, 主蒸汽流量由汽轮机调速级前后的蒸汽压差确定。

汽轮机的主汽关断阀及高压旁路阀不承受锅炉的水压试验压力, 锅炉过热器出口、再热器的进出口管道上均设有水压试验堵阀。

再热 (冷段) 蒸汽系统用来输送从汽轮机高压缸排汽到锅炉再热器的再热蒸汽, 并为轴封系统、2号高压加热器、辅助蒸汽系统提供汽源。汽轮机高压缸排汽管为双管 (D558.8×16) , 之后合并为一根 (D812.8×17.5) , 在进入锅炉再热器入口联箱前再分成两根 (D558.8×16) 。再热 (冷段) 蒸汽管道采用A106B电熔焊钢管。

再热 (热段) 蒸汽管道用来输送从锅炉再热器出口联箱到汽轮机联合再热汽阀的再热蒸汽。锅炉再热器出口引出1根ID699×33.5的总管。在进入汽轮机联合再热汽阀前分为2根ID508×24.8的支管进入汽轮机。总管上分出一路和低压旁路阀相接。再热汽阀是由再热主汽阀和再热调节汽阀组合而成的。再热 (热段) 蒸汽管道的主管采用A335P22无缝钢管 (内径管) , 其他管道 (疏水管道) 采用12Cr1MoV无缝钢管。

机组设高低压两级旁路系统, 汽轮机旁路系统的容量按锅炉MCR工况的35%选取。高压旁路从主蒸汽管道接出, 经减压、减温后接至再热 (冷段) 蒸汽管道, 减温水来自给水系统。低压旁路从再热 (热段) 蒸汽管道接出, 经减压、减温后接入凝汽器。减温水来自凝结水系统。高低压旁路包括蒸汽控制阀、减温水控制阀和关断阀以及控制装置。

2.管道布置

(1) 准备工作。明确设计原则、设计范围、计算范围、介质参数、流量、管材、管径及其他参数的前提下, 了解和研究主厂房布置图、系统流程图、管道单线布置图等, 并结合土建结构图最终核定管线路径及所采用的管件在管线上的布置位置。

(2) 计算工作。根据计算范围作出单线立体布置图, 图中画出最终认定的管道布置及按计算程序要求标注尺寸, 编好结点号及注上有关数据 (如端点附加位移、坐标校验值等) 。同时, 还应确定支吊架位置及型式。

(3) 支吊架的设置。管道支吊架的设置和选型应根据管道系统的总体布置综合分析确定。支吊系统应合理承受管道的动载荷、静载荷和偶然载荷;合理约束管道位移;保证在各种工况下, 管道应力均在允许范围内;满足管道所连接设备对接口推力 (力矩) 的限制要求;增加管道系统的稳定性, 防止管道振动。

确定支吊架间距时, 应考虑管道荷载的合理分布, 并满足管道强度、刚度、防止振动和疏放水的要求。支吊架必须支承在可靠的构筑物上, 应便于施工, 且不影响邻近设备检修及其他管道的安装和扩建。

1) 支吊架间距。按照刚度条件, 均布荷载水平直管支吊架允许最大间距用下式计算:

式中:Lmax为支吊架的最大允许间距, m;Et为钢材在设计温度下的弹性模数, Kn/mm2;I为管子截面惯性矩, cm4;q为管道单位长度自重, kN/m。

按照强度条件, 均布载荷水平直管的最大支吊架间距按下式计算:

式中:W为管子截面抗弯矩, cm3。

水平90°弯管两端支吊架间的管道展开长度, 不应大于水平直管道上允许支吊架的最大间距的0.73倍。计算时刚度、强度条件同时满足。

2) 支吊架载荷。荷重的分配, 应尽量使管系的自重应力分布较为均匀, 使自重应力的最大值为最小, 这就是合理的荷重分配原则。

由于管道布置形状的任意性和复杂性, 很难从理论上找到合理的荷重分配方法, 现行的方法带有一定的经验型和判测性。在用计算机计算时常采用“吊零加给定荷载”条件来分配荷重, 即对一般的支吊架按支吊点处管道自重产生的垂直位移为零的变形条件, 而对某些支吊点 (如吊零分配荷重过大或过小的不均匀点) 则按人为给定载荷。计算证明, 这样的分配条件较为理想和符合工程实际需要。

3) 刚性吊架和限位吊架的设置。在管道设计中, 为防止管道振动、增加管系的稳定性, 常在管系中设置刚性吊架, 或在一定部位设置拉 (撑) 杆以限制在某一方向上的位移, 控制管系的膨胀方向, 以减少对设备接口的推力和力矩, 减少管道振动, 承受汽 (水) 锤、地震等情况下的作用力。

刚性吊架的设置:刚性吊架结构简单、价格便宜、维护费用低、承载能力大, 能承受管系垂直方向上的荷载, 防止管系下沉, 增加管系的稳定性;有利于防止管道振动, 并能承受各种因素引起的转移荷载。因此, 只要管系条件允许时, 就应采用刚性吊架。对于刚性吊架的设计, 还应考虑采用双拉杆垂直吊架的两臂有可能出现一边脱载的情况, 此时双拉杆吊架的每一拉杆的最大荷载不只是50%总荷载, 而应按100%支吊架总荷载计算。另外, 在垂直管道上的主要承载刚性吊架附近设置适当的限位支吊架可避免发生刚性吊架拉杆扭转现象, 以保证该刚吊的安全承载。

限位支吊架的设置:随着机组容量增大、参数提高, 主要管道的直径和管壁都相应增加, 管道对设备的推力和力矩明显增大。而大容量高温高压机组对允许推力和力矩的限定是比较严格的, 超过了允许范围可能引起汽机振动或设备变形甚至损坏。另外, 由于机组容量的增大、参数的提高, 各主要管道的流速也有所提高, 加上管道长度也有增加, 如果全部采用弹性支吊架, 管道有可能发生振动。运行时间长, 弹簧质量的下降, 还可能造成整个管系的下沉, 影响管道的安全运行。

摘要：热力管道的应力, 主要是由于管道承受内压力和外部载荷以及热膨胀而引起的。管道在这些载荷作用下的应力形态是复杂的。文章介绍热力管道应力的分类, 论述管道的设计和布置, 对管道的设计计算具体参数和设计方法作重点探讨。

管道应力 篇9

油气长输管道具有直径大、运输距离长、输送压力高和运量大等优点,在国民经济中占有极为重要的战略地位。油气管道输送的基本要求是安全、高效;随着管道工业的不断发展和其重要性的突出,全社会对管道安全监测技术的要求也将不断地提高。我国大部分现役管道已经进入了衰老期,管道服役时间的增长,管道腐蚀、自然灾害和人为损坏等因素使得管道安全问题变得日益严重,因此做好管道的应力在线监测对确保管道的运作安全,对保障我国国民经济的发展有着极其重要的作用[1]。

目前,国内外对输油气管道的监测主要集中在泄露和腐蚀方面,而对管道应力的在线监测做得较少。在颜文喜[2]、李艳萍[3]、杜景水[4]分别对其管道进行的应力应变检测中,都是采用电阻应变片对管道进行的短期检测,然后进行理论分析评价,并没有结合软件进行长期在线监测,从而就不能实时地反映管道的运作情况。国外的Pablo Gabriel Fazzini[5]和F.A.Pasquarè[6]也对管道进行了应力检测,主要是进行腐蚀方面的理论分析,也没有进行长期在线监测。对应力应变进行监测所用传感器目前主要是电阻应变片,然而这种传感器主要有以下缺点:(1)存在零漂,不能进行长期测量;(2)抗电磁干扰能力差;(3)防水性较差。基于以上缺点,电阻应变片不适合管道应力在线监测。

文章选用光纤光栅传感器以及其它硬件设施,以Labview8.6为开发平台开发在线监测系统,并对某管道实施在线监测。

1 Labview简介

为了能更好地实现管道的应力在线监测,文章采用Labview作为平台开发在线监测系统。Labview提出所谓“虚拟仪器”(VI)的概念。使那些基于软件上建立起来的仪表能够自由地组合起来,其操作面板与真实的仪表无异,所以说“软件就是仪器”。Labview是一种真正意义上的图形化编程语言,它采用工程技术人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程,具有界面友好、操作简单、开发周期短等特点,广泛应用于各个行业的仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等方面[7]。Labview中包含了丰富的函数及子程序库,还包括了VXI、PXI、GPIB、RS-232、USB及串行仪器控制子程序,以及大量的数据采集子程序,这些子程序从简单到复杂,用户可以根据具体情况选用[8]。Labview还提供了较简单、方便、直观的程序调试环境,使用者可以较方便地找到错误所在的位置及原因,还可以使用探针查看任意位置的结果。此外程序在运行时还可以高亮显示,编程人员可以清楚地看到数据的流动方向。总之,Labview功能强大、方便灵活。

2 硬件系统组成

2.1 传感器

由于现场工作环境比较恶劣,所以传感器的选择至关重要。光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、耐久性好、准分布式传感、绝对测量、尺寸小、灵敏度高、精度高、频带宽、信噪比高等优点,是结构健康监测最理想的智能传感原件。本次管道监测选用宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司生产的布拉格光纤光栅传感器。由于在应力监测过程中要去除温度对波长漂移造成的影响,所以除了选用应变传感器外,还要选用温度传感器。将应变传感器和温度传感器串联在一起,从而完成温度补偿。

2.2 解调仪

针对传感器的选择,解调仪必须选择光纤光栅解调仪中的一种。sm125作为全光谱测量设备,具有很大的动态范围,是测量各种类型的光传感器的最佳选择。sm125具有如下特点:四个通道,大功率扫描激光光源;外形小巧,使用灵活,适合于张力,温度和压力等多种测量;优秀的热稳定性及长期稳定性;标准以太网接口使数据通信容易,便于TCP/IP远程控制;内置绝对波长参考不需要外部波长校准。所以本次测试选用MOI公司生产的sm125解调仪。

2.3 多通道扩展模块

由于sm125只有四个通道,而每个通道能够连接的传感器有限,因此在进行多点测量时,sm125不能满足需求,必须进行通道的扩展。本次测试选用sm041光开关扩展模块。通过光开关切换可以将每一个通道扩成4各通道,这四个通道是切换着测量的,非同步测量。因此扫描速度是原来的四分之一,但每通道带宽与原单通道相同。所以同一波长的传感器可以分布于这新扩展的四个通道内,每个通道接的传感器数量与扩展前单通道相同。图1给出了硬件系统的连接方式及信号的转化方式。

3 软件系统组成

3.1 在线监测系统功能模块设计

针对实际监测中的输油气管道,由于受诸多外界环境的影响,因此首先要确保数据采集系统的安全运行。通过对管道实施在线监测,将采集的数据用图像显示出来,使操作者能够在每一时刻掌握外界载荷作用的大小。另外,对突发性的应力进行预测和报警,可以及时对管道可能受损部位进行评估,避免造成管道局部泄漏或破裂。同时,通过对监测数据的存储,还可以实现对管道的离线评估。整个管道在线监测系统功能模块设计如图2。

3.2 软件开发中的关键技术

针对本次管道应力在线监测系统,有如下两个关键技术:

3.2.1 数据采集

外界物理量的变化作用于管道,引起管道变形,被传感器监测到。带有外界物理量的光信号,经传感器到sm125解调仪。在解调过程中,3dB耦合器把满足布拉格条件的光信号反射后进入可谐调光纤F-P滤波器,滤波器的腔间隔可以通过在其压电陶瓷上施加锯齿形波扫描电压进行调节。当滤波器的透射波峰与布拉格光纤光栅(FBG)的反射波峰重合时,滤波器的透射光强最大[9]。一般情况下这时得到的光信号比较微弱,可以通过光电探测器把光信号放大,然后由数据采集卡输入计算机,这样在安装有采集系统的计算机经信号处理,就可以把外界物理量显示出来,完成数据采集。

基于Labview的通讯协议有TCP/IP协议、UDP协议、串口协议、IrDA协议等。相对于其他网络协议TCP/IP这种端对端的传输具有三大优点:第一,TCP/IP显得清晰简洁,利用通用接口,方便实现。第二,与其他协议相比,TCP/IP有着良好的实用性和开放性。第三,TCP/IP的效率相当高,并且可以架构各种Web服务[10]。设计过程调用到Labview提供的基于TCP连接的VI函数模块,设计的程序框图如图3所示。

3.2.2 阈值确定

根据《输油管道工程设计规范》[11](GB50253—94)的5.2.1.1条规定:对于新钢管许用应力应按下式计算:

式中[σ]—许用应力,MPa;k—设计系数。除穿跨越管段应按国家现行标准《原油长输管道穿跨越工程设计规范》的规定取值外,输油站外应取0.72,输油站内应取0.60;准—焊缝系数;σs—钢管的最低屈服强度,MPa。

5.2.1.3条还规定:对于旧钢管,经鉴定及试压合格后,可按公式(1)计算许用应力。根据《输油管道工程设计规范》的表5.2.1可得准=1.0,σs=240MPa,k的值取0.72,计算出[σ]=172.8MPa。

根据本次监测要求,基于Labview的管道应力在线监测系统的人机交换界面设计如图4所示。

4 结论

文章在选用硬件设施的基础上采用Labview开发出了一套能对管道应力进行实时监测的系统,在对某管道进行监测过程中发现该系统操作简单、方便,并能如实地反应管道运作情况。本系统对于数据点的显示有多种方式,包括图像显示、图表显示等,并能够自动进行报警提示,为管道的安全运行提供保障。另外,文章重点阐述了程序开发中的关键技术,并提供相应的人机交换界面,为其它在线监测系统的开发提供借鉴。

摘要：讨论了管道应力在线监测的重要性及意义,国内外研究现状。简单介绍了Labview的结构和特点,在选用硬件系统的基础上,以该软件为平台开发出了一套能对管道应力进行实时监测的系统,该系统能够较方便地实现数据采集、图像显示、数据分析处理、报警显示、存储打印等功能。将该系统应用于某管道应力监测中,发现运行结果良好。