液化天然气架空管道受力分析及设计方法

所属栏目:矿业论文 发布日期:2010-08-25 10:44 热度:

  【摘要】液化天然气架空管道的设计工作是液化天然气供应站总体设计中不可或缺的一个组成部分,而相当一部分城市燃气行业的设计人员对这种架空低温介质管道的设计工作比较陌生。在此种管道的设计工作中,管道的受力分析是设计工作能否成功的一个重要因素。文章将结合自身的设计经验对液化天然气架空管道的受力机理、分析方法和设计中应注意的问题进行阐述,以期对读者能有所帮助。
  【关键词】液化天然气;架空管道;受力分析;设计方法
  1.引言
  对于选择液化天然气供气方案的城市,液化天然气供应站是城市燃气管网系统的源头,地位十分重要液化天然气供应站的核心组成部分是工艺装置区在此一区域。经卸车自增压器输入储罐进行储存的液化天然气,将通过气化器、调压器等装置气化、调压,成为普通的天然气,输送给城市地下管网。为方便检修起见,连接这些装置的工艺管道一般均为地上低位架空管道由于液化天然气是—168℃的低温液体。造成架空管道内的介质温度与管道安装温度存在较大差异,温度应力对管道的影响十分明显如果不对这种影响进行合理的解决,有可能造成管道与设备连接处发生泄漏、损坏,或者是设备在推力的作用下产生过量变形,无法正常工作,乃至报废。
  除了温度应力以外,和其它架空管道一样,由内压引起的管道环向应力和正应力,由管道自重、介质重等竖向持续荷载造成的弯曲应力,由偶然荷载(如地震区的水平地震作用和沿海地区的台风)引起的水平方向应力,都对管道有一定的影响,处理不当仍然可能造成灾难性后果。笔者将从液化天然气架空管道一次应力的计算和管道跨距的确定、液化天然气架空管道的补偿措施和温度应力的计算理论以及液化天然气架空管道设计方法3个方面对这些问题进行一一阐述。
  2.液化天然气架空管道一次应力的计算和管道跨距的确定
  2.1由内压引起的管道环向应力和正应力
  一般设计人员对此部分内容十分熟悉,我们不再赘述只指出.由于泊松效应.环向应力会引起正(轴向)应力,其计算公式为:
                                     公式1.jpg
  式中P——管道的设计压力:D0——管道的外径;S——管道的壁厚
  2.2竖向持续荷载造成的弯曲应力及管道跨距的确定
  所谓架空管道,顾名思义,即隔一定距离就需要用支架将管道支撑起来。在不考虑水平和温度受力的情况下,支架只需提供竖向支撑.我们称只提供竖向支撑的支架为活动支架。在强度计算时一般可简化为三跨连续梁模型,则最大弯矩(发生在支座处)方程为:
  公式1.jpg(单位:N•m)
  式中q一管道单位长度荷载设计值=1.2(管道单位长度自重+管道单位长度保温重)+管道单位长度满水重,灰、雪荷载忽略未计,N/m
  L——跨距(活动支架间的距离),m
  相应的最大弯曲应力为:
  公式1.jpg(单位:N/m2)
  式中管道的截面系数,cm3当然,实际工程中的管道,拐弯很多,还要计及轴向弯曲应力的组合影响,情况较上式复杂。此外,架空管道的跨中挠度还不允许超过一定的限值,否则会对管道的正常运行造成不利影响。连续铺设的无坡度管道,挠度方程为:
  公式1.jpg(单位:m)
  式中q广管道单位长度荷载标准值=管道单位长度自重+管道单位长度保温重+管道单位长度满水重,N/m:EI-管材一168~C时的弹性模量2.08xl05N/mmz;J一截面惯性矩.cm4;x一支座至计算截面的长度,m
  以上也就是确定管道跨距时需要满足的两个必备条件,即强度条件(弯曲应力不超限)和刚度条件。
  目前各种计算手册中所列的跨距表都不太适用于液化天然气架空管道。这主要是因为:①已有跨距表保温重量考虑过大,至少是150kg/m,。而液化天然气架空管道的保温层材料一般是架桥发泡聚乙烯,表观密度仅26kg/m3,两者相差过大。②已有跨距表进行刚度条件计算时,都考虑管道是有坡度的。而实际上,液化天然气架空管道都不需要设置坡度,这也会造成一定误差。我们针对液化天然气架空管道的自身情况,计算了一套专门适用于它的跨距表。
  强度条件计算时,我们的原则是:①荷载采用设计值:②由竖向持续荷载在管壁中引起的一次应力不应大于许用应力的1/2,即引人一个0.5的系数。于是.强度条件下的允许最大跨距计算公式为:
  公式1.jpg(单位:m)
  式中一焊缝系数,按手工电弧焊,取0.7;管材在工作温度下的许用应力;按考虑奥氏体不锈钢≤20cI=时的管材许用应力,取137N/mm2刚度条件计算时,我们的原则是:①荷载采用标准值;②当一个中间支架失效时,管道最大挠度不应大于0.005。于是,刚度条件下的允许最大跨距计算公式为:
  公式1.jpg(单位:m)
  2.3由偶然荷载引起的水平方向应力架空管道
  以上谈的是竖向支撑问题,为了避免管道侧向失稳,还需要隔一定距离设置侧向支点(此处的支架称导向支架)。当管道上存在风荷载或地震等横向作用时。侧向支点就更加重要。风荷载标准值的计算公式如下:
                               公式1.jpg
  式中——该工程地的基本风压;一风压高度系数;一当多管共架时,要考虑各管的互相影响,乘此体形系数,水平地震作用标准值计算公式如下:
                          公式1.jpg
  式中仅一相应于管道基本自振周期的地震影响系数:Gl踟一管道的总重力荷载代表值。
  3.液化天然气架空管道的补偿措施和温度应力的计算理论
  3.1液化天然气架空管道的补偿措施
  管道的温度应力来源是管材的热胀冷缩。由于管道总是有约束的连接装置,管道的热胀冷缩总是受到限制,于是管道上就产生了温度应力。进一步的管道对约束它的物体还要施以推(拉)力,且此种作用力的方向随温度变化而循环往复。我们可以做一个实验,假设有一条直管段连接储罐和气化器,不做任何温度补偿措施。在只考虑温度应力的情况下,管道对两端装置的推(拉)力。
  推(拉)力的量值确实是不容忽视的,当管径为200mm,推(拉)力竟达2339400N,什么设备经受得了如此大的作用力呢?所以,在液化天然气架空管道上必须采取温度补偿措施。
  在《城镇燃气设计规范》中指出,管道应尽量采用自然补偿的方式,即利用管道自身弯曲段的柔性吸收温度应力。实际工程中,经常使用的是L形自然补偿器。Z形自然补偿器(如图2b)和矩形自然补偿器。另外,为减轻应力集中、减小补偿器尺寸和保证管道侧向稳定性,我们还经常把一条管道人为的分成若干段,在分段点上把管道与支座焊死(此处的支架称固定支架),使管道在此处不能产生位移和转角。每段中部设置一个补偿器,使每段管的温度应力由每段管的补偿器吸收,固定点的不平衡推力由固定支架承担。
  3.2温度应力的计算理论
  当管道成为带拐点的平面管系后,计算将趋于复杂我们以一个采用L形补偿的管段为例加以介绍。目的是使读者初步了解温度应力计算的基本理论。两端固定点或是固定支架分段点,或是装置连接点,其它受力和稳定问题暂不考虑。如果我们将一端的约束去掉,代以等效力和力矩。在这些力和力矩的作用下,此端变形量仍应为零。于是有以下的变形协调方程组:
                                   公式1.jpg
  根据此关系利用力法或位移法.就可求得弹性推(拉)力,再根据求得的推(拉)力和弯矩图,可进一步求得各点应力。这就是计算温度应力的基本方法。但是,实际工程中的管道路由情况千变万化,温度应力计算是十分复杂烦琐的。为了简化计算,前人创造了许多简化计算图表,供大家使用。近年来,计算机的应用日益普及,温度应力计算也早以进入程序计算时代了。
  4.液化天然气架空管道设计方法
  通过以上的论述,大家肯定已经对液化天然气架空管道的受力情况有了梗概性的了解,下面我们总结一下液化天然气架空管道的设计步骤和方法。
  4.1第一步:确定管径、壁厚及平面布置。
  本部分内容与地下或常温管道没有本质性的区别。
  4.2第二步:根据现场情况,参考跨距表,初步确定支架位置。
  实际工程中,管道繁多、布置复杂,往往是多管共架.确定支架位置时要注意满足最细管的要求。如确有必要拉开跨距,可与结构专业设计人员协商,采用纵梁式支架。此时,不必考虑管径,统一取一个跨距数值即可(一般为9m)。另外,跨距表中的跨距推荐值适用于直管中跨。对弯管跨,要乘以折减系数0.6—0.7:对尽端跨(与装置连接处也应认为是尽端跨),要乘以折减系数0.8。
  4.3第三步:初步确定管道的固定支架间距及每段的补偿方案
  确定固定支架间距时主要是以直管段(指不含补偿器)不产生纵向弯曲为原则。这是因为,与其它长细杆类似.直管段在温度作用力下,如果除轴向伸缩变形还存在纵向(平面外)弯曲的话,管段有失稳的危险固定支架间距确定。短边最小距离是以满足补偿量为原则确定的在设置固定支架的同时,还应特别注意在合适位置设置导向支架。除满足间距要求外,在补偿器管端以外40管径的位置也一定要设置导向支架。
  4.4第四步:带入计算机程序,进行计算分析
  带入计算机程序时,应是每个补偿段分别带人。当本管段上有支管时,应带支管一起计算,否则要把支管对母管的力和位移影响人工填人程序。此外,要特别提醒结构专业设计人对储罐基础进行沉降控制,应要求其提供基础最终沉降量,作为附加位移作用在管道与储罐相连的节点上。管段的一次应力要满足下式:
  公式1.jpg
  此外,对装置的推力应不大于装置的承受能力,应向厂家落实。
  5.结语
  架空管道受力分析是一个非常复杂的课题,很多工程设计人员穷其毕生精力从事这方面的研究和设计工作。与化工、热力和电力等行业相比,城市燃气行业涉及这个问题比较晚,经验严重不足。我们必须奋起直追,多学习,多实践。不但要吸取兄弟行业的宝贵经验,而且应该摸索出一套适用于我们自己的行业经验。我们只是在这方面做了一些初步的探索,还很肤浅,希望能抛砖引玉,引后者高论。
  
  参考文献
  [1]帅建,于贵杰.管道及储罐强度设计[M].北京:石油工业出版社.2006,(2)
  [2]曲昭嘉,王瑾,曲圣伟.简明管道支架计算及构造手册[M].北京:机械工业出版社.2002,(3)
  [3]沈良峰.天然气管道事故应急气量的预测研究[J].工业工程与管理,2004,(6):83
  [4]周前祥,张达贤.液化天然气架空管道受力分析及设计方法[J].系统工程与电子技术,2006,(2):32
  [5]吴伟东.液化天然气管道设计新方法[J].天津城市建设学院学报,2007,(2):52
  
  

文章标题:液化天然气架空管道受力分析及设计方法

转载请注明来自:http://www.sofabiao.com/fblw/ligong/kuangye/1922.html

相关问题解答

SCI服务

搜论文知识网的海量职称论文范文仅供广大读者免费阅读使用! 冀ICP备15021333号-3