分子筛纯化系统高温管道应力分析

　　近年来，空分设备向大型化发展，分子筛纯化系统作为空分设备的关键系统之一亦呈大型化发展趋势。一套大型空分设备的分子筛纯化系统管路要经历多种运行工况，其应力状态非常复杂，通过正确的应力分析，确保整个系统处于安全使用状态是一个关键设计环节。下面依据 《工艺管道》(ASME B31. 3—2006) 、 《压力管道规范 工业管道 第3 部分: 设计与计算》 (GB/T 20801.3—2006) 以及 《钢制压力容器—分析设计标准 》(JB/T 4732—1995) ，利用CAESAR Ⅱ和NozzlePro有限元软件对分子筛纯化系统管路的应力分析进行阐述，并对补偿器和弹簧支吊架的使用进行一些说明。

　　1 分子筛纯化系统高温管路应力分析评定准则

　　分子筛纯化系统高温管道的规格为Φ1625mm×22 mm，材质为L245NB，采用线性有限元方法并按梁单元进行力学模拟，来分析管系在静荷载下的应力水平、热位移大小以及管道支吊架反力和设备管口荷载。设备管口局部应力校核引入有限元分析，获取管口刚度值代入管系力学模型，计算出准确的容器管口荷载进行管口局部应力校核。

　　1. 1 管道应力分析

　　分子筛纯化系统高温管道在内压、自重、热胀、外部荷载 ( 阀门、保温材料等持久荷载，地震、风载、冰雪等临时荷载) 以及边界位移约束下，管道截面上会产生应力。基于设计规范，管道应力评定包括一次应力和二次应力。

　　1. 1. 1 一次应力评定

　　一次应力的评定要求相应荷载按照规范要求的工况组合计算得到的当量应力满足一定的强度条件，以防止材料出现过度的塑性变形，从而导致管道损坏。一次应力评定包括两方面的内容。

　　(1) 持久荷载应力评定: 由内压、自重等持久荷载组合工况在管道和管道元件产生的纵向应力总和SL1，小于等于管道工作温度下许用应力Sh[1]，即

式中:P 为设计压力，MPa;D 为管外径，mm;Te为管道有效厚度，mm; MA为持久荷载组合工况在管道截面上产生的弯矩，N·mm; ZB为管子或管件的抗弯截面模量，mm³。

　　(2) 持久荷载与偶然荷载组合工况应力评定:持久荷载和地震或风荷载同时作用在管系上产生的纵向应力总和SL2，小于等于管道许用应力Sh的1.33 倍，即

式中: MB为持久荷载与临时荷载组合工况在管道截面上产生的弯矩，N·mm。临时荷载中的风荷载和地震荷载不用同时考虑。

　　1. 1. 2 二次应力评定

　　热胀以及边界位移约束产生的位移应力属于二次应力，二次应力具有自限性，局部的屈服和小变形可以满足约束条件或者变形连续要求。二次应力的评定基于安定性条件，可以防止材料低周疲劳破坏; 同时，为了防止材料出现高周疲劳破坏，二次应力评定中引入了应力范围减小系数f，对允许的应力范围进一步加以限制。二次应力的评定要求位移应力SE小于许用应力SA。