管道对设备管口作用力的校核方法

管道的应力分析除要保证管道内的应力符合规定以外,还应使管道对设备管口的作用力小于设备管口的许用值,以保证设备能够安全地运行。设备管口的许用载荷一般由制造商提出,当制造商无数据时,可按下列规定进行核算。

1.压力容器上管口的许用载荷

压力容器(如塔、储罐、换热器和反应器)上的管口载荷原则上应提交给设备专业,由设备专业对管口的应力进行校核。但实际上设备专业不可能对每一个管口都进行校核,而是通常用一个较为保守的经验值作为压力容器管口的许用载荷。当实际计算的管口载荷小于此经验值时,可认为管口是安全的。当实际计算的管口载荷大于此经验值时,可以将实际计算出的管口载荷提交给设备专业,由设备专业进行局部应力计算。也可以通过调整管道的走向来减小管口载荷。通常不同的工程公司根据自己实际的工程经验,给出的设备管口许用载荷的经验值也是不同的。表5-4是国际上应用较为广泛的设备管口许用载荷值,供参考。压力容器管口载荷的坐标系统图见图5-13。

图5-13　压力容器管口载荷的坐标系统图

表5-4　压力容器和热交换器的最大许用接管载荷

①b值按表5-5选用。

表5-5　b值

②VR=
③MR=
注:D的单位为英寸。

2.离心泵管口的许用载荷

对于石化装置用泵,通常其管口的许用载荷应符合API610规定,详见表5-6。

表5-6　泵的管口载荷(API610)

泵管口受力的坐标系见图5-14。

图5-14　泵管口载荷坐标系统图

如果实际计算的管口载荷小于表5-6中的许用载荷值,则认为泵的管口是安全的。如果实际计算的管口载荷大于表5-6中的许用载荷值而在两倍的许用载荷以内,可按API610附录F提供的公式对泵的进出口进行校核,如果校核通过,仍可认为该泵是安全的。API610附录F的公式计算如下。

1)单个管口的分力和分力矩满足如下条件。

对于吸入口:

对于排出口:

2)单个管口的合力及合力矩满足

式中 FRSA——吸入口所受的合力,N;

FRDA——排出口所受的合力,N;

MRSA——吸入口所受的合力矩,N·m;

MRDA——排出口所受的合力矩,N·m;

FRST2——表5-6规定的吸入口允许合力值,N;

FRDT2——表5-6规定的排出口允许合力值,N;

MRST2——表5-6规定的吸入口允许合力矩值,N·m;

MRDT2——表5-6规定的排出口允许合力矩值,N·m。

3)泵所受总体合力与合力矩

式中 FRCA——吸入和排出口上作用力的合力,N;

MRCA——吸入和排出口上力与力矩合成到泵中心的合力矩,N·m;

MYCA——吸入和排出口上力与力矩合成到泵中心的y方向合力矩,N·m;

MYST2——表5-6规定的吸入口y方向的允许合力矩,N·m;

MYDT2——表5-6规定的排出口y方向的允许合力矩,N·m。

【例】 一台悬臂型轴向吸入API泵,泵口尺寸和相对于泵中心的位置坐标见表5-7,泵接口处的载荷见表5-8,载荷的坐标系按图5-14中端部吸入和顶部排出的卧式泵坐标系统。试校核该泵的受力是否符合标准。

表5 7　泵口尺寸和位置坐标

表5-8　泵口处的载荷

【解】 (1)首先比较单个管口的受力情况。

对于吸入口:

满足式(5-26)。

对于排出口:

满足式(5-27)。

单个管口各分力和力矩超出表5-6中的数值,但均不大于其2倍,因此需要进一步校核。

(2)校核单个管口的合力及合力矩吸入口:

满足式(5-28)。

排出口:

满足式(5-28)。

(3)泵总体合力与合力矩的校核

所以满足FRCA≤1.5(FRST2+FRDT2)22

所以满足|MYCA|≤2.0(MYST2+MYDT2)

所以MRCA≤1.5(MRST2+MRDT2)

该泵的管口受力符合API610标准。

3)离心式压缩机管口的许用载荷

石化装置离心式压缩机进出口的许用载荷应符合API617规定。

压缩机管口受力坐标系见图5-15。

图5-15　压缩机管口载荷坐标系统图

●作用在压缩机任一接管口上的合力和合力矩应满足下式。

FR+1.09MR≤54.1De

(5-30)

FR:作用在管口上的合力,N,FR=

MR:作用在管口上的合力矩,N·m,MR=

De:接管口的当量计算直径,mm;

D:接管口名义直径。

●在压缩机最大接管口的连接法兰中心处的合力和合力矩的各个分量应满足下式。

式中　Fcx——与压缩机轴平行的水平合力分量,N;

Fcy——垂直方向的合力分量,N;

Fcz——与压缩机轴垂直的水平合力分量,N;

Mcx——围绕压缩机轴平行的水平轴线的合力矩分量,N·m;

Mcy——围绕垂直轴线的合力矩分量,N·m;

Mcz——围绕压缩机轴垂直的水平轴线的合力矩分量,N·m;

Fc——压缩机各个管口总的合力,N,Fc=

Mc——压缩机各个管口总的合力矩,N·m,Mc=

Dr——各个管口总面积的当量直径,mm;

Dc——各个管口总面积的当量计算直径,mm。

对于Dr＞230mm,Dc=(460+Dr)/3

对于Dr≤230mm,Dc=Dr(www.xing528.com)

(5-33)

●在进口、抽加气口和出口最大的连接法兰中心处的合力和合力矩应满足下式。

Fc+1.64Mc≤40.4Dc

(5-34)

4)往复式压缩机管口的许用载荷

对于往复式压缩机(包括往复泵)来说,规范API618没有特别强调管口的许用载荷,因此在作管道柔性分析时不需特别考虑。对于往复式压缩机(或往复泵),控制由往复载荷产生的振动是最为关键的,这就需要管道系统具有尽量大的刚性。对于往复式压缩机的振动分析将在第5.7节作详细介绍,目前工程中关于往复式压缩机进、出口管线的振动分析一般均由压缩机厂方完成,因此,在进行压缩机进出口管线的走向设计时应多与压缩机厂方联系,使管系在满足柔性分析的基础上有尽量大的刚性。

5)蒸汽轮机管口的许用载荷

图5-16　汽轮机管口载荷坐标系统图

汽轮和管口载荷坐标系统见图5-16。作用在蒸汽轮机管口上的合力和合力矩应满足标准NEMASM23—1991,详见式(5－35)。

●作用在蒸汽轮机任一接管口上的合力和合力矩应满足式(5-35)。

FR+1.09MR≤29.8De

(5-35)

FR:作用在管口上的合力,N,FR=

MR:作用在管口上的合力矩,N·m,MR=

对于D＞200mm,De=(400+D)/3

对于D≤200mm,De=D

(5-36)

De:接管口的当量计算直径,mm;

D:接管口名义直径。

●在进口、抽加气口和出口最大的连接法兰中心处的合力和合力矩的各个分量应满足式(5-37)。

Fcx≤8.93Dc Mcx≤13.58Dc

Fcy≤22.33Dc Mcy≤6.79Dc

Fcz≤17.86DcMcz≤6.79Dc

(5-37)

符号说明同式(5-32)。

●在进口、抽加气口和出口最大的连接法兰中心处的合力和合力矩应满足下式:

Fc+1.64Mc≤22.32DcFcz=57 17.86Dc=4341.8

(5-38)

【例】 某石化厂有一台汽轮机,其管口位置见图5-17。经计算,各管口受力见表5-9。试校核该汽轮机受力是否符合NEMASM23标准。

图5-17　汽轮机管口载荷坐标系统图

表5-9　汽轮机口外加载荷

【解】 (1)校核汽轮机各个管口的受力

①校核进汽口受力

FR+1.09MR=1439.7

D=100mm≤200mm

De=D=100mm

29.8De=2980

故有FR+1.09MR≤29.8De,受力合格。

②校核排汽口受力

故有FR+1.09MR≤29.8De,受力合格。

汽轮机各个管口的受力合格。

(2)校核汽轮机整体受力

以汽轮机排出口作为坐标原点,汽轮机口尺寸和位置坐标见表5-10。

表5-10　汽轮机口尺寸和位置坐标

①计算各管口受力在蒸汽出口处的合力和合力矩的各分量:

Fcx=153-389=-236(N)

Fcy=-534+205=-329(N)

Fcz=215-158=57(N)

Mcx=-568+982+0.61×215-0.62×(-534)=876.2(N·m)

Mcy=-462+1161+0.62×153-(-0.307)×215=859.9(N·m)

Mcz=-251-100-0.307×(-534)-0.61×153=-280.4(N·m)

②管口受力在蒸汽出口处的合力和合力矩的各分量校核

各管口面积之和A为

折算直径Dr为

合力和合力矩的各分量校核合格。

③合力和合力矩的整体校核:

故有Fc+1.64Mc≤22.32Dc,受力合格。

汽轮机的整体受力合格。

综上所述,汽轮机管口的受力符合NEMASM23的要求。

6)空冷器管口的许用载荷

空冷器管口载荷坐标系统见图5-18。

空冷器管口的许用载荷应符合API661的规定,详见表5-11。

图5-18　空冷器管口载荷坐标系统图

表5-11　空冷器的管口许用载荷

续表

每个集箱上各个管嘴载荷的总和不应超过下列数值:

7)加热炉管口的许用载荷

加热炉管口载荷坐标系统见图5-19。

加热炉管口的许用载荷和位移量应符合API560的规定,详见表5-12和表5-13。

图5-19　加热炉管口载荷坐标系统图

表5-12　加热炉的管口许用载荷

表5-13　加热炉的管口位移量