天然氣管道工程用匯氣管大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

杜亮坡 東志紅 耿 正 高 楓 李恒東

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，天然氣作為一種高效、清潔的能源，越來(lái)越受到人們的青睞。目前天然氣管道趨向于大口徑、高壓力和高強(qiáng)度的方向發(fā)展。為了順應(yīng)天然氣管道的發(fā)展趨勢(shì)，天然氣工程用匯氣管的規(guī)格及開(kāi)孔率也越來(lái)越大，而GB 150—2011《壓力容器》關(guān)于筒體開(kāi)孔率≤0.5[1]的規(guī)定已經(jīng)不能滿足匯氣管大開(kāi)孔的要求，也就是說(shuō)需另尋途徑對(duì)匯氣管大開(kāi)孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

1 大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法介紹

目前國(guó)內(nèi)大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的方法主要有壓力面積法[2]和應(yīng)力分析法[3]。

壓力面積法的適用條件：

（1）適用于內(nèi)壓圓筒形殼體、球形殼體的圓形開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)；

（2）開(kāi)孔內(nèi)徑與殼體外徑之比di/Do≤0.8；

（3）焊接應(yīng)采用全熔透結(jié)構(gòu)，尖角部位應(yīng)倒圓角過(guò)渡；

（4）材料常溫下屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值小于等于0.67。常溫下抗拉強(qiáng)度最小值大于540 MPa的材料不宜采用，如需采用這類材料，其設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)應(yīng)加以嚴(yán)格要求；

（5）焊縫應(yīng)采用射線或超聲檢測(cè)；

（6）在應(yīng)力敏感的情況下不宜采用壓力面積法開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)；

（7）在蠕變或脈動(dòng)載荷的情況下不應(yīng)采用壓力面積法開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)。

應(yīng)力分析法的適用條件：

（1）適用于內(nèi)壓作用下具有徑向平齊接管的圓柱殼；

（2）圓柱殼、接管和補(bǔ)強(qiáng)件的材料，其常溫下的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度下限值之比≤0.8；

（4）焊接采用全熔透結(jié)構(gòu)，確保補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性；

（5）殼體與接管之間角焊縫的焊角尺寸應(yīng)分別不小于δn/2和δnt/2，接管內(nèi)壁與殼體內(nèi)壁交線處圓角半徑在δn/8～δn/2之間；

（6）對(duì)殼體或接管進(jìn)行整體補(bǔ)強(qiáng)，必須滿足補(bǔ)強(qiáng)范圍的尺寸 （自管、殼交線至補(bǔ)強(qiáng)區(qū)邊緣的距離）要求： 對(duì)于殼體，l＞； 對(duì)于接管，l＞，或整體加厚殼體；

（7）應(yīng)力分析法適用于下列參數(shù)范圍：開(kāi)孔率ρ0≤0.8,max[0.5,ρ0]≤δet/δe≤2。

2 壓力面積法與應(yīng)力分析法的區(qū)別

壓力面積法與應(yīng)力分析法的區(qū)別主要是設(shè)計(jì)上采用的失效準(zhǔn)則和強(qiáng)度理論不同。壓力面積法采用彈性失效準(zhǔn)則，當(dāng)容器內(nèi)某最大應(yīng)力點(diǎn)達(dá)到屈服極限時(shí)，即認(rèn)為容器喪失了純彈性狀態(tài)而失效，其采用的是第一強(qiáng)度理論，以第一主應(yīng)力作為控制應(yīng)力。應(yīng)力分析法采用塑性失效準(zhǔn)則和彈塑性失效準(zhǔn)則，允許容器結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可控制的局部塑性區(qū)，允許對(duì)峰值應(yīng)力部位作有限壽命設(shè)計(jì)，其采用的是第三強(qiáng)度理論，以第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力作為控制應(yīng)力。由于壓力面積法與應(yīng)力分析法所采用的失效準(zhǔn)則和強(qiáng)度理論不同，因而材料許用應(yīng)力的取值也有所不同。

壓力面積法材料的許用應(yīng)力為下列各值中的最低值：

（1）常溫下材料抗拉強(qiáng)度下限值Rm的1/2.7；

（2）常溫下材料屈服強(qiáng)度 （0.2%、1.0%非比例延伸強(qiáng)度）ReL(Rp0.2、Rp1.0）的1/1.5；

（3）設(shè)計(jì)溫度下材料的屈服強(qiáng)度 （0.2%、1.0%非比例延伸強(qiáng)度）(、）的1/1.5；

（4）材料在設(shè)計(jì)溫度下經(jīng)10萬(wàn)小時(shí)后斷裂的持久強(qiáng)度平均值的1/1.5；

（5）材料在設(shè)計(jì)溫度下經(jīng)10萬(wàn)小時(shí)后蠕變率為1%的蠕變極限平均值的1/1.0。

應(yīng)力分析法材料的許用應(yīng)力為下列各值中的最低值：

（1）常溫下材料抗拉強(qiáng)度下限值Rm的1/2.4；

（2） 常溫下材料屈服強(qiáng)度 ReL（Rp0.2）的 1/1.5；

（3）設(shè)計(jì)溫度下屈服強(qiáng)度RteL(Rtp0.2）的1/1.5。

壓力面積法與應(yīng)力分析法除在設(shè)計(jì)方面有所不同外，在制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收方面也有所不同，相對(duì)來(lái)說(shuō)應(yīng)力分析法在制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收方面要比壓力面積法嚴(yán)格。

3 匯氣管大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

下面以某一實(shí)際工程中的天然氣管道匯氣管大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)為例，分別用壓力面積法和應(yīng)力分析法對(duì)其進(jìn)行大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。圖1為某天然氣管道匯氣管結(jié)構(gòu)，匯氣管的設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度為60℃，腐蝕裕量為2 mm。筒體內(nèi)徑為600 mm，筒體壁厚為22 mm，材質(zhì)為Q345R。接管的尺寸為?451 mm×32 mm，材質(zhì)為16MnⅢ，接管的外伸長(zhǎng)度為200 mm。按照GB 150—2011《壓力容器》， 匯氣管的開(kāi)孔率 ρ0= （451-2×32+2×2）/600≈0.65＞0.5，已經(jīng)不能滿足該標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的規(guī)定。從壓力面積法和應(yīng)力分析法的適用條件判斷，匯氣管的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)滿足壓力面積法和應(yīng)力分析法的要求?，F(xiàn)分別以壓力面積法和應(yīng)力分析法對(duì)匯氣管的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算。

圖1 匯氣管結(jié)構(gòu)

（1）壓力面積法

殼體補(bǔ)強(qiáng)的有效寬度：

由于匯氣管殼體和接管的材質(zhì)不同，按下式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算：

式中[σ]——?dú)んw材料的許用應(yīng)力,為185.1 MPa；

[σ]1——接管材料的許用應(yīng)力,為166.6 MPa；

Aσ0——?dú)んw上有效金屬面積，為2 827.5 mm2；

Aσ1——接管上有效金屬面積，為4 194.0 mm2；

Ap——補(bǔ)強(qiáng)有效范圍內(nèi)的壓力面積，為131 391.3 mm2；

p——設(shè)計(jì)壓力，為6.3 MPa。

由此可知，用壓力面積法該匯氣管的接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)滿足要求。

（2）應(yīng)力分析法

根據(jù)JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄J的規(guī)定進(jìn)行下述計(jì)算。

殼體中面直徑：

由 ρ0、 λ、 δet/δe查 JB/T 4732—1995 《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄J曲線圖組J-2，當(dāng) ρ0=d/D=0.6時(shí)， Km≈2.90， K≈4.60； 當(dāng) ρ0=d/D=0.7時(shí)，Km≈3.45，K≈4.55。根據(jù)內(nèi)插法，當(dāng)ρ0=d/D=0.66 時(shí)， Km≈3.23， K≈4.57。

一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度:

滿足應(yīng)力分析法開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的條件為：

式中Di——?dú)んw內(nèi)徑，為600 mm；

do——接管外徑，為451 mm；

K——一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度集中系數(shù)；

Km——一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度集中系數(shù)；

p——設(shè)計(jì)壓力，為6.3 MPa；

D——?dú)んw中面直徑，為620 mm；

d——接管中面直徑，為421 mm；

Sm——?dú)んw設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，Q345R的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度為208.3 MPa;

δn——?dú)んw名義厚度，為22 mm；

δnt——接管名義厚度，為32 mm；

δe——?dú)んw有效厚度，為20 mm；

δet——接管有效厚度，為30 mm；

C——腐蝕裕量，為2 mm；

ρ0——開(kāi)孔率；

λ——參數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，2.2Sm=458.3 MPa，2.6Sm=541.6 MPa，因此SⅡ≤2.2Sm和SⅣ≤2.6Sm的條件滿足，即應(yīng)用應(yīng)力分析法該匯氣管的接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)滿足要求。

4 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)匯氣管殼體的開(kāi)孔率不能滿足GB150規(guī)定時(shí)，可采用壓力面積法或應(yīng)力分析法對(duì)殼體的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算。壓力面積法和應(yīng)力分析法的區(qū)別在于設(shè)計(jì)上所采用的失效準(zhǔn)則、強(qiáng)度理論和適用條件不同。在大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)壓力面積法和應(yīng)力分析法的各自適用條件進(jìn)行選擇。

[1]GB 150.1～150.4—2011.壓力容器[S].

[2]HG/T 20582—2011.鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定[S].

[3]JB/T 4732—1995.鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].