管道應(yīng)力分析常規(guī)問(wèn)題的探討

周小兵

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

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設(shè) 計(jì) 技 術(shù)

管道應(yīng)力分析常規(guī)問(wèn)題的探討

周小兵

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮滿足工藝要求，還應(yīng)使管道的設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)合理又安全可靠，管道應(yīng)力分析是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的手段和方法。根據(jù)對(duì)相關(guān)規(guī)范的理解和支架設(shè)計(jì)技巧，結(jié)合長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)力分析理論，提出了管道應(yīng)力分析時(shí)需要注意的問(wèn)題，包括安裝溫度、彈簧設(shè)計(jì)、汽缸位移、再沸器及偶然工況等。

管道應(yīng)力；安裝溫度；彈簧設(shè)計(jì)；汽輪機(jī)；再沸器；偶然工況

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.004

1 管道應(yīng)力分析中如何定義安裝溫度

國(guó)內(nèi)工程公司的管道應(yīng)力分析專業(yè)通常規(guī)定：管道應(yīng)力分析的安裝溫度，依據(jù)建設(shè)項(xiàng)目所在地的氣象環(huán)境和安裝時(shí)間及業(yè)主的特殊要求來(lái)確定，如無(wú)特殊規(guī)定，則管道安裝溫度取21℃。但也有人提出，關(guān)于管道應(yīng)力分析的安裝溫度，熱管應(yīng)以最冷月平均氣溫為基準(zhǔn)，冷管應(yīng)以最熱月平均氣溫為基準(zhǔn)，認(rèn)為這樣計(jì)算結(jié)果才是最安全的。

二次應(yīng)力是由熱脹、冷縮、端點(diǎn)位移等位移荷載的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，是個(gè)位移應(yīng)力變化范圍。ASME B31．3明確指出，在進(jìn)行位移應(yīng)力范圍計(jì)算時(shí)，應(yīng)基于分析熱循環(huán)內(nèi)金屬的最高溫度與最低溫度；在進(jìn)行約束反力計(jì)算時(shí)，應(yīng)基于金屬最高(或最低)溫度與預(yù)期安裝溫度。

舉個(gè)例子，如某管道有兩種操作工況，T1=300℃，T2=-50℃，安裝環(huán)境溫度為21℃，CAESAR Ⅱ軟件會(huì)默認(rèn)建立以下工況：

L1：W+T1+P1(OPE)

L2：W+T2+P1(OPE)

L3：W+P1(SUS)

L4：L1-L3(EXP)

L5：L2-L3(EXP)

顯然，以上L4及L5都沒(méi)有代表溫度循環(huán)內(nèi)極限的位移應(yīng)力范圍，不是規(guī)范上定義的二次應(yīng)力，為了校核規(guī)范應(yīng)力，設(shè)計(jì)者需要另外增加一個(gè)工況：

L6：L1-L2(EXP)

根據(jù)規(guī)范，應(yīng)以L6來(lái)校核二次應(yīng)力，L1及L2來(lái)提熱態(tài)的約束反力條件。

安裝好的管道受環(huán)境溫度影響，上述例子中的T1也可能是冷管停車期間管道的環(huán)境溫度，T2也可能是熱管停車期間管道的環(huán)境溫度。設(shè)計(jì)者修改軟件模型中的安裝環(huán)境溫度，主要會(huì)對(duì)操作工況下的約束反力、操作工況與安裝工況之間的應(yīng)力變化范圍產(chǎn)生影響。如按照熱管以最冷月平均氣溫為基準(zhǔn)，冷管以最熱月平均氣溫為基準(zhǔn)來(lái)修改安裝環(huán)境溫度，位移應(yīng)力范圍的校核將變得更加準(zhǔn)確和安全，但約束反力會(huì)變得比較保守而偏大，這樣對(duì)敏感設(shè)備管口受力校核往往很不利，增加了設(shè)計(jì)難度。

綜上所述，準(zhǔn)確的做法是在輸入管道安裝完畢時(shí)將當(dāng)?shù)氐膶?shí)際溫度作為安裝溫度，另外，增加一種極限環(huán)境溫度，安裝溫度用來(lái)計(jì)算約束反力，操作工況與極限環(huán)境溫度之間的應(yīng)力變化范圍用來(lái)校核二次應(yīng)力。因每根管道的實(shí)際安裝溫度很難準(zhǔn)確得到，且空冷器、動(dòng)設(shè)備等廠家給出的端點(diǎn)位移條件通常也是以21℃為基準(zhǔn)，所以一般不建議更改軟件安裝環(huán)境溫度，除非項(xiàng)目和業(yè)主有明確規(guī)定。

所以，常規(guī)做法是：如不另增極限環(huán)境溫度工況，建議設(shè)計(jì)者進(jìn)行二次應(yīng)力校核時(shí)適當(dāng)考慮裕量；如不修改安裝溫度，建議結(jié)構(gòu)荷載條件適當(dāng)放大。

2 彈簧設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

細(xì)心的管道設(shè)計(jì)者在接到應(yīng)力報(bào)告后，會(huì)發(fā)現(xiàn)約束力報(bào)告彈簧點(diǎn)的位移及載荷與彈簧數(shù)據(jù)表中的不一致，有時(shí)差別還很大，不明白是什么原因。整個(gè)彈簧支吊架設(shè)計(jì)的步驟如下所述。

(1)利用標(biāo)準(zhǔn)跨距原理來(lái)選擇管架位置。假設(shè)在這點(diǎn)有一個(gè)剛性Y向約束，然后進(jìn)行質(zhì)量載荷分析。這種分析稱為“約束-質(zhì)量”分析。在這一分析中，分布在每個(gè)約束上的質(zhì)量載荷將被默認(rèn)作為彈簧選型時(shí)的熱態(tài)載荷。當(dāng)管口操作載荷不是主要因素，而法蘭配合是主要問(wèn)題時(shí)，CAESARⅡ可以提供冷態(tài)載荷設(shè)計(jì)，其中在冷態(tài)工況，而不是在熱態(tài)工況下平衡質(zhì)量載荷。

(2)其次，從管架位置除去約束，進(jìn)行熱膨脹分析，這種分析稱為“自由-熱態(tài)”分析。每個(gè)支架位置的熱態(tài)位移將被作為彈簧選擇時(shí)的熱位移。

(3)利用從“約束-質(zhì)量”計(jì)算得出的熱態(tài)載荷和“自由-熱態(tài)”得到的位移，從上述彈簧表中選擇一個(gè)彈簧對(duì)應(yīng)每個(gè)點(diǎn)，利用彈簧剛度來(lái)確定安裝所需冷態(tài)載荷(廠家預(yù)置的彈簧載荷)。

(4)通過(guò)在每個(gè)彈簧作用點(diǎn)增加一個(gè)剛度等于彈簧剛度的約束，并且通過(guò)增加彈簧預(yù)置載荷(冷態(tài)載荷)作為在持續(xù)載荷工況下起作用的力，來(lái)調(diào)整模型以反映彈簧的存在，再重新分析所有載荷工況以獲得彈簧真實(shí)存在時(shí)的效應(yīng)。

只要用戶在管系中指定彈簧，上述4個(gè)步驟(除了確定彈簧支吊架的位置)將由CAESARⅡ自動(dòng)完成。應(yīng)力計(jì)算報(bào)告中，彈簧數(shù)據(jù)表上的位移為上述第2步驟計(jì)算得到，載荷由第1步驟得到，只是用來(lái)供彈簧選型，而約束力結(jié)果中該點(diǎn)的位移及載荷值才是較真實(shí)的彈簧位移，SUS工況的位移表示彈簧拔除定位銷后的位移，通常不為零，OPE工況的位移表示操作狀態(tài)下的位移。

舉例說(shuō)明：某管道彈簧支撐點(diǎn)熱位移向下，設(shè)計(jì)時(shí)如采用熱態(tài)工況平衡質(zhì)量載荷，那么彈簧拔除定位銷后，因冷態(tài)載荷不足會(huì)有向下位移Amm，熱態(tài)下的位移剛好載荷平衡，約束力報(bào)告OPE工況中該點(diǎn)的位移即是彈簧數(shù)據(jù)表中的位移；如采用冷態(tài)工況平衡質(zhì)量載荷，那么彈簧拔除定位銷后，因冷態(tài)載荷平衡，幾乎不會(huì)有垂直方向位移，在升溫的過(guò)程中彈簧載荷逐漸變大，由于管道剛性的抑制，會(huì)讓彈簧支撐點(diǎn)實(shí)際熱位移無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值，那么約束力報(bào)告OPE工況中該點(diǎn)的位移值會(huì)比彈簧數(shù)據(jù)表中的位移值小Bmm。A、B值的大小取決于彈簧附近的管系柔性和彈簧的剛度。

當(dāng)然，A、B值還和設(shè)計(jì)誤差有關(guān)系，如附加零部件的預(yù)期質(zhì)量，且這些質(zhì)量很重要時(shí)，如沒(méi)有考慮由大管卡或型鋼制成的吊架組件的情況。某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)曾出現(xiàn)過(guò)管道上彈簧拔除定位銷后，管道下沉，彈簧全部壓死的現(xiàn)象。

通過(guò)以上分析，在彈簧使用較多，且熱位移向下、設(shè)計(jì)原則采用熱態(tài)工況平衡制動(dòng)量載荷的場(chǎng)合，如果忽略這些質(zhì)量，容易發(fā)生彈簧壓死的現(xiàn)象。

在管道設(shè)計(jì)中常常會(huì)用到彈簧支吊架，其能夠解決支架托空或支架受力過(guò)大的問(wèn)題，可減小局部應(yīng)力，文獻(xiàn)1和2介紹了更多的彈簧設(shè)計(jì)技巧，正確合理地設(shè)計(jì)彈簧支吊架是一項(xiàng)重要的工作。

3 汽輪機(jī)開車時(shí)汽缸移位問(wèn)題

常見(jiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器主要有汽輪機(jī)、離心式壓縮機(jī)和離心泵，當(dāng)管道受到熱脹冷縮的影響時(shí)，對(duì)其所連接的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器將產(chǎn)生作用力。管道作用于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的荷載(力和力矩)過(guò)大時(shí)，將造成轉(zhuǎn)動(dòng)軸的不對(duì)中、轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙改變，引起機(jī)器磨損和振動(dòng)，影響機(jī)器正常運(yùn)行。因此，必須對(duì)管道作用于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的荷載加以限制。由于汽輪機(jī)管線操作溫度較高，受力要求更為嚴(yán)格，因此汽輪機(jī)管道的柔性設(shè)計(jì)是管道應(yīng)力分析中較為困難的問(wèn)題之一。

由于背壓式汽輪機(jī)與凝汽式汽輪機(jī)相比，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，機(jī)體更單薄，受應(yīng)力作用容易變形，整體受力控制應(yīng)引起注意。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外某幾個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)出現(xiàn)過(guò)背壓式汽輪機(jī)開車時(shí)汽缸移位的現(xiàn)象。筆者從以下幾個(gè)方面分析消除管道方面的隱患的方法。

(1)設(shè)計(jì)上，首先應(yīng)保證能冷態(tài)調(diào)零，為實(shí)現(xiàn)無(wú)應(yīng)力安裝、校核熱態(tài)管口受力做好準(zhǔn)備，也就是SUS工況下進(jìn)汽口、排汽口受力幾乎為零。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)并不難，一般在汽輪機(jī)管口附近均勻地設(shè)置支架，通常采用彈簧架，以減小因垂直管道的熱膨脹引起的管口熱態(tài)作用力，第一個(gè)彈簧支吊架與管口的水平距離宜控制在4DN以內(nèi)，使壓縮機(jī)管道的自重及熱脹推力和力矩盡可能不作用到壓縮機(jī)管口上。

(2)依據(jù)廠家資料或者NEMA SM23，進(jìn)行OPE工況下管口受力校核。根據(jù)參考文獻(xiàn)3和其他資料，建議圍繞機(jī)器固定點(diǎn)布置管道，并在管道與機(jī)器固定點(diǎn)處坐標(biāo)軸的交點(diǎn)位置設(shè)置限位支架，從而使機(jī)器管口的熱膨脹與管道熱膨脹基本相當(dāng)，減小管道對(duì)機(jī)器管口的作用力。為了減小摩擦力帶來(lái)的不利影響，通常要求設(shè)置剛性吊桿和吊彈簧，限制性支架采用拉桿限位。計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮與主管相連支管的影響，一般情況下，汽輪機(jī)進(jìn)汽口管線上會(huì)有暖管放空管線，排汽口管線上會(huì)接有安全閥管線，這些管線在滿足工藝要求的前提下口徑不宜過(guò)大。

(3)在剛性支撐的情況下(即彈簧定位銷沒(méi)有拔出之前)，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范檢查管道法蘭與機(jī)器法蘭之間的間距、平行度和同軸度，剛性狀態(tài)下管口無(wú)應(yīng)力安裝的質(zhì)量應(yīng)由施工方嚴(yán)格控制。此步驟建議由經(jīng)驗(yàn)較豐富的施工人員進(jìn)行安裝，如果一次性安裝沒(méi)有通過(guò)廠家驗(yàn)收，再割開重新焊接會(huì)增加施工成本。

(4)依次取下彈簧支架的鎖定裝置，使彈簧發(fā)生作用。此時(shí)檢查相關(guān)支架是否符合設(shè)計(jì)要求，如果出現(xiàn)偏離問(wèn)題，則需要調(diào)整彈簧來(lái)滿足管口對(duì)中要求。如果偏離過(guò)大，可能需要根據(jù)管道實(shí)際壁厚重新核算彈簧載荷。需要注意的是，第3步如果沒(méi)有達(dá)標(biāo)，想在第4步最終滿足管口無(wú)應(yīng)力安裝的要求，幾乎是不可能。

4 再沸器的雙支撐設(shè)計(jì)

在化工裝置中，經(jīng)常會(huì)遇到塔與再沸器直接相連的情況，針對(duì)設(shè)備管口所受豎直方向和管線軸向的熱膨脹力，文獻(xiàn)1中已經(jīng)指出了工程中常用再沸器的兩種支撐型式和一些比較適用的措施，如找一合適的支撐標(biāo)高設(shè)置剛性支架，或者在支耳處設(shè)置彈簧支架。但如果單獨(dú)將這些做法實(shí)施在某些場(chǎng)合，其實(shí)并不合適，如再沸器質(zhì)量過(guò)大、空重和操作重差距過(guò)大等，再沸器質(zhì)量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致接管軸向推力超標(biāo)，管板法蘭連接處拉力過(guò)大可能導(dǎo)致泄漏，空重和操作重差距過(guò)大會(huì)導(dǎo)致彈簧設(shè)計(jì)困難。

某國(guó)外項(xiàng)目上出現(xiàn)的再沸器EA201，分上(2/2)段、下(1/2)段，中間用管板法蘭連接，下(1/2)段，操作液質(zhì)12 300kg，設(shè)備凈重47 000kg；上(2/2)段，操作液質(zhì)量6 600kg，設(shè)備凈重17 100kg。經(jīng)管道應(yīng)力分析專業(yè)初步研究，在再沸器上找一合適的支撐標(biāo)高設(shè)置剛性支架，或者在支耳處設(shè)置彈簧支架，均無(wú)法同時(shí)滿足設(shè)備接管及管板法蘭的受力要求。

經(jīng)研究，最終確定采用雙支撐方案，支撐結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖1，大致方案如下。

圖1 再沸器的雙支撐模型

(1)在(2/2)段，上根據(jù)2臺(tái)設(shè)備的溫度、材質(zhì)等來(lái)確定再沸器第1組支耳位置，使塔與再沸器在接管處的膨脹量相等或相近，設(shè)計(jì)為剛性滑動(dòng)承重支架，接觸面采用不銹鋼對(duì)聚四氟乙烯板，通過(guò)降低摩擦系數(shù)來(lái)進(jìn)一步減小接管水平方向的力，支耳處的螺栓孔開成沿?zé)嵛灰品较虻拈L(zhǎng)圓形孔。

(2)在(1/2)段，上設(shè)置第2組支耳，標(biāo)高可以根據(jù)設(shè)備、結(jié)構(gòu)專業(yè)需要適當(dāng)調(diào)整，采用4個(gè)吊彈簧承重，吊彈簧幾乎不用考慮摩擦力，4個(gè)彈簧的總操作載荷約為50t，建議該載荷取值范圍介于(1/2)段凈重和兩段總凈重之間，要能保證接管軸向推力、管板法蘭連接處拉力在允許的范圍內(nèi)。

5 偶然工況設(shè)計(jì)

隨著工程公司國(guó)際化的發(fā)展，海外項(xiàng)目對(duì)管道應(yīng)力分析專業(yè)的工作要求也越來(lái)越高，如在合同中明確提出管道設(shè)計(jì)中要考慮地震和風(fēng)作用。這些地震和風(fēng)作用對(duì)管道設(shè)計(jì)的影響有以下幾點(diǎn)。

在實(shí)際工程中，考慮風(fēng)和地震荷載時(shí)，管道應(yīng)力分析中均推薦采用等效靜力法來(lái)完成。對(duì)于偶然荷載作用下一次應(yīng)力的校核條件，GB 50316參照了ASME B31.1和ASME B31.3的規(guī)定，采用了放大的許用應(yīng)力系數(shù)[4]。關(guān)于荷載條件，因結(jié)構(gòu)專業(yè)也已經(jīng)做了整體的地震和風(fēng)載荷分析，所以管道專業(yè)提給結(jié)構(gòu)專業(yè)的荷載條件不要再考慮這2種偶然載荷，一般只考慮水壓試驗(yàn)HYD、安裝SUS、操作工況OPE，設(shè)備管口受力一般也無(wú)需按照這2種偶然載荷工況校核，但設(shè)計(jì)管道支吊架的附屬件，如設(shè)備預(yù)焊件、管卡、管托、拉桿、擋塊等時(shí)，應(yīng)考慮能承受偶然工況下的載荷。

管道應(yīng)力分析中包含的偶然荷載主要有風(fēng)荷載、地震荷載、安全閥泄放載荷和水錘力，這些臨時(shí)荷載無(wú)需同時(shí)構(gòu)成組合工況。

與塔、反應(yīng)器等設(shè)備相比，管道的直徑較小，風(fēng)荷載僅對(duì)大直徑、位置較高的管道存在一定影響，只要按照常規(guī)設(shè)計(jì)要求，適當(dāng)設(shè)置限制性支架，通常風(fēng)荷載的防振要求均能滿足。同理，因管道相對(duì)較小，地震發(fā)生時(shí)管道自身受地震作用造成應(yīng)力過(guò)大而破壞的可能性并不大，通常是由于設(shè)備或管架倒塌或管道從支撐物上滑落，造成管道的破壞，只要適當(dāng)設(shè)置限制性支架，根據(jù)SH 3039《石油化工非埋地管道抗震設(shè)計(jì)通則》，在絕大多數(shù)情況下，不需要進(jìn)行管道的地震分析計(jì)算。

關(guān)于管道應(yīng)力分析中的偶然工況設(shè)計(jì)，處理原則一般如下。

(1)根據(jù)規(guī)范校核管道在壓力、重力、其他持續(xù)荷載和偶然荷載所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和。

(2)如果結(jié)構(gòu)專業(yè)已經(jīng)考慮風(fēng)荷載、地震荷載，管道專業(yè)提給結(jié)構(gòu)專業(yè)的荷載條件不要再包含此2種偶然荷載，但安全閥泄放載荷和水錘力應(yīng)單獨(dú)提出，管道支吊架的附屬件，應(yīng)考慮能承受偶然工況下的載荷。

(3)偶然工況下設(shè)備接管處局部應(yīng)力校核準(zhǔn)則可參考ASME Ⅷ Div.2，但一般情況下，設(shè)備管口允許受力可不考慮偶然工況下的受力。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著工藝技術(shù)的發(fā)展、裝置規(guī)模逐漸大型化、海外項(xiàng)目比例增加，給管道設(shè)計(jì)人員帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，也對(duì)管道應(yīng)力分析專業(yè)提出了更高的要求。正確地理解相關(guān)規(guī)范，使用合適的管道應(yīng)力分析方法，才能設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)合理又安全可靠的管道布置方案。

[1]周小兵.塔與再沸器的配管及應(yīng)力分析[J].化肥設(shè)計(jì)，2009(1)：32-34.

[2]周小兵，蔡曉峰，陽(yáng)東升，等.彈簧支吊架在管道布置和應(yīng)力分析中的相關(guān)注意事項(xiàng)[J].化肥設(shè)計(jì)，2010(6)：29-31.

[3]周小兵，蔡曉峰.關(guān)于幾種典型化工裝置管道支吊架的設(shè)計(jì)[J].化肥設(shè)計(jì)，2010(3)：14-17.

[4]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國(guó)石化出版社，2003.

[5]孫煥春，袁本旺，王兵槐.高壓抽注凝汽式汽輪機(jī)主蒸汽管道的應(yīng)力分析[J].化肥設(shè)計(jì)，2016，54(1)：25-28.

修改稿日期： 2017-03-01

Discussion on the General Issues about the Piping Stress Analysis

ZHOU Xiao-bing

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223，China)

In the pipeline design，we must first consider meeting the technological requirements，but the design of the pipeline should also be economically reasonable and safe and reliable. Pipeline stress analysis is the means to achieve this goal. Based on the understanding of the relevant norms and the design techniques of brackets，combined with long-term design experience and stress analysis theory，this paper puts forward the problems deserving attention in pipeline stress analysis，including installation temperature，spring design，cylinder displacement，reboiler，accidental conditions and so on.

pipe stress；installation temperature；spring design；steam turbine；reboiler；accidental conditions

周小兵(1983年—)，男，湖北武漢人，2007年畢業(yè)于武漢工程大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事管道材料控制與應(yīng)力分析工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.004

TQ086

A

1004-8901(2017)03-0013-04