工藝管道一次應(yīng)力校核方法分析

雷俊杰

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

工藝管道一次應(yīng)力校核方法分析

雷俊杰

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

由于目前對ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)和CAESARII管道應(yīng)力分析軟件的理解和應(yīng)用不同，國內(nèi)外工程公司按照ASME B31.3校核工藝管道一次應(yīng)力通常考慮冷態(tài)一次應(yīng)力，而忽略了熱態(tài)一次應(yīng)力。通過解讀冷態(tài)一次應(yīng)力和熱態(tài)一次應(yīng)力的定義，根據(jù)ASME B31.3-2014規(guī)定的校核準(zhǔn)則，討論了熱態(tài)一次應(yīng)力的四種計算方法，并編制了相應(yīng)的管道應(yīng)力分析工況。最后結(jié)合某管道系統(tǒng)案例，應(yīng)用CAESARII管道應(yīng)力分析軟件對熱態(tài)一次應(yīng)力的四種計算方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，對比分析了不同方法的工況定義和計算結(jié)果，提出建議方法，供同行參考。

工藝管道；應(yīng)力分析；一次應(yīng)力；熱態(tài)；冷態(tài)；工況

管道應(yīng)力分析主要是為防止管道內(nèi)應(yīng)力過大造成管道自身的破壞。壓力、重力、風(fēng)、地震、沖擊等不同載荷將引起管道內(nèi)不同類型的應(yīng)力。根據(jù)產(chǎn)生應(yīng)力載荷的不同，將應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力[1]。

目前，國內(nèi)外工程公司按照ASME B31.3校核工藝管道的一次應(yīng)力，但由于對ASME B31.3和CAESAR II管道應(yīng)力分析軟件的理解和應(yīng)用不同，一般僅校核冷態(tài)一次應(yīng)力，忽略了熱態(tài)一次應(yīng)力。因此，本文將對工藝管道一次應(yīng)力進(jìn)行分類，然后分別討論分析冷態(tài)一次應(yīng)力和熱態(tài)一次應(yīng)力校核方法，最后提出一種比較全面的分析方法。

1 一次應(yīng)力的定義

一次應(yīng)力：工藝管道由于壓力、重量等持續(xù)載荷而產(chǎn)生的縱向應(yīng)力。它是外部載荷的實際承擔(dān)者，隨外力載荷的增加而增加。當(dāng)管道內(nèi)的塑性區(qū)擴(kuò)展到極限狀態(tài)，即使外力載荷不再增加，管道仍將產(chǎn)生不可限制的塑性流動，直至破壞[2]。

冷態(tài)一次應(yīng)力：工藝管道在安裝狀態(tài)，由于壓力、重量等持續(xù)載荷而產(chǎn)生的縱向應(yīng)力。

熱態(tài)一次應(yīng)力：工藝管道在操作狀態(tài)，由于壓力、重量等持續(xù)載荷而產(chǎn)生的縱向應(yīng)力。

2 一次應(yīng)力的校核準(zhǔn)則

ASME B31.3-2014標(biāo)準(zhǔn)302.3.5節(jié)定義：一次應(yīng)力是管道系統(tǒng)任一組件由于如壓力、重量等持續(xù)載荷而產(chǎn)生的縱向應(yīng)力的總和SL，應(yīng)不超過所考慮操作條件相應(yīng)溫度對應(yīng)的許用應(yīng)力Sh，即滿足SL＜Sh[3]。

ASEM B31.3-2014標(biāo)準(zhǔn)還對一次應(yīng)力校核增加了說明，SL的計算需要考慮支架起作用或者支架不起作用的所有工況，并選擇不同工況的最大值作為SL的計算值[3]。而在ASME B31.3-2014版之前的標(biāo)準(zhǔn)中并未對SL的計算工況做出規(guī)定[4-5]。

ASME B31.3-2010標(biāo)準(zhǔn)320.2節(jié)首次提出持續(xù)應(yīng)力計算公式如下[5]：

式中：SL為持續(xù)應(yīng)力；Sa為持續(xù)縱向力引起的應(yīng)力；Sb為持續(xù)彎矩引起的應(yīng)力；St為持續(xù)扭矩引起的應(yīng)力。

3 一次應(yīng)力的計算方法

工藝管道熱態(tài)一次應(yīng)力和冷態(tài)一次應(yīng)力校核需考慮載荷如下：重量載荷W，包括管道、保溫、介質(zhì)及剛性元件的重量；壓力載荷P；彈簧載荷H；溫度載荷T。

管道應(yīng)力分析工況類型定義如下：SUS為持續(xù)工況；Alt-SUS為關(guān)聯(lián)持續(xù)工況；OPE為操作工況；EXP為熱膨脹工況。

3.1 冷態(tài)一次應(yīng)力的計算方法

根據(jù)冷態(tài)一次應(yīng)力的定義，冷態(tài)一次應(yīng)力校核工況為W+P+H（SUS）。

3.2 熱態(tài)一次應(yīng)力的計算方法

3.2.1 刪除支架法

刪除操作狀態(tài)脫空的支架，重新分析管道模型，計算熱態(tài)一次應(yīng)力。

3.2.2 工況相減法

操作工況W+T+P+H（OPE）減去溫度工況T（EXP）計算熱態(tài)一次應(yīng)力。

3.2.3 ASME B31.3附錄P法

ASME B31.3附錄P提供評價管道系統(tǒng)應(yīng)力范圍的另一種規(guī)則。附錄P考慮操作條件下的應(yīng)力，包括位移和持續(xù)載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，而不僅是位移應(yīng)力范圍。該方法考慮管道離開支架時的非線性影響。通過激活CAESAR II軟件配置中附錄P選項，即可計算熱態(tài)一次應(yīng)力。

3.2.4 關(guān)聯(lián)傳遞法

CAESAR II-2016版軟件提供Alt-SUS工況類型，每一個操作工況關(guān)聯(lián)一個持續(xù)載荷工況，通過將操作工況的剛度矩陣傳遞到持續(xù)載荷工況，計算操作工況對應(yīng)的熱態(tài)一次應(yīng)力。

4 一次應(yīng)力校核案例

下文通過一個案例說明冷態(tài)一次應(yīng)力和熱態(tài)一次應(yīng)力的計算方法。如圖1所示的某管道系統(tǒng)，使用ASTM A106 B級的無縫鋼管，公稱直徑為DN150，公稱壁厚為SCH40（7.11 mm），腐蝕裕量為3 mm，流體密度為1 000 kg/m3，操作溫度T1為5℃，操作溫度T2為200℃，安裝溫度為21℃，設(shè)計壓力P1為4 000 kPa。該管道系統(tǒng)的應(yīng)力模型基本輸入信息見表1。

圖1 管道系統(tǒng)模型

4.1 刪除支架法

對于工藝管道冷態(tài)一次應(yīng)力的評估，工程公司通常采用表2所示的普通工況，其中L3工況用于計算冷態(tài)一次應(yīng)力。為了簡化工況，本文討論不考慮彈簧持續(xù)載荷H的影響；同時，為了盡量避免非線性化影響，也不考慮管道系統(tǒng)的摩擦力和支架間隙。

應(yīng)用普通工況計算該管道系統(tǒng)后，首先評估支架在L1和L2操作工況的脫空情況。根據(jù)表3所示支架受力和位移，節(jié)點20和節(jié)點80在L1和L2操作工況均沒有脫空；節(jié)點50在L1冷縮工況沒有脫空，在L2熱脹工況脫空；節(jié)點10和節(jié)點90采用固定支架，在所有工況下均沒有脫空。

評估支架脫空情況后，刪除節(jié)點50的脫空支架，應(yīng)用普通工況，重新運(yùn)行計算模型，即可得到熱態(tài)一次應(yīng)力。冷態(tài)一次應(yīng)力和熱態(tài)一次應(yīng)力計算對比結(jié)果見表4，兩者均滿足規(guī)范要求，但刪除脫空支架后，一次應(yīng)力比增加了約19.1%。

表1 管道系統(tǒng)應(yīng)力模型基本輸入信息

表2 普通工況

表3 支架受力和位移統(tǒng)計

表4 一次應(yīng)力計算結(jié)果

4.2 工況相減法

為了便于同時考慮熱態(tài)和冷態(tài)一次應(yīng)力，部分工程公司采用工況相減法，通過操作工況減去溫度工況計算熱態(tài)一次應(yīng)力，如表5所示。

應(yīng)用CAESAR II-2014版軟件建立管道系統(tǒng)模型并計算分析后，一次應(yīng)力計算結(jié)果如表6所示。對比發(fā)現(xiàn)，T1和T2對應(yīng)的熱態(tài)一次應(yīng)力均大于冷態(tài)一次應(yīng)力，但仍滿足規(guī)范要求。

表5 相減組合工況

表6 一次應(yīng)力計算結(jié)果

4.3 ASME B31.3附錄P法

ASME B31.3附錄P法采用與刪除脫空支架法相同的普通工況，激活CAESAR II配置中的“ASME B31.3 Implement Appendix P”選項后，計算分析得到一次應(yīng)力，結(jié)果如表7所示。T1和T2對應(yīng)的熱態(tài)一次應(yīng)力比均小于冷態(tài)一次應(yīng)力比，且滿足規(guī)范要求。

表7 一次應(yīng)力計算結(jié)果

4.4 關(guān)聯(lián)傳遞法

應(yīng)用CAESAR II-2016版軟件，定義表8所示的關(guān)聯(lián)傳遞工況，分析管道系統(tǒng)模型，得到冷態(tài)一次應(yīng)力和熱態(tài)一次應(yīng)力計算結(jié)果見表9。T1對應(yīng)的熱態(tài)一次應(yīng)力與冷態(tài)一次應(yīng)力相當(dāng)，而T2對應(yīng)的熱態(tài)一次應(yīng)力超過冷態(tài)一次應(yīng)力約19.1%，且均滿足規(guī)范要求。

表8 關(guān)聯(lián)傳遞工況

表9 一次應(yīng)力計算結(jié)果

5 結(jié)果分析

綜合上述計算結(jié)果，得到管道系統(tǒng)的最大冷態(tài)、熱態(tài)一次應(yīng)力比柱狀圖（見圖2）。

圖2 冷態(tài)和熱態(tài)一次應(yīng)力比柱狀圖

（1）由于計算冷態(tài)一次應(yīng)力僅考慮安裝狀態(tài)的重力和壓力，因此，四種方法計算結(jié)果相同，最大冷態(tài)一次應(yīng)力比均為60.7%。

（2）工況相減法計算得到熱態(tài)一次應(yīng)力比為93.3%；刪除支架法和關(guān)聯(lián)傳遞法計算得到熱態(tài)一次應(yīng)力比相同，最大值均為79.8%；ASEM B31.3附錄P法計算得到的熱態(tài)一次應(yīng)力最小，最大應(yīng)力比為34.9%。從計算結(jié)果分析，工況相減法計算結(jié)果最保守，其次是刪除支架法和關(guān)聯(lián)傳遞法，ASME B31.3附錄P法計算結(jié)果最不保守。

（3）刪除支架法需要核實所有操作工況對應(yīng)的支架脫空情況，然后手動刪除所有脫空支架，才能計算熱態(tài)一次應(yīng)力。如果計算模型大，工況復(fù)雜，需要刪除脫空支架數(shù)量多，容易產(chǎn)生漏刪和錯刪等問題。因此，刪除支架法不是計算熱態(tài)一次應(yīng)力的最佳方法。

（4）工況相減法不需要刪除脫空支架，但需要定義溫度工況T，通過操作工況W+T+P減去溫度工況T計算得到熱態(tài)一次應(yīng)力，比刪除支架法簡單實用。但是，由于溫度工況T的不真實性（管道操作工況不存在，僅考慮溫度而不考慮重力等載荷的情況），造成熱態(tài)一次應(yīng)力計算結(jié)果比較保守，因此，工況相減法是計算熱態(tài)一次應(yīng)力的備選方法。

（5）關(guān)聯(lián)傳遞法不需要刪除脫空支架，也不需要定義溫度工況T，僅需要對每一個操作工況定義對應(yīng)的熱態(tài)一次應(yīng)力工況（Alt-SUS）即可，且該方法滿足ASME B31.3-2014標(biāo)準(zhǔn)考慮支架在所有狀態(tài)下一次應(yīng)力的要求。因此，關(guān)聯(lián)傳遞法是計算熱態(tài)一次應(yīng)力比較合理的方法之一。

6 結(jié)論

本文通過解讀工藝管道熱態(tài)一次應(yīng)力和冷態(tài)一次應(yīng)力的定義，結(jié)合ASME B31.3-2014標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，應(yīng)用CAESAR II軟件舉例分析了熱態(tài)一次應(yīng)力的四種計算方法，并給出如下結(jié)論：

（1）評估工藝管道一次應(yīng)力，除了校核冷態(tài)一次應(yīng)力，還需要校核熱態(tài)一次應(yīng)力，即使冷態(tài)一次應(yīng)力計算通過，也不能確保熱態(tài)一次應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

（2）刪除脫空支架可能存在遺漏等錯誤，實用性不強(qiáng)，只適用于計算簡單模型的熱態(tài)一次應(yīng)力。

（3）工況相減法計算結(jié)果保守，但由于不真實工況T的存在，應(yīng)用該方法計算的熱態(tài)一次應(yīng)力可以作為參考。

（4）ASME B31.3附錄P法操作簡單，但除了考慮管道重量、壓力等持續(xù)載荷外，還考慮了溫度載荷，不滿足“熱態(tài)一次應(yīng)力”定義，且該方法許用應(yīng)力較大，熱態(tài)一次應(yīng)力計算結(jié)果不夠保守，應(yīng)用ASME B31.3附錄P法計算的熱態(tài)一次應(yīng)力可以作為參考。

（5）關(guān)聯(lián)傳遞法體現(xiàn)了ASME B31.3-2014標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)用CAESAR II-2016版軟件容易實現(xiàn)，工況編制簡單，建議用于評估工藝管道熱態(tài)一次應(yīng)力。

[1]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國石化出版社，2010：51-157.

[2]唐菁菁，蔡春梅，張世忱.工藝管道應(yīng)力分析中對偶然載荷的靜態(tài)處理[J].化工設(shè)備與管道，2014，51（1）：83-86．

[3]ASME B31.3-2014，Process Piping[S].

[4]ASME B31.3-2012，Process Piping[S].

[5]ASME B31.3-2010，Process Piping[S].

Analysis ofsustained stress checking method for process piping

LEIJunjie
Engineering Company of Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

At present，domestic and overseas engineering companies usually take into account the cold sustained stress for process piping in accordance with ASME B31.3 while neglecting the hot sustained stress，due to the different understanding and application of ASME B31.3 code and CAESAR II piping stress analysis software.Based on the definitions of the cold sustained stress and the hot sustained stress for process piping，and in accordance with the sustained stress check criteria in ASME B31.3 code，four types of hot sustained stress calculation methods were analyzed，then，the related load cases were established.Finally，based on a process piping system study，a detailed description about four types of the hot sustained stress calculation methods were given by applying piping stress analysis software CAESAR II，the case definitions and results were compared，and a reasonable calculation method for sustained stress is put forward，which is hoped to offer reference for the same trade.

process piping；stress analysis；sustained stress；hot state；cold state；working condition

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.010

雷俊杰（1986-），男，山西平遙人，工程師，2010年畢業(yè)于天津大學(xué)，碩士，現(xiàn)主要從事海洋工程管道應(yīng)力分析工作。

2016-12-28；

2017-01-08

Email：ljjtju@aliyun.com