冷箱內(nèi)管道運(yùn)輸過程中的疲勞評(píng)定

李榮生

空氣化工產(chǎn)品（中國）投資有限公司 （上海 201417）

在工廠設(shè)計(jì)建設(shè)中，為了降低現(xiàn)場施工成本，模塊化設(shè)計(jì)建設(shè)被廣泛運(yùn)用。對(duì)于管道來講，模塊化設(shè)計(jì)不僅可以減少現(xiàn)場的焊接量，而且由于工廠制造，焊接環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于現(xiàn)場，因此還可以提高焊接質(zhì)量。模塊在工廠中制造完成后，需要運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，這給工廠設(shè)計(jì)帶來一個(gè)新的問題。在運(yùn)輸過程中，不管是海運(yùn)還是陸運(yùn)，裝置受到運(yùn)輸載荷的隨機(jī)作用，產(chǎn)生疲勞損傷，存在失效的風(fēng)險(xiǎn)。由于在管道設(shè)計(jì)中，柔性設(shè)計(jì)的本質(zhì)是疲勞設(shè)計(jì)，因此，管道在運(yùn)輸過程中的疲勞損傷和在裝置運(yùn)行中的疲勞損傷共同作用，來決定管道的疲勞壽命。

冷箱是深冷工藝中的核心裝置，其內(nèi)部設(shè)備包括塔器、換熱器、管道、儀表、閥門等，填充珠光砂對(duì)管路進(jìn)行保冷。因此，冷箱是一個(gè)典型的模塊化設(shè)計(jì)裝置。通過對(duì)冷箱運(yùn)輸過程中載荷和應(yīng)力狀態(tài)的分析，提出了一種運(yùn)輸過程中的管道疲勞評(píng)定方法。

1 運(yùn)輸載荷

在運(yùn)輸過程中，冷箱內(nèi)管道受到重力和運(yùn)輸載荷的共同作用。運(yùn)輸載荷是指冷箱在運(yùn)輸過程中，運(yùn)輸設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力和外界阻力共同作用產(chǎn)生加速度，從而帶動(dòng)冷箱內(nèi)管道運(yùn)動(dòng)，其本質(zhì)是一種慣性力。運(yùn)輸載荷可分解為兩個(gè)水平載荷和垂直載荷，其中水平載荷方向分別為運(yùn)輸前后方向和與其垂直的左右方向?？梢员硎鰹樗捷d荷Fh1，F(xiàn)h2和豎直載荷Fv，關(guān)系式為：

其中：m 為管道質(zhì)量，kg；h1為冷箱在運(yùn)輸中前后方向受到的水平加速度，m/s2；h2為冷箱在運(yùn)輸中左右方向受到的水平加速度，m/s2；v 為冷箱在運(yùn)輸中的豎直加速度，m/s2。

管道在運(yùn)輸過程中還受到重力的作用。重力產(chǎn)生的應(yīng)力是恒定的，因此，該應(yīng)力對(duì)疲勞評(píng)定而言，只會(huì)增加平均應(yīng)力。因?yàn)榇蠖鄶?shù)疲勞評(píng)定曲線中已經(jīng)包含了平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響，所以，本研究不考慮重力產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)疲勞評(píng)定的影響。但是，管道支架上的載荷受重力作用的影響，所以在管道支架設(shè)計(jì)中需要考慮重力。

裝置在運(yùn)輸過程中，會(huì)充入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，其壓力極低，因此壓力產(chǎn)生的應(yīng)力非常??；而且壓力產(chǎn)生的應(yīng)力同重力一樣，是恒定的。所以，運(yùn)輸過程中壓力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)疲勞可不做計(jì)算。

2 管道應(yīng)力計(jì)算

在 ASME B31.3-2018《工藝管道》[1]中，管道的柔性設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是對(duì)管道受到熱載荷產(chǎn)生的熱應(yīng)力的疲勞評(píng)定。熱疲勞的評(píng)定是基于應(yīng)力范圍。從ASME B31.3-2018[1]中應(yīng)力范圍的計(jì)算方法和ASME B31J-2017《金屬管道元件應(yīng)力強(qiáng)化因子測試方法》[2]關(guān)于應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算方法可以看出，應(yīng)力強(qiáng)度表示的是彎頭和支管處受到平面內(nèi)彎矩、平面外彎矩和扭矩作用時(shí)的一種應(yīng)力狀態(tài)。因此，管道柔性設(shè)計(jì)的本質(zhì)是彎頭和支管處在平面內(nèi)彎矩、平面外彎矩和扭矩作用下的疲勞評(píng)定。

運(yùn)輸載荷跟熱載荷一樣，在管道的彎頭和支管處產(chǎn)生平面內(nèi)彎矩、平面外彎矩和扭矩，它們產(chǎn)生的應(yīng)力為管道在運(yùn)輸過程中的主要應(yīng)力。雖然運(yùn)輸載荷產(chǎn)生的機(jī)理與熱載荷不同，但是在彎頭和支管處，彎矩和扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)類似，而且對(duì)管道的破壞形式同樣是疲勞破壞。因此，本研究采用應(yīng)力范圍的計(jì)算方法來計(jì)算運(yùn)輸疲勞載荷。

3 管道疲勞評(píng)定

在ASME B31.3-2018 中，熱應(yīng)力的應(yīng)力范圍許用值為：

其中：f 是循環(huán)次數(shù)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力折減系數(shù)；Sc為低溫時(shí)的許用應(yīng)力，MPa；Sh為設(shè)計(jì)溫度時(shí)的許用應(yīng)力，MPa；SL為機(jī)械載荷產(chǎn)生的軸向載荷，N。

從ASME B31.3-2018 對(duì)f 的定義可以看出，疲勞損傷采用的是線性累積損傷。

管道系統(tǒng)在運(yùn)輸過程中受到的運(yùn)輸載荷是一種隨機(jī)載荷，載荷大小、載荷方向，以及載荷的次數(shù)，在設(shè)計(jì)初期都很難得到。特別是產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)輸?shù)钠鹗嫉攸c(diǎn)和目的地都無法獲知，運(yùn)輸載荷無法獲得。所以，為了規(guī)避運(yùn)輸載荷難以獲得的問題，采用疲勞極限來設(shè)計(jì)。

如果每次運(yùn)輸載荷產(chǎn)生的應(yīng)力范圍小于疲勞極限，那么此次產(chǎn)生的損傷為：

治療1及2周后，常規(guī)組及電刺激組患手MMP治療前后各時(shí)間點(diǎn)比較均差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；氣壓組及聯(lián)合組患手MMP均較治療前及常規(guī)組和電刺激組明顯提高(均P<0.01)，且聯(lián)合組高于氣壓組(P<0.01)。見表2。

經(jīng)過任意n 次后，其累積損傷為：

因此，直到運(yùn)輸完成，在管道上產(chǎn)生的累積疲勞損傷為0。

雖然運(yùn)輸載荷每次作用的大小、方向很難確定，但是，在運(yùn)輸過程中的最大載荷容易得到。所以如果滿足：

即最大運(yùn)輸載荷產(chǎn)生的損傷為0，那么所有運(yùn)輸載荷的累積損傷將為0。

采用式（7）來評(píng)定，不僅規(guī)避了計(jì)算每次運(yùn)輸載荷產(chǎn)生的損傷，而且由于運(yùn)輸載荷的累積損傷為0，在管道的正常設(shè)計(jì)中，也不需要考慮其產(chǎn)生的累積損傷帶來的疲勞壽命折減。比如，變壓吸附（PSA），變溫吸附（TSA）管道受到高周的循環(huán)載荷，如果管道運(yùn)輸過程中的損傷為0，那么在管道正常的設(shè)計(jì)中，就不需要考慮運(yùn)輸損傷，使管道的設(shè)計(jì)條件變得相對(duì)簡單。

圖1 是ASME B31.3-2018 中，應(yīng)力折減系數(shù)和循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖。從圖1 可以看出，當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于1×108后，f 值保持不變，可以認(rèn)為此時(shí)達(dá)到疲勞極限，在對(duì)應(yīng)的應(yīng)力范圍內(nèi)，載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷為0，此時(shí)，應(yīng)力折減系數(shù)為：

運(yùn)輸過程中管道溫度為環(huán)境溫度，可以認(rèn)為：

圖1 應(yīng)力折減系數(shù)和循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖

4 Autopipe 實(shí)例

本研究使用管道應(yīng)力計(jì)算軟件Autopipe 對(duì)一管道系統(tǒng)進(jìn)行分析。由于運(yùn)輸工況的特殊性，在現(xiàn)有的Autopipe 中無法直接分析，需要做一些設(shè)置。

4.1 正常工況

冷箱內(nèi)管道在正常操作時(shí)，可以按照ASME B31.3-2018 的要求，對(duì)壓力、溫度應(yīng)力、地震力、珠光砂載荷進(jìn)行計(jì)算和校核，得到管道在正常工作狀態(tài)下的各種應(yīng)力，并滿足ASME B31.3-2018 的要求，使管道在正常操作下能夠安全運(yùn)行。如圖2 所示，管道在正常操作時(shí)能夠正常運(yùn)行。

4.2 運(yùn)輸工況

4.2.1 運(yùn)輸?shù)墓艿滥Ｐ?/p>

由于運(yùn)輸條件的限制，大多情況下冷箱需要水平放置運(yùn)輸，因此在分析運(yùn)輸工況時(shí)，需要把Autopipe 模型旋轉(zhuǎn) 90°。

圖2 正常工況模型

在管道應(yīng)力分析中，分析模型通常根據(jù)管道之間的相互作用來劃分管道的邊界，而不會(huì)根據(jù)運(yùn)輸范圍來確定。所以需要把4.1 中的模型按照運(yùn)輸模塊進(jìn)行分割。實(shí)例中，圖2 中顏色較深管道為散件運(yùn)輸，在運(yùn)輸模型中，需要?jiǎng)h除該部分管道。最后得到的運(yùn)輸管道模型如圖3 所示。

圖3 運(yùn)輸工況模型

4.2.1 運(yùn)輸載荷

為了計(jì)算方便，取：h1=0.3 g，h2=0.6 g，v=0.5 g。其中，g 為重力加速度，9.8 m/s2。

4.2.2 運(yùn)輸載荷加載

由于加速度載荷無法直接加載，采用加載地震加速度的方法來加載。加載時(shí)，同時(shí)作用于3 個(gè)方向的加速度組合如圖4 所示。

4.2.3 應(yīng)力的評(píng)定

圖4 運(yùn)輸載荷加載

在ASME B31.3-2018 中，對(duì)于偶然載荷（包括地震載荷）的計(jì)算，應(yīng)力增大系數(shù)為0.75SIF，但是根據(jù)上文所述，運(yùn)輸載荷的計(jì)算跟熱應(yīng)力相同，所以應(yīng)力增大系數(shù)應(yīng)該為SIF。因此，需要更改Autopipe 的默認(rèn)設(shè)置，如圖5 所示。

圖5 SIF 設(shè)置

由于運(yùn)輸載荷采用地震加速度的方法進(jìn)行加載，需要自定義工況組合，如圖6 所示。

圖6 運(yùn)輸工況組合

從運(yùn)輸工況應(yīng)力云圖（圖7）可以看出，運(yùn)輸時(shí)的最大應(yīng)力為23.51 MPa，最大應(yīng)力比為0.48，滿足要求。

此次分析不僅對(duì)管道在運(yùn)輸載荷作用下的疲勞進(jìn)行了評(píng)定，還得到了運(yùn)輸過程中管道支架上的載荷，該載荷可以幫助管道支架的設(shè)計(jì)，保證管道支架在運(yùn)輸過程中有足夠強(qiáng)度。

5 結(jié)語

采用應(yīng)力范圍和疲勞極限對(duì)冷箱內(nèi)管道在運(yùn)輸過程中受到的運(yùn)輸載荷進(jìn)行評(píng)定，規(guī)避了在設(shè)計(jì)階段難以獲得的運(yùn)輸載荷。該方法容易在Autopip 中實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)管道的正常設(shè)計(jì)沒有任何影響。由于采用了疲勞極限，該方法顯得比較保守，但是經(jīng)過實(shí)踐證明，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中不會(huì)造成較大的過度設(shè)計(jì)。對(duì)運(yùn)輸載荷的分析，還可以為管道支架設(shè)計(jì)提供運(yùn)輸時(shí)的管道支架載荷，幫助管道支架設(shè)計(jì)。該方法同樣適用于其他模塊化設(shè)計(jì)工廠的運(yùn)輸校核。

圖7 運(yùn)輸工況應(yīng)力云圖