管道應(yīng)力分析過程中假管支托的校核

王 勛

(天津博邁科海洋工程股份有限公司，天津300452)

在石油化工、海洋油氣等行業(yè)，管道作為流體輸送的主要承載體應(yīng)用廣泛，而作為保證管道系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的管道支架也同樣必不可少。管道應(yīng)力分析是指為保證管道自身和與其相連的機(jī)器、設(shè)備及支吊架和土建結(jié)構(gòu)的安全，而進(jìn)行的管道應(yīng)力計算及評定[1]。因此，對支架進(jìn)行分析校核在工程設(shè)計中是一個常見且必要的過程。

1 假管支托的特點

管道支架分為一次支架和二次支架[2]。一次支架指與管道直接連接或接觸的管支架，如U型螺栓、焊接管鞋、管夾式管鞋等；二次支架指生根于結(jié)構(gòu)或設(shè)備(如混凝土或鋼結(jié)構(gòu)梁、柱)、用于承載一次管支架的支架，如三腳架、懸臂梁、簡支梁等。工程公司和設(shè)計院都有一套自己的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，甚至是項目標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)支架的選型設(shè)計。

在眾多的支架中，假管支托作為一種特殊的支架型式，因其安裝建造比較方便而被廣泛使用，假管支托的安裝只需要將一段管子直接焊接在輸送流體的母管上(通常假管比焊接的母管小1～2個NPS管徑)。但是假管支托相對于上面所說的通用支架，對管道的載荷承載能力相對較弱，這就導(dǎo)致應(yīng)力工程師需要校核假管支托與母管焊接點的可靠性以及假管支托承受管道載荷的能力[3]。

假管支托一般應(yīng)用在水平管道上，有時也應(yīng)用在彎頭處，但是彎頭處的假管會降低管道的柔性，通常要求盡量避免使用。假管支托與母管直接焊接時，假管支托的校核通常會失敗，常用的解決方法是焊接加強(qiáng)板，加強(qiáng)板只允許使用在直管段上，而不允許在彎頭處。如果管道的材料不是碳鋼，加強(qiáng)板的材料一般與母管材料保持一致，假管支托的材料選用碳鋼。

2 影響因素

假管支托的影響因素和影響結(jié)果見表1。

表1 假管支托的影響因素及影響結(jié)果

3 假管支托校核實例分析

假管支托的校核方法有多種，M.W.Kellogg方法在海內(nèi)外工程公司的應(yīng)用較為廣泛，有些工程公司也使用WRC的方法校核假管支托。這里主要介紹如何使用M.W.Kellogg方法校核假管支托，此方法通常會被編制成Excel表格在工程公司中應(yīng)用。

管道應(yīng)力分析主要包括正確建立模型、真實地描述邊界條件、正確地分析計算結(jié)果[4]。只有假管在CAESAR II中正確地建模、真實地描述邊界條件，才能取得正確的受力分析結(jié)果，進(jìn)而確保假管支托校核的準(zhǔn)確性。

3.1 計算案例

4”(101.6 mm)的無縫鋼管用3”(76.2 mm)的假管支托支撐。無縫鋼管選用標(biāo)準(zhǔn)ASME B36.10，壁厚STD，材料ASTM A106 GR B；假管支托無縫鋼管選用標(biāo)準(zhǔn)ASME B36.10，壁厚STD，材料ASTM A106 GR B，管道的設(shè)計壓力為2.2MPa，管道與假管支托間的加強(qiáng)板厚6mm，假管支托長度200mm，查閱ASME相關(guān)規(guī)范后獲取的設(shè)計輸入數(shù)據(jù)見表2。

表2 假管支托計算設(shè)計輸入值

3.2 計算步驟

(1)首先使用CAESAR II模擬分析管系，假管支托需要在軟件中正確建模，進(jìn)行靜態(tài)分析。獲取三個方向假管支托處的載荷，一般取HYD/SUS/OPE工況下的最大載荷，以上案例應(yīng)力計算的結(jié)果歸納見圖1。

圖1 假管支托受力圖示

(2)假管支托由于受力FA，及力矩MC和ML的作用，被支撐管生根部位產(chǎn)生局部應(yīng)力，其計算方法如下[5]：

因縱向力矩(Longitudinal Bending)ML產(chǎn)生的線載荷：

因環(huán)向力矩(Circumferrential Bending)MC產(chǎn)生的線載荷：

因軸向力(Axial Force)FA引起的線載荷：

(3)使用M.W.Kellogg公式計算生根部位的局部應(yīng)力，Kellogg公式：

其中，Sb為被支撐管生根部位的局部應(yīng)力；R為被支撐管外半徑；TC為被支撐管扣除腐蝕裕量后加上補(bǔ)強(qiáng)板的厚度；f為由力或力矩引起的線載荷。

TC=6.02-3-6.02×0.125+6=8.2675 mm

=8.52MPa(系數(shù)取1.75)

=0.88MPa(系數(shù)取1.75)

(4)計算由管道設(shè)計壓力引起的縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力：

(5)將以上計算的應(yīng)力用如下公式進(jìn)行組合后，與許用應(yīng)力值進(jìn)行比對，通常取1.5Sh做為許用應(yīng)力值，Sh為ASME標(biāo)準(zhǔn)中的基礎(chǔ)許用應(yīng)力，若3個公式都滿足要求，即校核通過，否則假管支托不合格，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析調(diào)整，重新核算。

SL+SA+SLP≤1.5Sh

SC+SA+SCP≤1.5Sh

假管支托彎曲應(yīng)力ST

×[d4-(d-1.75t)4]≤1.5Sh

計算結(jié)果見表3。

表3 計算結(jié)果

經(jīng)比對，假管支托校核結(jié)果通過。

以上案例校核雖然滿足要求，保證了安全穩(wěn)定性，但是裕量過大，經(jīng)濟(jì)上不合理，此時可以優(yōu)化設(shè)計，通過取消加強(qiáng)板或者減小假管支托的尺寸，重新選用假管后再校核。此優(yōu)化過程是一個反復(fù)迭代、尋找最優(yōu)解的過程，且結(jié)果不唯一。

首先，取消加強(qiáng)板，Tc=2.2675 mm，校核失敗，結(jié)果見表4：

表4 取消加強(qiáng)板后校核結(jié)果

然后，考慮保留加強(qiáng)板，減小假管支托的尺寸，選用2”(50.8 mm)，壁厚Sch.STD，校核通過仍有較大裕量，結(jié)果見表5。

表5 保留加強(qiáng)板后的校核結(jié)果

最后，在保證焊縫強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，在以上假管支托尺寸減小后，將加強(qiáng)板厚改為3mm，即Tc=5.2675mm，校核通過，計算的局部應(yīng)力接近許用應(yīng)力值，既滿足了設(shè)計要求，也減少了材料的浪費(fèi)。優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)果見表6。

表6 加強(qiáng)板厚改為3 mm后的校核結(jié)果

4 結(jié)語

假管支托因其特點而使用廣泛，但在使用假管支托的過程中，需要校核假管的選取是否滿足要求，以上校核方法配合焊縫強(qiáng)度的校核，就可以在工程上確認(rèn)假管支托是否適用。焊縫強(qiáng)度的校核通常包含剪切應(yīng)力的校核和彎曲應(yīng)力的校核。

在校核假管支托的過程中常常會遇到校核失敗的情況，如果遇到這些情況，需要根據(jù)具體情況分析調(diào)整，常用的解決方案有增加補(bǔ)強(qiáng)板、增大假管支托的尺寸、減小假管支托的長度，或者調(diào)整假管支托的方向。

以上校核案例不僅提供了假管支托的校核方法，還提供了優(yōu)化假管支托設(shè)計的思路，這樣既可以保證工程運(yùn)行上的安全穩(wěn)定性，同時又可以減少不必要的浪費(fèi)，節(jié)省材料，保證經(jīng)濟(jì)性，有利于設(shè)計時選出最經(jīng)濟(jì)合理的假管支托。