管道應力分析及管架設計

摘 要：介紹管道應力分析及管架設計，提出使用CAESAR II建立管道應力模型需要注意的幾個問題。

關鍵詞：管道應力分析；管架設計；CAESAR II

隨著現代石化項目規模的不斷擴大，管道應力分析及管架設計越來越重要，目前國內主要采用CAESAR II[1]進行管道應力分析，根據分析結果進行管架設計，最終應用于實際工程設計中。

1 管道應力分析

壓力管道的應力，主要是由于管道承受內壓、外部荷載、熱膨脹以及位移受約束而引起的。對管道進行應力分析和計算，就是研究管道在各種荷載作用下產生的力、力矩和應力，從而對管道做出安全性評價，并滿足所連設備、支吊架和土建結構對管道推力的限定，使設計的管道盡可能經濟合理[2]。

1.1 內壓作用下管道的應力及管道壁厚的確定

內壓作用下管道的應力分為兩種情況：薄壁管和厚壁管。薄壁管和厚壁管的劃分一般以K=DO/Di=1.2為界，其中DO和Di分別是管道的外徑和內徑。當只考慮管道承受內壓作用時，在管壁上任何一點的應力狀態，是由作用于該點三個相互垂直的主應力決定的（如下圖）：環向應力？啄？茲；軸向應力？啄L；徑向應力？啄r。

對于薄壁管的應力分布，？啄r=0；軸向應力？啄L=■，其中P為內壓，D為管子平均直徑，t為壁厚。環向應力？啄？茲=■，可見？啄？茲=2？啄L。對于厚壁管的應力分布，則認為應力沿壁厚是變化的，而且徑向應力也不恒等于零。可由Lame公式得到。

管道壁厚的確定是基于薄壁管模型的計算理論，使用第三強度理論即最大剪應力強度條件，綜合考慮焊接接頭系數及溫度影響系數得出的，即

式中：P為內壓，D0為管子外徑，[？滓]t為材料在最高溫度下的許用應力，Ej為焊接接頭系數，Y為溫度影響系數。

ASME B31.3指出該公式的適用條件為t

1.2 管道應力的校核標準

根據管道應力的性質可分為一次應力、二次應力和峰值應力。一次應力是由管線的內壓和持續外載產生的應力。二次應力是由于管系變形受阻而引起的正應力和剪切應力。峰值應力是指由于局部應力集中或局部熱應力等所產生的較高的應力。管道應力的校核主要是核算一次應力和二次應力。

1.2.1 一次應力的校核標準

管道組成件的厚度及補強計算滿足要求時，由于內壓、外壓所產生的應力是安全的，這是進行一次應力校核的前提條件。一次應力即由壓力、重力和其他持續荷載所產生的縱向應力之和？滓L，不應超過材料在預計最高溫度下的許用應力[？滓]h。前面討論了管道壁厚的確定，可知由內壓產生的軸向應力為環向應力的一半，也就是說在一次應力校核中，管道壁厚一半用于承受管道內壓，另一半可用來承受外載荷。在一次應力校核中，最好控制應力百分比在80%以下，而且一次應力百分比與彈簧荷載變化率的和應該小于100%。

1.2.2 二次應力校核標準

二次應力校核實際上是控制一個應力范圍，防止管道發生疲勞破壞。根據ASME B31.3，二次應力的校核如下：

若[？滓]h大于？滓L，其查值可以加到上式中的0.25[？滓]h項上，則

其中，[？滓]E為計算的二次應力范圍，[？滓]A為許用應力，[？滓]c、[？滓]h分別為材料在冷態和熱態下的許用應力，？滓L為一次應力。

1.3 使用CAESAR II建立管道應力模型需要注意的幾個問題

1.3.1 端點位移與集中力的模擬

在用CAESAR模擬端點位移與集中力時，要注意各自缺省的含義。對于端點位移，如果缺省不填，則表示該自由度沒有限制位移，尤其對于轉角位移，如果沒有一定要輸“零”；而對于集中力，如果缺省不填，則表示該方向的力或彎矩為零。

1.3.2 使用柔性管嘴需要注意的幾個問題

在CAESAR中使用WRC297是基于薄壁圓柱殼的線彈性理論（斯蒂爾理論）為基礎，適用范圍為：d/D<0.5，20？燮D/T？燮2500，205（其中，D、d、T、t分別表示圓筒和接管的直徑和壁厚）

另外，當圓筒上設有補強圈時，則需要輸入補強圈的厚度。

1.3.3 彈簧選型的幾種方法

一般情況下我們采用的彈簧都是CAESAR自動選出的，但有時需要自己來定義彈簧。根據實際情況，可以在CAESAR選出的彈簧荷載基礎上進行調整，一般調整彈簧的操作荷載，但一定要注意彈簧荷載變化率[3]。LINDE選擇彈簧的方法是：建立一個不考慮摩擦力的文件，用此文件選出彈簧，然后把安裝荷載及剛度輸入到考慮摩擦力文件的彈簧預定義數據表中。

1.3.4 使用WRC107/297進行管口局部應力校核需要注意的問題

CAESAR自帶的幾個分析模塊中，用WRC107/297進行管口局部應力校核的條件為：d/D<1/3，DM/T>50（其中，D、d分別表示設備和管子的外徑，T表示設備的壁厚，DM表示設備的平均直徑DM=D-T）

2 管架設計

管道應力分析的應用主要就是管架設計。

2.1 管線上支吊架的設計

管線上的支吊架大體可以分為：承重架、限位架、導向架、固定架以及減振架等等。為了保證整個管系的強度、剛度及穩定性，需要對管道進行管架設計，即在合適的位置設置合適的管架。承重架就是在保證管道允許跨距的前提下，使得整個管系有足夠的支撐；限位架和導向架就是限制管道的位移，使得管道的運動方向按照自己設定的方式進行，以保證滿足設備的管口受力和整個管系的穩定性。

2.2 管架選型

管架選型就是在選擇合適的架型來支撐管道。設計單位一般都有自己的管架標準圖冊，其中列出各種類型的管架，在管架選型時盡量選擇標準管架，很多時候需要組合多個標準架才能實現某一個管架的設計目的。如果在設計中管架標準圖冊不能滿足需要，則需設計特殊架。管架選型時需注意管架的統一性，可以方便施工，達到整體統一的美觀效果。

2.3 管架自身的結構和形式

在選用管架時除了要滿足管架形式的要求，還要使管架自身的結構能夠滿足強度、剛度和穩定性的要求。管架自身結構設計主要考慮在軸向力、剪力及彎矩作用下的強度、剛度及穩定性校核。對于不能夠滿足的管架應該設計特殊架，可以用材料力學的知識手算或者利用結構設計類軟件進行管架設計。

參考文獻

[1]姜威.管道應力分析軟件在化工設計中的應用[J].山西化工，2004.8（4）.

[2]宋苛苛.工業管道應力分析與工程應用[M].北京：中國石化出版社，2011.

[3]唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2010.

作者簡介：郭艷，女，工程師，碩士，畢業于鄭州大學，現從事石油化工設計工作。