煙氣管道的高溫蠕變應(yīng)力分析

董曉敏，趙海杰

（中國(guó)石油建設(shè)公司大連設(shè)計(jì)分公司， 遼寧 大連 116011）

煙氣管道的高溫蠕變應(yīng)力分析

董曉敏，趙海杰

（中國(guó)石油建設(shè)公司大連設(shè)計(jì)分公司， 遼寧 大連 116011）

石油化工廠(chǎng)的部分高溫?zé)煔夤艿篱L(zhǎng)期在 650～700 ℃左右運(yùn)行，研究表明，碳鋼部件工作溫度高于 350 ℃、合金鋼部件工作溫度超過(guò) 420 ℃、不銹鋼部件工作超過(guò) 480 ℃時(shí)，進(jìn)入蠕變溫度。通過(guò)對(duì)某石化廠(chǎng)原有高溫?zé)煔獬隹诠艿肋\(yùn)行工況分析，運(yùn)用 CAESARII應(yīng)力分析軟件優(yōu)化管道布置，并通過(guò)計(jì)算管道蠕變條件下服役年限進(jìn)行安全評(píng)定。

蠕變；應(yīng)力；高溫管道；CAESARII

高溫?zé)煔夤艿篱L(zhǎng)期在 650～700 ℃左右運(yùn)行，研究表明，碳鋼部件工作溫度高于 350 ℃，合金鋼部件工作溫度超過(guò) 420 ℃、不銹鋼部件工作超過(guò)480 ℃時(shí)進(jìn)入蠕變溫度。高溫蠕變導(dǎo)致材料應(yīng)力松弛，降低管道的承載能力，增加高溫構(gòu)件失效可能性，影響高溫管道的安全運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)材料蠕變的研究比較廣泛[1,2]，但在石油化工領(lǐng)域?qū)⒐艿廊渥兣c應(yīng)力計(jì)算結(jié)合起來(lái)的研究很少。因此研究高溫管道的蠕變與應(yīng)力計(jì)算分析相結(jié)合具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 項(xiàng)目概況

某石化公司催化裝置有一段從三旋分離器煙氣出口至煙道部分高溫管線(xiàn)，自投用至今，管線(xiàn)已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形，現(xiàn)對(duì)管線(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)整改。原有管線(xiàn)運(yùn)行條件：介質(zhì)為煙氣，介質(zhì)密度為 2 kg/m3，操作溫度為 670 ℃，設(shè)計(jì)溫度為 700 ℃，操作壓力為0.17 MPa，設(shè)計(jì)壓力為 0.3 MPa；保溫材料為復(fù)合硅酸鋁鎂管殼，密度為 300 kg/m3，保溫厚度為 120 mm；管線(xiàn)規(guī)格為φ325×13、φ377×14，管線(xiàn)材質(zhì)為304H。原有管道現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖 1，計(jì)算軟件采用CAESAR II 2013R。

圖 1 煙氣管道現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Flue gas pipeline scene photo

2 主要問(wèn)題分析

金屬材料在常溫下的力學(xué)行為顯示材料在外載荷作用下會(huì)產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，彈性變形能會(huì)恢復(fù)，塑性變形不能恢復(fù)，也就是常規(guī)意義的材料失效。所以在管道設(shè)計(jì)時(shí)確保管道的一次應(yīng)力值低于材料的許用應(yīng)力，使材料僅僅發(fā)生彈性變形，保證管道的安全性和穩(wěn)定性。但金屬材料在蠕變溫度范圍，運(yùn)行到一定時(shí)期，應(yīng)力即使低于許用應(yīng)力，還是會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，這種形變就是蠕變。ASME 標(biāo)準(zhǔn)[3]中對(duì)于高溫下金屬材料的許用應(yīng)力取值是根據(jù)限制材料的蠕變速率，而不是限制材料的總應(yīng)變。根據(jù) ASME B31.3 規(guī)范中 302.3.2 節(jié)規(guī)定材料進(jìn)入蠕變范圍，其許用應(yīng)力值取下面三種情況之中的小值：

1）工作 100 000 h 發(fā)生斷裂，取材料內(nèi)部應(yīng)力平均值的 67%；

2）工作 100 000 h 發(fā)生斷裂，取材料內(nèi)部應(yīng)力最小值的 80%；

3）取工作 1 000 h 產(chǎn)生 1%塑性變形的應(yīng)力值；ASME B31.3 規(guī)定，蠕變范圍的限制時(shí)間是 100 000 h（11.4 a），但管道的運(yùn)行時(shí)間往往超過(guò) 11.4 a，所以對(duì)于高溫管道，設(shè)計(jì)人需要確定管道在蠕變下的安全服役時(shí)間。

該項(xiàng)目的管線(xiàn)材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，設(shè)計(jì)溫度為 700 ℃，運(yùn)行到一定階段管道會(huì)進(jìn)入蠕變，導(dǎo)致管道應(yīng)力松弛，即使管道滿(mǎn)足一次應(yīng)力、二次應(yīng)力要求，但在管道運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間之后，發(fā)現(xiàn)管道在運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生了一定程度的塑性變形，這是很多設(shè)計(jì)工作者往往忽略蠕變對(duì)高溫管道服役壽命的影響以及考慮一次應(yīng)力時(shí)沒(méi)有將蠕變可能帶來(lái)的危害因素考慮進(jìn)去。因此在高溫管道的應(yīng)力分析和配管設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮蠕變對(duì)管系的影響。但目前未有計(jì)算方法或應(yīng)力分析軟件能將管道的蠕變和應(yīng)力分析綜合考慮分析。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，現(xiàn)對(duì)該管道進(jìn)行如下整改方案：

（1）對(duì)原有管道進(jìn)行應(yīng)力分析，判斷管道一次應(yīng)力、二次應(yīng)力是否滿(mǎn)足要求；

（2）根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，對(duì)原有管道的管道布置形式進(jìn)行優(yōu)化；

（3）根據(jù)最優(yōu)化的管道布置的管道應(yīng)力計(jì)算管道在發(fā)生蠕變時(shí)的服役年限，是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。

3 管道應(yīng)力分析

3.1 應(yīng)力模型建立

根據(jù)管道運(yùn)行條件，操作溫度為 670 ℃，設(shè)計(jì)溫度為 700 ℃，操作壓力為 0.17 MPa，設(shè)計(jì)壓力為0.3 MPa ，建立模型。總共建立 3 個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算分析：模型 A—原有運(yùn)行管道模型、模型 B—優(yōu)化的管道模型。

3.2 應(yīng)力結(jié)果分析

圖 2-1a/b、2-2a/b 分別是模型 A、B 的一次應(yīng)力結(jié)果，圖 2-1c、2-2c 分別是模型 A、B 的二次應(yīng)力結(jié)果。

3.2.1 模型 A 應(yīng)力結(jié)果分析

圖 2-1a 模型 A 一次應(yīng)力結(jié)果效果圖Fig.2-1a Primary stress result of model A

圖 2-1b 模型 A 一次應(yīng)力結(jié)果Fig.2-1b Primary stress result of model A

圖 2-1c 模型 A 二次應(yīng)力結(jié)果Fig.2-1c Secondary stress result of model A

由結(jié)果可知，原有管道的一次應(yīng)力超過(guò)了材料的許用應(yīng)力值，最大處達(dá)到了 42 214.2 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)許用應(yīng)力值 26 613.7 kPa。一次應(yīng)力超標(biāo)可能導(dǎo)致管道在應(yīng)力超標(biāo)處發(fā)生塑性變形致失效。由圖 2-1a中的應(yīng)力超標(biāo)處可以看出與管道現(xiàn)場(chǎng)圖1中管道發(fā)生較大變形處對(duì)應(yīng)。

管道二次應(yīng)力值達(dá)到 85.4%，在二次應(yīng)力許用范圍之內(nèi)，所以管道的柔性足夠。

根據(jù)圖 2-1a分析，在應(yīng)力超標(biāo)處的管道跨距過(guò)大，需要在應(yīng)力超標(biāo)處設(shè)立支架，以減小管道受到的持續(xù)荷載，對(duì)管道布置進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。管道調(diào)整結(jié)果，見(jiàn) 3.2.2 部分。

3.2.2 模型 B 應(yīng)力結(jié)果分析

圖 2-2a 模型 B 一次應(yīng)力結(jié)果效果圖Fig.2-2a Primary stress result of model B

圖 2-2b 模型 B 一次應(yīng)力結(jié)果Fig.2-2b Primary stress result of Model B

圖 2-2c 模型 B 二次應(yīng)力結(jié)果Fig.2-2c Secondary stress result of model B

由一次應(yīng)力分析結(jié)果可知，管道經(jīng)過(guò)調(diào)整后一次應(yīng)力低于材料的許用應(yīng)力，一次應(yīng)力最大處為許用應(yīng)力值的 65.4%，說(shuō)明管道安全。

管道的二次應(yīng)力值最大處為 60.7%，小于模型A的值。現(xiàn)利用優(yōu)化后管道的一次應(yīng)力值，計(jì)算管線(xiàn)的蠕變服役年限。

4 管道蠕變服役年限計(jì)算分析

4.1 計(jì)算方法

根據(jù) ASME B31.3 Appendix V 中的線(xiàn)性壽命分率法則，壽命分率分析僅論及管道組件的整體強(qiáng)度，沒(méi)有考慮局部應(yīng)力的影響。

4.2 實(shí)例計(jì)算

將管道參數(shù)帶入公式進(jìn)行計(jì)算，按照SH/T3059-2012《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用規(guī)范》中 5.3 節(jié)規(guī)定管道設(shè)計(jì)壽命宜為 15 a[4]，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需保證管道蠕變服役年限超過(guò) 15 a。將管道的使用壽命設(shè)為 200 000 h（＞131 400=15 a），并考慮以下2個(gè)工況：

A） 正常操作工況：操作溫度 670 ℃，操作壓力 0.17 MPa，180 000 h；

B） 設(shè)計(jì)條件工況：設(shè)計(jì)溫度 700 ℃，設(shè)計(jì)壓力 0.3 MPa，20 000 h；

從公式計(jì)算基于壓力的當(dāng)量應(yīng)力 Spi。

從 ASME B31.3 Appendix A 表 A-1，在 700 ℃，Sd=26613.7 kPa。

Sp1=26613.7×（0.17/0.3）=15081.1 kPa

Sp2=26613.7×（0.3/0.3） =26613.7 kPa

對(duì)于每個(gè)條件 i 的一次應(yīng)力值 SL（ 根據(jù)CAESAR II的計(jì)算結(jié)果 ）

SL1=16696.8 kPa

SL2=17412 kPa

對(duì)于無(wú)縫管，SP1、SP2 的 W 是 1.0，對(duì)于環(huán)焊縫，SL1、SL2 的 W 是 0.74、0.68(W 值根據(jù) ASME B31.3中表 302.3.5 查得出)。當(dāng)量應(yīng)力 Si是 SPi／W 和 SLi／W 中的較大值，因此，Si值如下：

S1 =（SP1/W 或 SL1/W）中的較大值

=（15 081.1/1 或 16 696.8/0.74）中的較大值

=（15 081.1 或 16 696.8/0.74）中的較大值

= 22 563.2 kPa

S2 =（SP2/W 或 SL2/W）中的較大值

=（26 613.7/1 或 17 412/0.68）中的較大值

=（26 613.7 或 17 412/0.68）中的較大值

= 25 605.9 kPa

從 ASME B31.3 Appendix A 表 A-1，依據(jù) Si，查到溫度 TE:

TE1=691 ℃

TE2=704 ℃

對(duì)于每個(gè)條件 ii，使用公式計(jì)算 LMP：

LMP=（20+5）（691+273）=24 100

LMP=（20+5）（704+273）=24 425

使用公式計(jì)算斷裂壽命 tn：

a=24 100/（670+273）-20=5.557

tr1=10a=105.557=360578.643h

a=24 425/（700+273）-20=5.103

tr2=10a=105.103=126 765.1866 h

對(duì)于所有使用條件，用 ti／tri的總和，計(jì)算利用系數(shù)u：

t1/tr1=180 000/360 578.643=0.499

t2/tr2=20 000/126 765.186 6=0.158

u=0.499+0.158=0.657＜1

因此，該值是合格的，說(shuō)明管道在 20 a 內(nèi)不會(huì)發(fā)生蠕變失效。

5 結(jié)束語(yǔ)

首先 ，需 CAESAR II計(jì)算管道在高溫環(huán)境運(yùn)行下的安全性，通過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)最優(yōu)化的管道布置方式。

其次，計(jì)算管道的安全服役壽命，經(jīng)核算優(yōu)化后管道布置滿(mǎn)足 20 a 設(shè)計(jì)內(nèi)不會(huì)蠕變斷裂。

最后，對(duì)于高溫管道，除了需計(jì)算管道的蠕變影響下的安全服役壽命外，還需要將蠕變影響考慮到管道的一次應(yīng)力核算中，不能僅僅根據(jù)滿(mǎn)足材料的許用應(yīng)力值就認(rèn)為管道完全安全，因管道的蠕變受管道的持續(xù)應(yīng)力影響，管道的一次應(yīng)力值越大，管道的蠕變應(yīng)變?cè)酱螅瑢?dǎo)致管道的一次應(yīng)力值變化，所以應(yīng)該在管道設(shè)計(jì)時(shí)做到以下幾點(diǎn)：

1）盡可能降低管道承受的一次應(yīng)力值；

2）降低管道的撓度或減小管道支架或彈簧之間的跨距[5]；

3）確保一次應(yīng)力值小于金屬材料的許用應(yīng)力。

［1］梁浩宇，段滋華.金屬材料的高溫蠕變特性研究 [D]. 太原:太原科技大學(xué),2013.

［2］陳年金.高溫環(huán)境中疲勞蠕變交互作用壽命預(yù)測(cè)方法研究[D].浙江工業(yè)大學(xué),2006.

［3］ASME B31.3 Process Piping[S].

［4］SH/T3059-2012 石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用規(guī)范[S].

［5］The Role of Stress Analysis in the Life Extension of Piping Syste ms-Evaluation of Creep Stresses[R].Mechanical Engineering News，COADE,lnc.May，1993.

Creep Stress Analysis of Flue Gas Pipeline

DONG Xiao-Min，ZHAO Hai-Jie
（China Petroleum Engineering Construction Corporation Dalian Design Branch, Liaoning Dalian 116011，China）

Some high temperature flue gas pipelines of petrochemical enterprises always run in 650 ~ 700 ℃ or so for a long time. The researches show that the creep temperature of carbon steel pipeline is about 350 ℃, the creep temperature of alloy steel pipeline is about 420 ℃, the creep temperature of stainless steel pipeline is about 480 ℃.In this paper, by analyzing the operation conditions of an original high temperature flue gas export pipeline in a petrochemical plant, the pipeline arrangement was optimized by using stress analysis software CAESARII. The safety about the service life of pipeline under the condition of creep was assessed through calculating.

Creep; Stress; High temperature pipes; CAESARII

TG 111.8

： A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 1671-0460（2014）07-1208-04

2014-07-08

董曉敏（1962-），女，河北豐潤(rùn)人，工程師，1995 年畢業(yè)于大連石化職工大學(xué)石油煉制專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事石油化工工程管道設(shè)計(jì)工作。E-mail：dongxiaomin-dl@cnpc.com.cn。