海洋平臺中高溫管道系統的應力分析

徐紅梅，李 磊，韓華偉，張 工，張譚龍

(中集海洋工程研究院有限公司， 山東 煙臺 264000)

海洋平臺中高溫管道系統的應力分析

徐紅梅，李 磊，韓華偉，張 工，張譚龍

(中集海洋工程研究院有限公司， 山東 煙臺 264000)

海洋平臺中的排煙管溫度很高。管路系統在熱脹和冷縮時，會導致管系的熱應力，并對連接設備和船體結構產生很大的作用力，因此膨脹節的選型、管路系統的布置、支撐類型和結構等將直接影響船體和連接機器的安全。結合工程實例，采用CAESARⅡ管道應力分析軟件對高溫管道進行靜力學及動力學模態分析。按照大口徑管道的彎頭和三通的柔性系數對模型進行特殊考慮。經過模擬分析計算，證實該高溫管道系統的一次應力和二次應力均滿足標準要求。

管道應力；高溫；排煙管；海洋平臺；大口徑管；

0 引 言

海洋平臺中排煙管系統的溫度高達400 ℃。當管道受熱膨脹和遇冷收縮時，將對與其相連的機器、設備和船體結構產生作用力，而機器、設備和船體結構也將對管道產生反作用力，并在管道中引起應力。當管道系統比較剛硬時，這種應力比較大，可能導致管道和船體結構的破壞，并可能影響到機器、設備的正常運行。目前基本上沒有對海洋鉆井平臺中的高溫管道系統進行詳細的管道應力分析。如果只憑經驗設計，則會在膨脹節選型和支撐結構設計等方面造成一定的資源浪費，而且對于系統的安全性造成一定的隱患。考慮實際需求，本文采用CAESARⅡ軟件對高溫管道進行了應力分析。

1 管道應力分析

管道應力分析是對管道系統進行柔性設計，并對所設計的管道系統做出強度和剛度的評價，為管系的經濟分析和安全保障提供依據[1]。

1.1 分析內容

高溫管道系統的柔性是指管道通過自身變形吸收熱脹、冷縮和其他位移變形的能力。在進行高溫管道設計時，在保證管道具有足夠的柔性來吸收位移應變的前提下，應使管道的長度盡可能短或投資盡可能少。在管道柔性設計中，除考慮管道自身的熱脹冷縮外，還要考慮管道端點的附加位移。管道應力分析即柔性分析的目的是保證高溫管道應力在規范的許用范圍內；使設備管口載荷符合制造商的要求或公認的標準；計算出作用在管道支吊架上的載荷，用于設計合理的支吊架形式和結構；解決高溫管道動力學問題；幫助配管優化。

1.2 分析步驟

管道系統應力分析主要包括三個步驟：

首先是確定輸入參數，正確建立模型，將所分析的管道系統的力學模型簡化為程序所要求的數學模型。

其次是真實地模擬管道系統的邊界條件，具體包括約束、位移、支吊架和設備管嘴等問題的模擬。

最后是正確地分析計算結果，用計算結果來指導管道系統的設計與調整。

2 研究對象和工具

為了進一步詳細描述高溫管道系統的應力分析，以煙臺中集來福士建造的某型海洋平臺的高溫排煙管道系統為例，進行詳細的應力分析和補償器的計算。分析采用管道應力分析軟件CAESARⅡ。該軟件通過使用梁單元建立管路系統模型，并定義作用在管系上的載荷，生成用位移、載荷和應力表示的計算結果[2]。分析采用ASME B31.3標準，軟件中安裝溫度取4 ℃。

3 設計參數的確定

圖1 排煙管布置圖Fig.1 Exhaust piping system arrangement

排煙管的布置圖如圖1所示，排煙管的材料采用ASTM A106GR.B，規格為公稱直徑(DN)1 100 mm×8 mm，設計壓力取0.1 MPa。膨脹節采用波紋管膨脹節AS型，法蘭采用EN1092-1 PN6標準，設計溫度為30～400 ℃，采用巖棉絕緣，用鍍鋅鋼絲固定，最后用鍍鋅薄鋼板包裹[3]。其中絕緣材料的厚度為50～75 mm，巖棉的密度為100 kg/m3。

4 CAESARⅡ計算實例

4.1 建立應力分析模型

針對圖1中的排煙管路布置，使用CAESARⅡ管道應力分析軟件進行模擬分析，建模如圖2所示。其中，消音器在建模時可模擬為剛體。該管道的直徑與壁厚的比值D/t>100，屬于大口徑薄壁管管道。該類型的結構除了具有管道特征以外，還具有很多容器特征。大口徑管道的彎頭一般是蝦米腰形式的，在彎頭兩端的直管上設有補強圈，如果按照厚壁彎頭計算，往往得到錯誤的結果。因此，在處理這種類型的管道時，需要對彎頭、三通和設計接口處的柔性進行特殊考慮[4]。模型中的節點40經過修正以后，彎頭的柔性系數為11.426。

圖2 高溫排煙管應力分析模型Fig.2 Analysis model for the high temperature exhaust piping system

4.2 確定設計載荷和工況

高溫排煙管路系統上承受的載荷有:重力載荷，包括保溫材料的重量、管道的自重和介質的重量等；壓力載荷，取設計壓力或根據工藝有特殊要求的工況確定；位移載荷，包括管道熱脹冷縮位移、支撐沉降、端點附加位移等，計算溫度取設計最高/最低溫度，有的工況需要計算操作溫度下的受力情況[5]；波浪載荷，一般以加速度的形式進行考慮；地震載荷；風載荷；機器振動載荷，如回轉設備的振動，主要指主機的振動。確定設計載荷后，根據規范的要求，對各種載荷進行組合，用以對管道的安全性進行判斷。具體工況組合如表1所示。

表1 設計載荷工況Table 1 Load case combinations

注：W為管道自重；T1為設計最高溫度；T2為設計最低溫度；P1為設計壓力；U1為波浪誘導加速度。

4.3 計算結果分析

根據以上所提供的載荷條件和載荷工況，對系統模型進行計算分析，發現最大計算應力都在管系能夠承受的范圍內，比規范要求的許用應力小。表2是管路系統具體的計算應力結果；圖3和圖4分別是排煙管系統的一次應力和二次應力分布；表3是管路系統部分節點位移結果。

表2 應力分析結果Table 2 Detailed stress analysis results

圖3 高溫排煙管系統一次應力分析結果Fig.3 Primary stress analysis results of high temperature exhaust piping system

圖4 高溫排煙管系統二次應力分析結果Fig.4 Secondary stress analysis results of high temperature exhaust piping system

通過對彎頭柔性系數的準確模擬分析，得出該高溫排煙管路系統的一次應力和二次應力的利用率都小于1，均在ASME B31.3規范要求范圍內[4]。在計算二次應力時，為了考慮局部應力集中的影響，要采用應力增大系數，因為應力集中主要對管件的疲勞破壞產生作用，局部的高應力循環將使材料產生裂紋并不斷擴展，最終導致破壞。

根據應力分析結果可以確定合適的排煙管支吊架類型。根據計算輸出的支撐節點支反力信息為設計支吊架的結構提供設計載荷[3]。

高溫排煙管道溫度變化時的熱脹冷縮約束會產生熱載荷，將導致管系的熱應力；管道在安裝施工時各部分尺寸誤差也會產生安裝載荷即殘余應力[6]；與管道連接的設備變位或管子端部位移而引起的管系變形也會產生載荷。這些因素決定了高溫排煙管道的應力分布和位移變形。根據現場反饋的系統運行狀況，和計算得到的應力分布基本一致。

表3 管路部分節點位移結果Table 3 Displacement results of part of piping nodes

通過管路的位移分析結果，可以看到管道的最大變形位于波紋補償器處，在實際操作中可以使管道間距和自然轉彎處空間滿足管線的工作狀態變形需求，為管道預留充足的空間，并優化管道平面布置。同時根據排煙管路的應力和位移分析結果，確定波紋補償器的選型。

5 結 語

本文以中集來福士建造的某型海洋平臺的高溫排煙管道系統為例，利用CAESARⅡ軟件進行了詳細的管道應力分析。分析模型中管路附件和設備作為剛體進行模擬，同時考慮到管道直徑與壁厚的比值，按照大口徑管道的彎頭和三通的柔性系數對模型進行特殊考慮。經過模擬分析計算可知，該高溫管道系統的一次應力和二次應力均滿足標準要求；位移分析結果為優化管道布置和預留空間提供參考，同時為膨脹節的選型和管道支吊架的結構設計提供設計載荷。目前該高溫排煙管道系統運行良好。需要注意的是，管道材料在高溫時還存在著蠕變、應力松馳等現象，而這些是目前無法利用程序來解決的，需要設計人員根據實際情況加以考慮。

[1] 邱令國.一段煙氣管道的配管設計與安裝[J]. 煉油設計, 1997, 27(3): 51.

[2] COADE Engineering Software Inc. Piping stress analysis seminar notes[R]. 1998.

[3] Det Norske Veritas. DNV-RP-D101. Structural analysis of piping systems[S]. 2008.

[4] American Society of Mechanical Engineers. ASME B31.3. Process piping, ASME code for pressure piping[S]. 2008.

[5] 徐紅梅，韓華偉. 自升式鉆井平臺中高壓管道應力分析[J]. 海洋工程， 2013， 31(5)： 114.

[6] 劉純, 陳紅冬, 胡波濤. 蒸汽管道應力分析和支吊架調整[J]. 鍋爐技術, 2006, 37(4): 74.

StressAnalysisofHighTemperaturePipinginOffshorePlatform

XU Hong-mei, LI Lei, HAN Hua-wei， ZHANG Gong, ZHANG Tan-long

(CIMCOffshoreEngineeringInstituteLtd.,Yantai，Shandong264000,China)

The temperature of exhaust pipe in offshore platform is very high. This high temperature will cause thermal stress in piping system and large force to connecting machine and hull structure during piping thermal expansion and contraction. Selection of expansion joint, pipeline arrangement, as well as type and structure of the supports have direct effects on the safety of connecting machine and hull structure. Static analysis and modal analysis are carried out with CAESARⅡ piping stress analysis software. The flexible factors of bend and tee of large diameter pipe are included as references. According to the calculation results, the primary stress and secondary stress of high temperature piping system can meet the standards.

piping stress; exhaust pipe; high temperature; offshore platform; large diameter pipe

TE973.9

A

2095-7297(2015)01-0036-04

2014-12-12

徐紅梅(1982—)，女，碩士，工程師，主要從事海洋結構物的管道應力分析研究。