廠區內直埋蒸汽管道應力分析

楊 洋，譚南南

(1.北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075;2.遼寧撫順石化公司烯烴廠，遼寧 撫順 113004)

廠區內直埋蒸汽管道應力分析

楊 洋1，譚南南2

(1.北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075;2.遼寧撫順石化公司烯烴廠，遼寧 撫順 113004)

討論了廠區內蒸汽管道埋地的布置方案，應用 CAESARⅡ管道應力分析軟件對一些減小熱應力、增加柔性的方法進行了分析和比較，以期優化管道布置，減少熱應力超標對管系的影響。

蒸汽管道；埋地；應力分析

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.006

化工、電力等行業廠前區公輔裝置中經常用到蒸汽提供熱量，為了節約占地空間及費用成本，有時會選擇管線直埋。但對于溫度高于120 ℃的蒸汽管線，直埋后會因受到土壤約束造成管道熱應力超標，導致管線軸向失穩、熱拱變形以及疲勞破壞等一系列問題[1-2]，帶來安全隱患及經濟損失，影響正常生活、生產。討論廠區內增加埋地蒸汽管線柔性的一般方法以及管線敷設思路，為同類型管線的布置提供參考。

1 埋地管線理論分析基本假設

1.1 埋地管線理論公式

與一般工藝管道不同,埋地管線的應力分析需要準確模擬管道與土壤的相互作用，主要表現在土壤對管道軸向摩擦力以及土壤對管道的橫向推力[3-6]。當把埋地管線土壤沿管壁環向壓力簡化成管道上部土壤質量時，可近似得到管道單位長度上的摩擦力公式：

(1)

式中：F為管道單位長度上的軸向摩擦力，N/mm；μ為摩擦系數；ρS為回填土密度，N/mm3；ρp為管道密度，N/mm3；ρf為流體密度，N/mm3。

伴隨熱介質流入，管線溫度升高。熱膨脹從管道固定墩或者駐點開始沿管道軸向遞增，當摩擦力積累達到土壤屈服極限時，土壤開始產生一定量的位移。如圖1模型建模以及表征土壤對管線橫向推力與管道橫向位移之間的關系。

假設埋地管線土壤約束為理想狀態，當位移較小時橫向推力與位移之間為線彈性關系；當位移足夠大超過臨界狀態時，土壤發生塑性變形，橫向位移繼續增大而土壤推力保持不變。這時需要用彈性剛度和最大推力2個參數來描述土壤的作用力模型。作用在管道單位長度上的土壤線剛度。

圖1 模型簡化

(2)

作用在管道單位長度上的土壤最大推力：

(3)

式中：D0為管道外徑，mm；H為土壤表面到管道頂部的深度，mm；φ為管道橫向位移時土壤摩擦角，度。

1.2 埋地管道模型劃分

按照埋地管線自身特點，可以將其劃分為自然錨固區、過渡段與橫向變形區。錨固區由于摩擦力的約束作用，管線受熱后在軸向以及橫向不發生變形。過渡段指一端固定，另一端為活動端，當管道溫度變化時，能產生熱位移的直埋管段。橫向變形區為管線彎頭、三通等管件附近管線有橫向變形的區域，在CAESARⅡ管道應力分析軟件中區域劃分見圖2。

圖2 埋地管線區域劃分注：1#—變形區；2#—過渡段；3#—自然錨固區

2 工程案例分析

2.1 布置走向確定

某煉化公司一套新建化工裝置，廠前區從臨時鍋爐房到換熱站需敷設2條蒸汽線，2處廠房東西距離約110 m，南北約50 m；綜合考慮工程占地及成本，初步確定直埋處理。以其中1條DN150 mm，設計溫度180 ℃，材料為20#的蒸汽管線為例。

根據一般管線柔性公式可知，特定管線柔性與兩固定端之間管系需要吸收的總變形合成值和展開長度及直線距離差平方的比值大小有關，比值越小柔性越好。以下面幾種布置方式進行計算，分別得到管系危險節點熱應力值。

圖3 管線布置示意

經過分析計算，幾種布置方式的柔性有明顯差別。管系熱應力的大小依次為4>3>2>1；原因在于管線以及土壤特性一定的情況下橫向變形區越多，熱膨脹釋放的應力越多，彎頭數量多、長變形方向被均勻分割的布置方式有一定優勢。另外橫向變形區域可用下式估算：

(4)

式中：E為管道彈性模量，MPa；I為管道截面慣性矩，mm4；K為作用于單位管道長度上的土壤線性剛度，N/mm2。

根據土壤性質可以計算出該管線的橫向變形區域Lb長度大約為1.5 m；管線敷設時彎頭兩側用于吸收軸向變形的直管段應大于Lb。所以圖3中1布置優于2和3。

2.2 模型參數確定

應力模型進行埋地模擬，參數處理如下：摩擦系數0.4；土壤密度0.002 kg/cm3；埋深1 200 mm；內摩擦角35°；回填夯實系數4；屈服位移系數0.015；溫度變化159 ℃。參數輸入見圖4。

圖4 埋地模型參數

經計算，模型中彎頭處操作溫度下熱態應力與其許用應力比值均超過200%，管線柔性嚴重不足。應力超標的原因是較長的兩段直管各自長約50 m，管段中間部分為自然錨固區，當溫升到180 ℃時過渡段軸向位移達到峰值，在目前回填土壤參數下橫向變形區吸收能力有限，導致熱應力超標。

3 管系柔性分析及計算

采用以下幾種方案進行分析計算，這里把長距離埋地段定義為約束部分。

方案1：增設波紋管膨脹節。在Z字形的兩端彎頭以及中間兩個彎頭位置分別設置主固定支架。靠近其中一側彎頭設置波紋管膨脹節吸收軸向位移。遠離膨脹節的固定支架承受最大推力為323.679 kN。推力由內壓盲板力、波紋管彈性力與土壤摩擦力疊加得到。固定架之間土壤給予管道摩擦力趨勢為從固定支架一側開始，沿Z軸負方向依次遞增。當管道橫向位移量達到28 mm左右時土壤發生塑性變形，此時土壤對管線橫向推力趨于穩定，約為38.94 kN。

膨脹節吸收位移也存在一些弊端。例如，若管線較長固定墩的推力很大，相應的對固定墩的強度要求較高。另外波紋管膨脹節的使用壽命一般較短，不同制造商生產的產品性能差別很大，若用在相鄰設備頻繁開停車，管線溫度交替變化的場合會導致其疲勞破壞，經常更換給正常生產帶來不便，所以為方便維修，需要在膨脹節上方位置預留檢修井，檢修井的尺寸以容納膨脹節外形尺寸和工人正常操作維修尺寸為宜，膨脹節附近設置的導向及滑動支撐需增加聚四氟乙烯墊板來減小摩擦力。

方案2：局部管溝敷設或者做軟回填處理。由公式4可知，橫向變形區域的吸收能力大小直接影響操作態管線各個節點的應力指標。在管線參數一定的情況下，可通過改變土壤剛度來增加Lb的長度。修改回填夯實系數以及土壤屈服位移系數，可以得到不同的K值。經計算，當Lb的長度約為4.8 m時，各工況下應力值達標，這是一個可行的方法。但是對于軟回填材料的選擇和夯實度的控制能否達到理論計算要求，對于施工單位來說是難點。優化后管道應力分布對比見圖5。

圖5 優化后的管道應力分布模型

根據理論計算，當Lb的長度為4.8 m時各工況能滿足要求。現把彎頭附近4.8 m內的管線做成管溝，其余位置直埋，在彎頭兩側增加兩處滑動支撐，管托與支撐架之間加設聚四氟乙烯墊板。計算各種工況下的應力，得到校核通過的結果如下：SUS工況16.8%；OPE工況76.3%，EXP工況43.2%。另外如果把彎頭改為大半徑彎頭，應力計算效果有變優趨勢。各種方案應力及推力對比見表1。

表1 4種方案受力對比

4 結語

經分析計算，埋地蒸汽管線由于受到土壤的約束作用，應力超標主要為管道軸向失穩及柔性問題所致，而優化有幾種方式。常用的增加波紋管膨脹節的方式吸收熱位移，效果明顯，優點為節省占地空間，但是由于其本身特性，不適用于壓力高、溫度頻繁變化的場合，所以如果使用膨脹節建議增設配套檢修井，為后序維修工作提供便利條件。

自然補償增設π形彎、軟回填處理和管溝敷設均是可行方案。若管線較長，全廠管溝造價較高時，建議做局部管溝敷設，管溝布置在彎頭三通等管件周圍，其敷設長度應根據理論計算，在應力校核條件達標的前提下把變形區域的長度控制在最短范圍，既能保證管線的安全性又可以節約工程成本。

[1] 唐永進.壓力管道應力分析[M].北京: 中國石化出版社，2010.

[2] 宋岢岢.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] ASME B31.8-2009， Gas Transmission and Distribution Piping Systems[S].

[4] GB 50251-2003，輸氣管道工程設計規范[S].

[5] CJJ28-2014，城鎮供熱管網工程施工及驗收規范[S].

[6] 吳新果,周嶠,盧泓方.基于CAESARⅡ的埋地輸油管道應力分析[J].管道技術與設備，2014(2):16-18.

修改稿日期：2016-08-20

Stress Analysis of Directly Buried Steam Pipeline in Plant

YANG Yang1，TAN Nan-nan2

(1.BeijingPetrochemicalEngineeringCo.,Ltd.Xi’anbranch,Xi’anShaanxi710075China; 2.LiaoningFushunPetrochemicalIndustriesCo.OlefinPlant,FushunLiaoning113004China)

This paper discusses the layout scheme of the steam pipeline buried in the plant area.It also analyzes and compares the methods to reduce the thermal stress and increase the flexibility by using the stress analysis software of CAESAR II.All of these aim to optimize the pipeline layout and reduce the impact of over thermal stress on the pipe system.

steam pipeline; buried; stress analysis

楊洋(1984-)，男，黑龍江尚志人，2011年畢業于西安石油大學化工機械專業，碩士，工程師，現主要從事管道應力分析等工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.006

TK 284.1

A

1004-8901(2016)06-0024-04