管道應(yīng)力分析概述

劉豫（青島海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101）

管道應(yīng)力分析概述

劉豫（青島海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101）

本文介紹了管道應(yīng)力的分類、應(yīng)力分析常用標準以及管道分析的主要內(nèi)容，運用CAESARII對管系模型進行應(yīng)力分析，通過合理優(yōu)化管道布置以減小應(yīng)力所造成的影響。本文結(jié)合工程實例分析管道應(yīng)力所帶來的影響，深化了對管道應(yīng)力安全的認識。

應(yīng)力分析；軟件；支吊架

1 管道應(yīng)力分析概況

1.1 進行應(yīng)力分析的原因

管道在運行過程中可能存在壓力、重量、風、地震、設(shè)備震動等外力產(chǎn)生的荷載，而荷載是產(chǎn)生應(yīng)力的主要因素。管道應(yīng)力分析的目的是防止管道疲勞及塑性變形破壞，保護設(shè)備正常運行，為支架設(shè)立提供依據(jù)。根據(jù)應(yīng)力分析的結(jié)果，通過調(diào)整管道的走向、增加支吊架或補償器的方法，保證與管道相連的設(shè)備和結(jié)構(gòu)設(shè)施的安全。

1.2 進行應(yīng)力分析的管線類別

在設(shè)計過程中，滿足以下條件的管線需要應(yīng)力計算：極端溫度（高溫、低溫）、高壓、大直徑薄壁管道、劇烈工況運行、和泵、壓縮機、反應(yīng)器等設(shè)備相連的管道等。[1]

2 壓力管道應(yīng)力分析

2.1 應(yīng)力分析常用標準

壓力管道的校核標準根據(jù)管道內(nèi)不同的介質(zhì)類型，可劃分為幾類不同的校核標準。國內(nèi)常用的幾種標準，工藝管道參照GB 50316《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》；輸油管道參照GB 50253《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》，同時可參照SH/T 3041《石油化工管道柔性設(shè)計規(guī)范》[2]。國外標準通常使用美標ASME，包括：

ASMEB31.1Powerpiping——動力管道

ASMEB31.3Process Piping——工藝管道

ASME B31.4 Pipeline Transportation Systems for liquids and slurries

——液態(tài)烴及其他液體管線輸送系統(tǒng)

以上國內(nèi)外標準主要針對管道系統(tǒng)，在計算管嘴受力、動力分析時還應(yīng)參照壓力容器及各類動設(shè)備的設(shè)計規(guī)范。使用不同標準得出的計算結(jié)果也不盡相同，選擇適當?shù)臉藴誓茏層嬎憬Y(jié)果更接近實際工況。

2.2 管道布置及模型的建立

管道應(yīng)力分析包含靜力分析及動力分析。靜力分析包括了管道的一次應(yīng)力及二次應(yīng)力，管道對設(shè)備、支吊架及法蘭的受力分析；動力分析主要為振動設(shè)備的頻率分析。改變管道應(yīng)力可從多個方向著手，加強設(shè)備管口防止作用力過大，分析振源找出控制管道振動及應(yīng)力的對策等。常用方法是在管系中合理設(shè)置支吊架及改變管道布置以增加管道柔性，達到減小應(yīng)力及振動的目的。簡單管系模型可進行簡單手算，復(fù)雜管系需要用軟件建模計算，計算結(jié)果經(jīng)審核無誤后作為正式文件保存。

2.3 合理選用及設(shè)置支吊架

合理設(shè)置管道支吊架能在滿足一次應(yīng)力的的前提下，減小二次應(yīng)力、管系震動所造成的影響。

管道支吊架按其主要功能可分為三大類：承重支架、限至支架、減振支架。每個類別中又包括幾種不同功能的支架，如承重支架中的剛性支吊架，適用于無垂直位移的場合；限至支架中的導(dǎo)向架，適用于管線有軸向位移，但需限制橫向位移的場合；減振支架中的減振器則用于限制管道的振動[3]。

支吊架的設(shè)置有幾個要點：在集中荷載較大的管件處設(shè)置承重支架；承重架距離不大于管道的最大跨距；敏感設(shè)備（泵、壓縮機等）附近設(shè)置彈簧支架，減少設(shè)備管嘴承受的管道荷載；振動管道的支吊架應(yīng)獨立于建筑物、構(gòu)筑物，防止將振動傳遞到建筑物上；需要詳細應(yīng)力計算的管道，根據(jù)應(yīng)力計算的結(jié)果設(shè)置支吊架。

2.4 增加管道的柔性

管道柔性反映了管道變形的難易程度,表示管道通過自身變形吸收熱脹、冷縮和其它位移變形的能力。通常采用以下三種方法來增加管道柔性,改善管系的受力狀況:一是改變管道走向,增加管道的自然補償能力。為增加管道柔性，通常在長直管段增加“π”型及“U”型彎，增加管系的熱位移。二是選用膨脹節(jié)。通過膨脹節(jié)波紋管的伸縮變形，可以有效吸收管線由于溫度變化原因產(chǎn)生的冷熱位移，減小管線受到的應(yīng)力。三是選用彈簧支吊架。彈簧支吊架用于減少位移應(yīng)力，設(shè)置后可以獲得恒定的支撐力，減少管線的附加應(yīng)力[4]。

表1 部分管道節(jié)點應(yīng)力分析結(jié)果

3 管道應(yīng)力實例分析

某裝置輸油管道采用φ273X7.8的20#無縫鋼管，由泵輸送到相鄰儲罐。該管道的設(shè)計壓力1.2MPa，溫度80℃。CAESAR II中建模如下（圖1），泵出口、儲罐入口設(shè)置固定點，在閥門等有集中荷載處設(shè)置承重支架，根據(jù)管道跨距及管道走向設(shè)置導(dǎo)向架。

圖1 CAESAR II中的管道模型

建立模型后，選用ASME B31.3對管道應(yīng)力計算進行矯正。由于計算結(jié)果較多，現(xiàn)列出部分管道節(jié)點的應(yīng)力情況（表1），所有應(yīng)力分析結(jié)果均符合ASMEB31.3中的要求。

4 結(jié)語

管道的動力分析比較復(fù)雜，需根據(jù)與管道相連的振動設(shè)備建立對應(yīng)的數(shù)學模型計算。對于管道靜力分析而言，設(shè)置管道支吊架可以承受管系自身荷載及外部荷載，將一次應(yīng)力控制在許用應(yīng)力范圍內(nèi)；同時通過限制管道不同方向的位移，達到調(diào)整和改善管系應(yīng)力分布的目的。改善管道的柔性方式有多種方式，從經(jīng)濟型及安全性的角度分析，首先應(yīng)嘗試管道的自然補償，如果因為空間受限或經(jīng)濟核算數(shù)據(jù)時，可適當選用補償器。本文主要概述了壓力管道應(yīng)力分析的目的及應(yīng)對方法，說明了應(yīng)力分析在管道設(shè)計中的重要性，對于管道設(shè)計工作中的應(yīng)力分析提供了有效的借鑒方法。

[1]唐永進.壓力管道應(yīng)力分析.中國石化出版社[M].

[2]唐永進.壓力管道應(yīng)力分析的內(nèi)容及特點.石油化工設(shè)計[J].2008.25(2):20-24.

[3]SH/T 3073-2004石油化工管道支吊架設(shè)計規(guī)范.[M]中國石化出版社.

[4]許文欣,張強.化工設(shè)計中的管道應(yīng)力分析.遼寧化工[J].2003.32(3):117-119.