管道應力分析常規問題的探討

周小兵

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

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設 計 技 術

管道應力分析常規問題的探討

周小兵

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

在進行管道設計時，首先要考慮滿足工藝要求，還應使管道的設計既經濟合理又安全可靠，管道應力分析是實現這一目標的手段和方法。根據對相關規范的理解和支架設計技巧，結合長期的設計經驗和應力分析理論，提出了管道應力分析時需要注意的問題，包括安裝溫度、彈簧設計、汽缸位移、再沸器及偶然工況等。

管道應力；安裝溫度；彈簧設計；汽輪機；再沸器；偶然工況

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.004

1 管道應力分析中如何定義安裝溫度

國內工程公司的管道應力分析專業通常規定：管道應力分析的安裝溫度，依據建設項目所在地的氣象環境和安裝時間及業主的特殊要求來確定，如無特殊規定，則管道安裝溫度取21℃。但也有人提出，關于管道應力分析的安裝溫度，熱管應以最冷月平均氣溫為基準，冷管應以最熱月平均氣溫為基準，認為這樣計算結果才是最安全的。

二次應力是由熱脹、冷縮、端點位移等位移荷載的作用所產生的應力，是個位移應力變化范圍。ASME B31．3明確指出，在進行位移應力范圍計算時，應基于分析熱循環內金屬的最高溫度與最低溫度；在進行約束反力計算時，應基于金屬最高(或最低)溫度與預期安裝溫度。

舉個例子，如某管道有兩種操作工況，T1=300℃，T2=-50℃，安裝環境溫度為21℃，CAESAR Ⅱ軟件會默認建立以下工況：

L1：W+T1+P1(OPE)

L2：W+T2+P1(OPE)

L3：W+P1(SUS)

L4：L1-L3(EXP)

L5：L2-L3(EXP)

顯然，以上L4及L5都沒有代表溫度循環內極限的位移應力范圍，不是規范上定義的二次應力，為了校核規范應力，設計者需要另外增加一個工況：

L6：L1-L2(EXP)

根據規范，應以L6來校核二次應力，L1及L2來提熱態的約束反力條件。

安裝好的管道受環境溫度影響，上述例子中的T1也可能是冷管停車期間管道的環境溫度，T2也可能是熱管停車期間管道的環境溫度。設計者修改軟件模型中的安裝環境溫度，主要會對操作工況下的約束反力、操作工況與安裝工況之間的應力變化范圍產生影響。如按照熱管以最冷月平均氣溫為基準，冷管以最熱月平均氣溫為基準來修改安裝環境溫度，位移應力范圍的校核將變得更加準確和安全，但約束反力會變得比較保守而偏大，這樣對敏感設備管口受力校核往往很不利，增加了設計難度。

綜上所述，準確的做法是在輸入管道安裝完畢時將當地的實際溫度作為安裝溫度，另外，增加一種極限環境溫度，安裝溫度用來計算約束反力，操作工況與極限環境溫度之間的應力變化范圍用來校核二次應力。因每根管道的實際安裝溫度很難準確得到，且空冷器、動設備等廠家給出的端點位移條件通常也是以21℃為基準，所以一般不建議更改軟件安裝環境溫度，除非項目和業主有明確規定。

所以，常規做法是：如不另增極限環境溫度工況，建議設計者進行二次應力校核時適當考慮裕量；如不修改安裝溫度，建議結構荷載條件適當放大。

2 彈簧設計注意事項

細心的管道設計者在接到應力報告后，會發現約束力報告彈簧點的位移及載荷與彈簧數據表中的不一致，有時差別還很大，不明白是什么原因。整個彈簧支吊架設計的步驟如下所述。

(1)利用標準跨距原理來選擇管架位置。假設在這點有一個剛性Y向約束，然后進行質量載荷分析。這種分析稱為“約束-質量”分析。在這一分析中，分布在每個約束上的質量載荷將被默認作為彈簧選型時的熱態載荷。當管口操作載荷不是主要因素，而法蘭配合是主要問題時，CAESARⅡ可以提供冷態載荷設計，其中在冷態工況，而不是在熱態工況下平衡質量載荷。

(2)其次，從管架位置除去約束，進行熱膨脹分析，這種分析稱為“自由-熱態”分析。每個支架位置的熱態位移將被作為彈簧選擇時的熱位移。

(3)利用從“約束-質量”計算得出的熱態載荷和“自由-熱態”得到的位移，從上述彈簧表中選擇一個彈簧對應每個點，利用彈簧剛度來確定安裝所需冷態載荷(廠家預置的彈簧載荷)。

(4)通過在每個彈簧作用點增加一個剛度等于彈簧剛度的約束，并且通過增加彈簧預置載荷(冷態載荷)作為在持續載荷工況下起作用的力，來調整模型以反映彈簧的存在，再重新分析所有載荷工況以獲得彈簧真實存在時的效應。

只要用戶在管系中指定彈簧，上述4個步驟(除了確定彈簧支吊架的位置)將由CAESARⅡ自動完成。應力計算報告中，彈簧數據表上的位移為上述第2步驟計算得到，載荷由第1步驟得到，只是用來供彈簧選型，而約束力結果中該點的位移及載荷值才是較真實的彈簧位移，SUS工況的位移表示彈簧拔除定位銷后的位移，通常不為零，OPE工況的位移表示操作狀態下的位移。

舉例說明：某管道彈簧支撐點熱位移向下，設計時如采用熱態工況平衡質量載荷，那么彈簧拔除定位銷后，因冷態載荷不足會有向下位移Amm，熱態下的位移剛好載荷平衡，約束力報告OPE工況中該點的位移即是彈簧數據表中的位移；如采用冷態工況平衡質量載荷，那么彈簧拔除定位銷后，因冷態載荷平衡，幾乎不會有垂直方向位移，在升溫的過程中彈簧載荷逐漸變大，由于管道剛性的抑制，會讓彈簧支撐點實際熱位移無法達到設計值，那么約束力報告OPE工況中該點的位移值會比彈簧數據表中的位移值小Bmm。A、B值的大小取決于彈簧附近的管系柔性和彈簧的剛度。

當然，A、B值還和設計誤差有關系，如附加零部件的預期質量，且這些質量很重要時，如沒有考慮由大管卡或型鋼制成的吊架組件的情況。某項目現場曾出現過管道上彈簧拔除定位銷后，管道下沉，彈簧全部壓死的現象。

通過以上分析，在彈簧使用較多，且熱位移向下、設計原則采用熱態工況平衡制動量載荷的場合，如果忽略這些質量，容易發生彈簧壓死的現象。

在管道設計中常常會用到彈簧支吊架，其能夠解決支架托空或支架受力過大的問題，可減小局部應力，文獻1和2介紹了更多的彈簧設計技巧，正確合理地設計彈簧支吊架是一項重要的工作。

3 汽輪機開車時汽缸移位問題

常見的轉動機器主要有汽輪機、離心式壓縮機和離心泵，當管道受到熱脹冷縮的影響時，對其所連接的轉動機器將產生作用力。管道作用于轉動機器的荷載(力和力矩)過大時，將造成轉動軸的不對中、轉子與定子之間的間隙改變，引起機器磨損和振動，影響機器正常運行。因此，必須對管道作用于轉動機器的荷載加以限制。由于汽輪機管線操作溫度較高，受力要求更為嚴格，因此汽輪機管道的柔性設計是管道應力分析中較為困難的問題之一。

由于背壓式汽輪機與凝汽式汽輪機相比，結構更簡單，機體更單薄，受應力作用容易變形，整體受力控制應引起注意。近幾年來，國內外某幾個項目現場連續出現過背壓式汽輪機開車時汽缸移位的現象。筆者從以下幾個方面分析消除管道方面的隱患的方法。

(1)設計上，首先應保證能冷態調零，為實現無應力安裝、校核熱態管口受力做好準備，也就是SUS工況下進汽口、排汽口受力幾乎為零。實現這一點并不難，一般在汽輪機管口附近均勻地設置支架，通常采用彈簧架，以減小因垂直管道的熱膨脹引起的管口熱態作用力，第一個彈簧支吊架與管口的水平距離宜控制在4DN以內，使壓縮機管道的自重及熱脹推力和力矩盡可能不作用到壓縮機管口上。

(2)依據廠家資料或者NEMA SM23，進行OPE工況下管口受力校核。根據參考文獻3和其他資料，建議圍繞機器固定點布置管道，并在管道與機器固定點處坐標軸的交點位置設置限位支架，從而使機器管口的熱膨脹與管道熱膨脹基本相當，減小管道對機器管口的作用力。為了減小摩擦力帶來的不利影響，通常要求設置剛性吊桿和吊彈簧，限制性支架采用拉桿限位。計算時應考慮與主管相連支管的影響，一般情況下，汽輪機進汽口管線上會有暖管放空管線，排汽口管線上會接有安全閥管線，這些管線在滿足工藝要求的前提下口徑不宜過大。

(3)在剛性支撐的情況下(即彈簧定位銷沒有拔出之前)，依據相關標準規范檢查管道法蘭與機器法蘭之間的間距、平行度和同軸度，剛性狀態下管口無應力安裝的質量應由施工方嚴格控制。此步驟建議由經驗較豐富的施工人員進行安裝，如果一次性安裝沒有通過廠家驗收，再割開重新焊接會增加施工成本。

(4)依次取下彈簧支架的鎖定裝置，使彈簧發生作用。此時檢查相關支架是否符合設計要求，如果出現偏離問題，則需要調整彈簧來滿足管口對中要求。如果偏離過大，可能需要根據管道實際壁厚重新核算彈簧載荷。需要注意的是，第3步如果沒有達標，想在第4步最終滿足管口無應力安裝的要求，幾乎是不可能。

4 再沸器的雙支撐設計

在化工裝置中，經常會遇到塔與再沸器直接相連的情況，針對設備管口所受豎直方向和管線軸向的熱膨脹力，文獻1中已經指出了工程中常用再沸器的兩種支撐型式和一些比較適用的措施，如找一合適的支撐標高設置剛性支架，或者在支耳處設置彈簧支架。但如果單獨將這些做法實施在某些場合，其實并不合適，如再沸器質量過大、空重和操作重差距過大等，再沸器質量過大會導致接管軸向推力超標，管板法蘭連接處拉力過大可能導致泄漏，空重和操作重差距過大會導致彈簧設計困難。

某國外項目上出現的再沸器EA201，分上(2/2)段、下(1/2)段，中間用管板法蘭連接，下(1/2)段，操作液質12 300kg，設備凈重47 000kg；上(2/2)段，操作液質量6 600kg，設備凈重17 100kg。經管道應力分析專業初步研究，在再沸器上找一合適的支撐標高設置剛性支架，或者在支耳處設置彈簧支架，均無法同時滿足設備接管及管板法蘭的受力要求。

經研究，最終確定采用雙支撐方案，支撐結構型式見圖1，大致方案如下。

圖1 再沸器的雙支撐模型

(1)在(2/2)段，上根據2臺設備的溫度、材質等來確定再沸器第1組支耳位置，使塔與再沸器在接管處的膨脹量相等或相近，設計為剛性滑動承重支架，接觸面采用不銹鋼對聚四氟乙烯板，通過降低摩擦系數來進一步減小接管水平方向的力，支耳處的螺栓孔開成沿熱位移方向的長圓形孔。

(2)在(1/2)段，上設置第2組支耳，標高可以根據設備、結構專業需要適當調整，采用4個吊彈簧承重，吊彈簧幾乎不用考慮摩擦力，4個彈簧的總操作載荷約為50t，建議該載荷取值范圍介于(1/2)段凈重和兩段總凈重之間，要能保證接管軸向推力、管板法蘭連接處拉力在允許的范圍內。

5 偶然工況設計

隨著工程公司國際化的發展，海外項目對管道應力分析專業的工作要求也越來越高，如在合同中明確提出管道設計中要考慮地震和風作用。這些地震和風作用對管道設計的影響有以下幾點。

在實際工程中，考慮風和地震荷載時，管道應力分析中均推薦采用等效靜力法來完成。對于偶然荷載作用下一次應力的校核條件，GB 50316參照了ASME B31.1和ASME B31.3的規定，采用了放大的許用應力系數[4]。關于荷載條件，因結構專業也已經做了整體的地震和風載荷分析，所以管道專業提給結構專業的荷載條件不要再考慮這2種偶然載荷，一般只考慮水壓試驗HYD、安裝SUS、操作工況OPE，設備管口受力一般也無需按照這2種偶然載荷工況校核，但設計管道支吊架的附屬件，如設備預焊件、管卡、管托、拉桿、擋塊等時，應考慮能承受偶然工況下的載荷。

管道應力分析中包含的偶然荷載主要有風荷載、地震荷載、安全閥泄放載荷和水錘力，這些臨時荷載無需同時構成組合工況。

與塔、反應器等設備相比，管道的直徑較小，風荷載僅對大直徑、位置較高的管道存在一定影響，只要按照常規設計要求，適當設置限制性支架，通常風荷載的防振要求均能滿足。同理，因管道相對較小，地震發生時管道自身受地震作用造成應力過大而破壞的可能性并不大，通常是由于設備或管架倒塌或管道從支撐物上滑落，造成管道的破壞，只要適當設置限制性支架，根據SH 3039《石油化工非埋地管道抗震設計通則》，在絕大多數情況下，不需要進行管道的地震分析計算。

關于管道應力分析中的偶然工況設計，處理原則一般如下。

(1)根據規范校核管道在壓力、重力、其他持續荷載和偶然荷載所產生的縱向應力之和。

(2)如果結構專業已經考慮風荷載、地震荷載，管道專業提給結構專業的荷載條件不要再包含此2種偶然荷載，但安全閥泄放載荷和水錘力應單獨提出，管道支吊架的附屬件，應考慮能承受偶然工況下的載荷。

(3)偶然工況下設備接管處局部應力校核準則可參考ASME Ⅷ Div.2，但一般情況下，設備管口允許受力可不考慮偶然工況下的受力。

6 結語

隨著工藝技術的發展、裝置規模逐漸大型化、海外項目比例增加，給管道設計人員帶來諸多挑戰，也對管道應力分析專業提出了更高的要求。正確地理解相關規范，使用合適的管道應力分析方法，才能設計既經濟合理又安全可靠的管道布置方案。

[1]周小兵.塔與再沸器的配管及應力分析[J].化肥設計，2009(1)：32-34.

[2]周小兵，蔡曉峰，陽東升，等.彈簧支吊架在管道布置和應力分析中的相關注意事項[J].化肥設計，2010(6)：29-31.

[3]周小兵，蔡曉峰.關于幾種典型化工裝置管道支吊架的設計[J].化肥設計，2010(3)：14-17.

[4]唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2003.

[5]孫煥春，袁本旺，王兵槐.高壓抽注凝汽式汽輪機主蒸汽管道的應力分析[J].化肥設計，2016，54(1)：25-28.

修改稿日期： 2017-03-01

Discussion on the General Issues about the Piping Stress Analysis

ZHOU Xiao-bing

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223，China)

In the pipeline design，we must first consider meeting the technological requirements，but the design of the pipeline should also be economically reasonable and safe and reliable. Pipeline stress analysis is the means to achieve this goal. Based on the understanding of the relevant norms and the design techniques of brackets，combined with long-term design experience and stress analysis theory，this paper puts forward the problems deserving attention in pipeline stress analysis，including installation temperature，spring design，cylinder displacement，reboiler，accidental conditions and so on.

pipe stress；installation temperature；spring design；steam turbine；reboiler；accidental conditions

周小兵(1983年—)，男，湖北武漢人，2007年畢業于武漢工程大學化工過程機械專業，碩士，高級工程師，現從事管道材料控制與應力分析工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.004

TQ086

A

1004-8901(2017)03-0013-04