壓力管道低溫低應力工況判定方法及應用

劉洪佳， 田德永 ，吳廣增

(中海油山東化學工程有限責任公司， 山東 濟南 250101)

壓力管道低溫低應力工況判定方法及應用

劉洪佳， 田德永 ，吳廣增

(中海油山東化學工程有限責任公司， 山東 濟南 250101)

闡述了壓力管道低溫低應力工況的確定方法，并結合工程實例說明壓力管道低溫低應力工況應用的要點。

低溫低應力；壓力管道；判定方法

壓力管道設計中低溫材料的脆性開裂問題時有發生，金屬材料隨著溫度的下降，將由延性轉變為脆性，在應力的作用下產生低應力脆性斷裂。針對金屬材料低溫脆性問題，國內外相關規范都規定了金屬材料的最低使用溫度及低溫沖擊試驗要求[1]。壓力管道規范(GB/T20801.2)規定了碳鋼低溫低應力工況免除沖擊試驗的最低使用溫度-101℃[2]。冷庫設計規范(GB50072)將制冷系統作為低溫低應力工況[3]，規定制冷系統20#碳鋼管道的最低工作溫度至-48℃。

低溫低應力工況運行的管道除了溫度不得低于規范要求最低溫度外，管道內最大應力要求不得高于規范要求最低應力水平，而決定管道最高應力水平的因素除了壓力、重力外，還有管道柔性。因此，低溫低應力工況判定應經過應力分析確定。

1 低溫低應力工況

低溫低應力概念源于壓力容器規范(GB150.3)附錄E[4]：“低溫低應力工況系指殼體或其受壓元件的設計溫度雖然低于-20℃，但設計應力小于或等于鋼材標準常溫屈服強度的1/6，且不大于50MPa時的工況”。壓力管道規范(GB/T20801)將同時滿足下列三個條件的工況定義為低溫低應力工況：

(1)低溫下的最大工作壓力不大于常溫下最大允許工作壓力的30%。

(2)管道由壓力、重量及位移產生的軸向(拉)應力總和不大于10%材料標準規定最小抗拉強度值。

(3)僅限于GC2級管道，且最低設計溫度不低于-101℃。

低溫低應力工況下管道或其管道元件的設計溫度雖然低于或等于規范規定的材料低溫界限，但其總體應力小于或等于規定的低應力水平。此時管道不會發生脆性斷裂。在工程實踐和科學試驗中，確實存在這種情況。

2 低溫低應力工況判定方法

2.1 判定方法

低溫低應力管道的判定是應用低溫低應力工況的前提，低溫低應力工況與溫度壓力、重量及位移產生的軸向應力相關，即管道位移應力跟管道布置有關。低溫低應力管道判定步驟如圖1所示。

圖1 低溫低應力管道判定步驟

2.2 直管常溫最大允許壓力計算

直管外壓設計應按照壓力容器規范(GB150等)計算最大允許壓力，壓力管道多為內壓管道，本文僅討論內壓直管最大允許壓力計算。內壓直管最大允許壓力計算按式(1.1)。

(1.1)

式中：PL——最大允許壓力，MPa；t——管道壁厚，mm；S——管道材料常溫許用應力，MPa；Φ——縱向焊接接頭系數，無縫鋼管取1.0；Do——管道外徑，mm；Y——計算系數，低溫管道且t

2.3 彎管彎頭常溫最大允許壓力[5]

內壓彎頭或彎管常溫最大允許壓力PE按式(1.2)計算。

(1.2)

2.4 法蘭、閥門最大允許工作壓力

法蘭最大允許工作壓力按照鋼制管法蘭標準(HG/T20592)規定的法蘭常溫壓力額定值選取。閥門常溫最大允許工作壓力按供貨商或國家規范執行。

2.5 管道軸向拉應力計算

管道軸向拉應力源于軸向載荷和冷縮位移。管道低溫低應力工況判定應計算二者的綜合拉應力。

(1)內壓及軸向力引起的軸向拉應力σL

(1.3)

式中：Pd——設計壓力，Mpag；Di——管道內徑，mm；Fax——作用在管道橫截面的軸向力，N；A——管道橫截面積，mm2。

(2)重量荷載引起軸向應力σZ

重力可按均布荷載作用產生的彎曲正應力計算，有集中荷載時，應考慮集中荷載對管道彎矩的影響。

(1.4)

式中：M——均布荷載引起最大彎矩，N.m，直連管道M=qL2/12，L型布管時最大彎矩M= M=qL2/8；Z-截面模量，mm3；q——管道重量，N/m；

(3)管道冷縮位移引起的軸向應力

冷縮位移引起的軸向應力與管道材料、操作溫度及管道布置有關。復雜管系冷縮導致軸向應力應借助應力分析軟件詳細計算得出，簡單管系冷縮軸向應力可采用經驗公式計算。

圖2(a)所示，直連管道冷縮位移引起的軸向應力：

(1.5)

圖2(b)所示，L型管道布置冷縮位移引起的軸向應力：

(1.6)

其中，E——操作溫度下材料彈性模量，MPa；α——操作溫度至室溫的材料平均線膨脹系數；R——管道半徑，mm；To-Ta——操作溫度與安裝溫度的差值，℃。

圖2 直連及L型布管示圖

3 工程應用

某低溫甲醇洗管道，介質為CO2，無縫管道外徑Φ219.1mm，壁厚8mm，設計溫度-45℃，設計壓力0.4MPag，法蘭等級Class 150，管道布置為直連或者L型(如圖2)，管道重量408.17N/m，長度L、L1、L2為3m，安裝溫度21℃。根據低溫低應力工況判定方法確定該管道是否可選用20#碳鋼材料。

3.1 根據壓力管道分級，該管道屬于GC2級壓力管道。

3.2 直管常溫最大允許工作壓力按式(1.1)計算，PL= 9.706MPa；彎頭常溫最大允許壓力按式(1.2)計算，代入數據得彎頭內外側最大允許壓力為PEi=9.1MPa、PEo=6.37MPa。因此，該管道常溫最大允許壓力應為6.37MPa，從而管道低溫最大工作壓力(0.4MPag)小于0.3倍管道常溫最大允許壓力(1.91MPa)。

3.3 根據HG20615法蘭溫壓表，低碳鋼法蘭常溫最大允許壓力1.96MPa，管道低溫最大工作壓力(0.4MPag)小于法蘭常溫許用壓力的30%(0.588MPa)。

3.4 內壓引起的軸向拉應力按式(1.3)計算，σL= 2.44MPa。

3.5 直連管道重量引起拉應力按式(1.4)計算：σZ=1.134MPa；L型管道重量引起拉應力按式(1.4)計算：σZ=1.7MPa。

3.6 位移產生的軸向拉應力按式(1.5)、(1.6)計算，直連布管時最大拉應力σAx=131MPa，L型布管時最大拉應力σEx=28.7MPa。

3.7 查GB/T20801表A.1：

碳鋼20#標準規定最小抗拉強度值為410MPa。綜合以上計算結果得出：

(1)直連布管時管道由于位移產生的拉應力(131MPa)達到材料最小抗拉強度值(41MPa)的3.2倍。

(2)L型布管時最大拉應力(σL+σZ+σEx)為32.85MPa，小于10%材料最小抗拉強度值(41MPa)。

(3)該管道在L型布管時滿足低溫低應力工況要求，可以采用20#材料。

4 結論

低溫低應力工況是保證低溫碳鋼管道不發生脆性斷裂的最低要求，應該根據管道介質、壓力及布置情況綜合評定以確定是否滿足低溫低應力工況。

低溫低應力工況應用注意事項：

(1)低溫低應力工況的判定與管道布置相關，應避免低溫管道直連布管。

(2)復雜布置管道應經過詳細應力分析以保證管道綜合軸向應力小于10%材料最小抗拉強度。

(3)管道存在如壓力波動、流體沖擊等沖擊工況，即使滿足低溫低應力工況要求，也不建議采用，避免外部沖擊荷載造成的脆斷風險。

(4)極冷地區常溫操作的GC3級管道(如氮氣管)，項目建設地冬天極端溫度低于-20℃，若滿足低溫低應力條件也可參照低溫低應力工況。

(5)低溫低應力工況是GC2管道免除沖擊試驗的條件之一，理論基礎是最大應力滿足規范要求的低應力水平，不適用于GC1級和劇烈循環工況。

[1] 尹 俠.壓力管道設計中低溫低應力工況及其應用[J].化工機械,2001 (1):30-31.

[2] 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.GB/T20801.2-2006壓力管道規范-工業管道[S].北京：中國標準出版社，2007.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50072-2010冷庫設計規范[S].北京：中國計劃出版社,2010.

[4] 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.GB150-2011壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2011.

[5] 黃興軍.低溫低應力工況的認識和應用[J].化工設備與管道,2005 (2):13-14.

(本文文獻格式：劉洪佳， 田德永 ，吳廣增.壓力管道低溫低應力工況判定方法及應用[J].山東化工，2017，46(08)：190-120，122.)

Decision Method and its Application of Low Temperature and Low Stress Condition in Pressure Pipline Design

LiuHongjia,TianDeyong,WuGuangzeng

(CNOOC Shandong Chemical Engineering Co.，Ltd.,Jinan 250101,China)

The decision method of low temperature and low stress condition in pressure pipline design is elaborated in this paper，and the application key points of low temperature and low stress conditi- -on are illustrated combining with project cases.

low temperature and low stress；pressure pipline；decision mathod

2017-03-03

劉洪佳(1984—)，山東濟南人，工程師，現主要從事工程設計及應力分析相關工作。

TQ05

A

1008-021X(2017)08-0119-02