200m3低溫立式貯罐產品夾套內工藝配管管線分析計算

朱國忠，楊陽，施喜昌，王雪菲，顧春虎，薛林

（張家港中集圣達因低溫裝備有限公司，江蘇 張家港 215632）

選擇氣相管線作為案例，根據設計載荷工況，借助壓力管道應力分析軟件Caesar II 2017 版進行管線柔性分析，根據選取的分析條件，對氣相管線進行建模，通過標準ASME B31.3 及4WEQ-1517 規范進行評判，對模型進行驗證管道設計的合理性。

1 200 m3低溫液體貯罐概況

1.1 結構尺寸

該低溫液體貯罐為立式容器，其結構由內、外容器等組成，內容器筒體規格尺寸φ3 400 mm×12 mm，頂部及底部均采用標準橢圓封頭；外罐筒體規格尺寸φ4 200 mm×12 mm，頂部及底部均采用碟形封頭。其貯罐內外罐夾套內的工藝配管材料為S30408，內容器與外容器間夾套空間內填充絕熱材料，并抽真空。

1.2 設計載荷

配管系統設計載荷數據見表1。

1.3 管線參數

管線參數見表2。

表2 管線參數

1.4 配管材料特性參數

配管材料特性參數見表3。

表3 配管材料特性參數

2 載荷工況設置

2.1 貯罐內外罐結構溫差位移的計算

為了準確獲得氣相管線與貯罐產品內外罐連接點的溫差位移值，該型貯罐產品實際使用過程中的溫度載荷等工況，按照4WEQ-1517 可以預先計算出該型貯罐結構在不同溫差ΔT1～ΔT8 組合（見下方說明）載荷工況下的各項位移值，不考慮其角位移量。

該型貯罐產品內外罐主體結構具體溫差ΔT1～ΔT8 組合工況設置見下面說明。

溫差ΔT1 工況：貯罐內容器T11=50 ℃，管線T12=-196 ℃；外罐T13=50 ℃。

溫差ΔT2 工況：貯罐內容器T21=50 ℃，管線T22=-196℃；外罐T23=-20 ℃。

溫差ΔT3 工況:貯罐內容器T31=-196 ℃，管線T32=65 ℃；外罐T33=50 ℃。

溫差ΔT4 工況:貯罐內容器T41=-196 ℃，管線T42=65 ℃；外罐T43=-20 ℃。

溫差ΔT5 工況:貯罐內容器T51=-196 ℃，管線T52=-196 ℃；外罐T53=50 ℃。

溫差ΔT6 工況:貯罐內容器T61=-196 ℃，管線T62=-196 ℃；外罐T63=-20 ℃。

溫差ΔT7 工況:貯罐內容器T71=-196 ℃，管線T72=-140 ℃；外罐T73=50 ℃。

溫差ΔT8 工況:貯罐內容器T81=-196 ℃，管線T82=-140 ℃；外罐T83=-20 ℃。

按照基準溫度為20 ℃，邊界3 個坐標軸的線位移量計算公式如下：

式中：Δdx—x軸線位移量；

Δdy—y軸線位移量；

Δdz—z軸線位移量；

ΔT—溫差；

α—線膨脹系數。

表4 為通過上述公式計算的溫差位移數據，可以作為氣相管線在計算溫差載荷時的位移邊界條件。

表4 計算得到的溫差位移數據

2.2 載荷工況及組合、評定

該分析已經加載了按照ASME B31.3 所要求的原始載荷，下面描述的主要原始載荷可能在整個分析過程中使用，參照4WEQ-1517 標準計算過程加載工況如下表5所示，管線應力如表6所示；評定依據按照ASME B31.3 及4WEQ-1517 規范要求。

表5 載荷工況及組合、評定要求表

表6 管線應力匯總

2.2.1 評定依據

2.2.1.1 縱向應力SL

管道系統組件由于壓力、重力和其他持續載荷而產生的縱向應力的總和SL應不超過下面（d）中的Sh與W的乘積，Sh和W定義于下面（d）和（c）中。焊接接頭的強度降低系數W對于縱縫可取為1.0。對于在考慮中的負載，在計算SL中使用的管壁厚度應為公稱壁厚T減去加工、腐蝕和磨蝕的裕量c。自重荷載宜基于整個系統組件的公稱壁厚，除非做出更精確分析后的判斷。

2.2.1.2 許用的位移應力范圍SA

管道系統計算得出的位移應力范圍SE（見ASME B31.3 Table A-1）不應超過由下式（4）計算出的許用位移應力范圍SA（見ASME B31.3 第319.2.3 和319.3.4 節）。

當Sh＞SL時，它們之間的差可加到公式（4）中的0.25Sh項上。在此情況下，許用應力范圍按公式（5）計算：

在公式（4）和（5）中：f為應力范圍減小系數，由公式（6）計算的到，當使用f值＞1.0 時，SC及Sb最大值應不超過138 MPa。

式中：fm—應力范圍系數的最大值，對于規定最小抗拉強度≤517 MPa和在金屬溫度≤371 ℃時的鐵基材料，fm=1.2；其他的fm=1.0。

N—管道系統在預期的壽命期內全位移循環的當量數；

SC—所分析的位移循環期間，預計最低金屬溫度下的基本許用應力；

Sh—所分析的位移循環期間，預計最高金屬溫度下的基本徐用應力。

3 結束語

我公司設計的該型貯罐內外罐夾套內的工藝配管管線，在充分借鑒同類產品設計使用經驗等基礎上進行了“柔性化”設計考慮，按照AP 4WEQ-1517及ASME B31.3 規范，以保證每根管線上的各類應力值及內力等均不大。這說明該型低溫液體立式貯罐產品內外罐夾套內的管線主體結構在正常操作工況下是安全可靠的。