Auto PIPE在架空蒸汽管道應(yīng)力分析中的應(yīng)用

安曉曉

摘 要：以某企業(yè)架空中壓蒸汽管道（自然補(bǔ)償）為例，基于Bentley AutoPIPE軟件的中壓蒸汽管線系統(tǒng)進(jìn)行建模，管架選取以及應(yīng)力分析，結(jié)合理論應(yīng)力驗(yàn)算方法，采用Auto PIPE軟件對(duì)計(jì)算管系在自然補(bǔ)償條件下進(jìn)行應(yīng)力分析驗(yàn)算。結(jié)果表明，合理的管道走向以及正確的管道支吊架選取可以增加管道的自然補(bǔ)償能力，避免整個(gè)管系因應(yīng)力過(guò)大而引起管道疲勞的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：AutoPIPE 應(yīng)力分析 管道支吊架

中圖分類號(hào)：TK28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（a）-0-02

Bentley AutoPIPE 是一套全Windows界面的管道分析軟件，當(dāng)管道系統(tǒng)受到靜態(tài)及動(dòng)態(tài)荷載時(shí)，計(jì)算分析系統(tǒng)所承受的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力，荷載力及變形量[1]。

1 案例背景

某精細(xì)化工廠反應(yīng)釜需要操作溫度180℃，操作壓力1.0Mpa的中壓蒸汽，該蒸汽自工業(yè)園區(qū)，管材采用20#，管徑是DN200、DN150和DN40，厚度分別為8.5mm、7.5mm和4.0mm，管道采用架空敷設(shè)的方式。管道保溫層選用硅酸鋁纖維棉，厚度100mm。該管道為GC2級(jí)壓力管道。本文對(duì)該中壓蒸汽管道進(jìn)行應(yīng)力分析的目的在于確定其管架設(shè)置的合理性，同時(shí)，也結(jié)合工程實(shí)例介紹如何運(yùn)用 AutoPIPE進(jìn)行中壓蒸汽管道的應(yīng)力分析。

2 模型建立

2.1 管道及管件壁厚的確定

直管（以主管DN200為例）計(jì)算根據(jù)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50316-2000（2008版）第6.2.1條直管厚度計(jì)算如下：

ts=PD0/2（[σ]tEj+PY）；tsd= ts+C；C=C1+C2

設(shè)計(jì)壓力：P=1.2MPa；設(shè)計(jì)溫度220℃下管材許用應(yīng)力：[σ]t=124MPa；當(dāng)設(shè)計(jì)溫度小于200℃時(shí)，溫度對(duì)直管壁厚的修正系數(shù)：Y=0.4；管道壁厚負(fù)偏差C1=1.5mm；管子壁厚腐蝕附加量C2=1.0mm；系數(shù)焊接接頭系數(shù)：Ej =1，根據(jù)壁厚公式計(jì)算的管道壁厚6.8mm，結(jié)合常用管道壁厚，取管道壁厚為8.5mm可滿足工藝要求。彎頭的曲率半徑為1.5倍的管公稱直徑。彎頭、三通管壁厚的增大系數(shù)取1.25[2]，即彎頭、三通管的最小壁厚為直管最小壁厚與壁厚增大系數(shù)的乘積，仍考慮管子壁厚負(fù)偏差附加量C1、管子壁厚腐蝕附加量C2經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，彎頭、三通的取用壁厚取8.5 mm。

2.2 輸入相關(guān)參數(shù)

將已知的管徑、管壁厚、溫度、壓力等參數(shù)輸入相應(yīng)的缺省項(xiàng)內(nèi)，本案例滿足ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 支吊架的設(shè)置

管道支吊架的功能主要可概括為承受管道荷載、限制管道位移和控制管道振動(dòng)3個(gè)方面[3]。根據(jù)支吊裝置各自的主要性能和用途；可將其分為以承受管系重量為目的的裝置，即承重支吊架（包含恒力支吊架、彈簧支吊架、剛性支吊架以及限位裝置）、以限制和約束因熱脹引起管系自由位移為目的的裝置，即限位支吊裝置（包含導(dǎo)向支架、固定支架 ）和用于制止管道擺動(dòng)振動(dòng)或沖擊的控制裝置，即振動(dòng)控制裝置（減振器和阻尼器）三大類。

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，計(jì)算管段采用3處方形自然補(bǔ)償，11處L形自然補(bǔ)償。計(jì)算中壓蒸汽管道模型見(jiàn)如圖1所示。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力分析依據(jù)

管道應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。管道承受的介質(zhì)內(nèi)壓、自重、介質(zhì)重量等持續(xù)外荷載而產(chǎn)生的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力。由于管道變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，不直接與外力平衡，屬于二次應(yīng)力；二次應(yīng)力一般由熱脹冷縮和端點(diǎn)位移引起。

一次應(yīng)力的評(píng)定采用彈性理論進(jìn)行，即限定一次應(yīng)力不超過(guò)材料的屈服極限。引入安全系數(shù)，工程上一般限定管道的一次應(yīng)力不得超過(guò)設(shè)計(jì)溫度下管道材料的許用應(yīng)力。即[σ]1≤[σ]t。

二次應(yīng)力的評(píng)定采用的是安定性理論進(jìn)行[4，5]，即結(jié)構(gòu)在熱荷載反復(fù)變化的過(guò)程中，不發(fā)生塑性變形的連續(xù)循環(huán)；反之，如果一個(gè)結(jié)構(gòu)在反復(fù)加載和卸載時(shí)（隨著管道的啟、停而產(chǎn)生多次的冷熱交換），不斷出現(xiàn)新的塑性變形，即該結(jié)構(gòu)的變形趨于不穩(wěn)定，則認(rèn)為它是不安定的。

其中，σE為熱脹用力范圍，MPa；f為熱脹應(yīng)力范圍的減小系數(shù)；σall，20為鋼材在20時(shí)的許用應(yīng)力，MPa。熱脹應(yīng)力范圍的縮小系數(shù) 可按管道全溫度周期性的交變次數(shù)N確定：f=1，N≤2500；=4.78N-0.2，N>2500，N為管道全溫度周期性的交變次數(shù)。

3.2 模擬結(jié)果分析

經(jīng)模擬計(jì)算得到管系和管件處熱位移，約束力以及各節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力最大數(shù)值。由模擬結(jié)果可知，整個(gè)管系中最大位移出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)B15處，x方向位移為12.38mm，y方向位移為0.00mm，z方向位移為85.23mm。

在架空蒸汽管道設(shè)計(jì)中，支架承受的約束反力是結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行蒸汽管道支架設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。由模擬結(jié)果可知，固定支架承受約束反力最大處為節(jié)點(diǎn)C13，約束反力為9411N。滑動(dòng)支架約束反力最大處為節(jié)點(diǎn)B17，約束反力為25909N。

通過(guò)運(yùn)行比率查看標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力結(jié)果，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)是C13，一次應(yīng)力占許用應(yīng)力的比率是0.12，二次應(yīng)力占許用應(yīng)力的比率是0.665，環(huán)應(yīng)力占許用應(yīng)力的比率是0.24，滿足應(yīng)力允許范圍。

整個(gè)管系分析結(jié)果中，查看標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力項(xiàng)得到管系計(jì)算應(yīng)力與許用應(yīng)力比率數(shù)據(jù)，其中包括一次應(yīng)力，二次應(yīng)力和環(huán)應(yīng)力；當(dāng)計(jì)算管系中所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力比率 均小于1 時(shí)，則認(rèn)為計(jì)算管系設(shè)計(jì)合理、安全可靠。

參考文獻(xiàn)

[1] 許強(qiáng)，黃坤，盧泓方，等.Auto PIPE在天然氣增壓站中的應(yīng)用[A].CICP 2013中國(guó)國(guó)際管道會(huì)議[C].2013：127-129.

[2] 趙國(guó)強(qiáng)，彭文玲.直埋蒸汽管道應(yīng)力計(jì)算與分析[J].煤氣與熱力，2015，35（5）：14.

[3] 劉豪杰.AUTOPIPE在立管系統(tǒng)建模分析中的應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[4] 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國(guó)石化出版社，2003：57-59.

[5] 王瑩，郭莉輝，田再?gòu)?qiáng)，等.蒸汽管道應(yīng)力驗(yàn)算與自然補(bǔ)償條件下應(yīng)力分析[J].煤氣與熱力，2017，37（3）：32-34.