幾種偶然荷載對管道應力的影響

尹君東,朱 峰

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

管道所受偶然荷載的定義及校核原則：偶然荷載是指在設計基準期內不一定出現，而一旦出現其量值較大且持續時間較短的荷載，如風載、地震載荷，安全閥起跳載荷等。對于管道來講偶然荷載可以產生一次應力也可以產生二次應力，例如風和地震產生的荷載是一次應力，由于事故工況等非正常工況引起的溫度大幅度變化產生的應力是二次應力。

1 偶然荷載一次應力校核原則

對于偶然荷載，許用應力可以適當放寬，其原因是基于材料的特性和偶然荷載的特點決定的，偶然荷載雖然產生的力較大，但作用時間較短，而管道材料的蠕變是由力和時間兩個因素來決定的，在荷載作用時間很短的情況下，管道材料的蠕變基本可以忽略不計。

對于偶然荷載的一次應力校核，GB50316給出了如下規定：

Kt：許用應力系數，當偶然荷載最紅時間每次不超過10h，每年累計不超過100h時：KT=1.33；當偶然荷載最紅時間每次不超過50h，每年累計不超過500h時： KT=1.2；MA：由于自重和其他持續外載作用在管道橫截面上的合成力矩(N·mm)；MB：安全閥的反作用力、風力或地震等產生的偶然荷載作用于管道橫截面上的合成力矩(N·mm)；W ：管道抗彎界面模量(mm3)；P ：設計壓力(MPa)；i：應力增大系數；D0：管道外徑(mm)；Di：管道內徑(mm)。

2 風載

2.1 風載的計算方法

按風荷載的計算GB50316并沒有給出具體的公式，可以按照《石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊》推薦的方法進行計算，基本原理就是力=壓強 受力面積，即:

F=W×K2×K2×D×sinθ

式中：F：風荷載(N/m )；W：基本風壓 ( N/m2)；K1：風型系數；K2：迎風面積(m2)；D：管道外徑(包括保溫)；sinθ：風向與管道軸線之間的夾角(度)。

2.2 風載對管道系統的影響及解決方案

風載對于管道最直接的影響就是增加了管道的側面受力，如果管道直徑較粗管道所在位置風壓值較大的情況下，可能會影響管道系統的整體的應力情況。

下面舉例說明風載對管系的影響：某地風壓值為600 ，某減壓裝置中的減壓轉油線管道直徑達到DN1800,材料為Q245R+317L,T=16mm+3mm,操作溫度402℃，壓力-10KPa,風型系數0.7，地面粗糙度類別為A類，風荷載見圖1，管形及約束見圖2，風荷載方向考慮+X向,模型中10點為減壓塔入口，轉油線低速段有兩個支點為20點和40點。

圖1 管道系統風荷載

方案一：20點與40點僅加彈簧支架，計算結果見表1。

根據表格可以看出當考慮+X向風載時，由于轉油線低速段管徑較大，迎風面積就大，導致減壓塔管嘴處會多承受很大的力和力矩，對減壓塔管嘴的安全是一個很大的考驗。在40點增加一個X向限位，再進行計算得到結果見表2。

表1 20點與40點僅加彈簧支架，計算結果

表2 在40點增加一個X向限位計算得到結果

通過計算結果我們可以看到，40點的限位支架有效的分擔了風載，關鍵是大幅度減小了管嘴的彎矩，通過這種在關鍵位置增加導向架的方式可以有效的減小風載對管系應力的影響。

3 安全閥排放反力荷載

3.1 安全閥排放反力荷載的計算方法

3.1.1 開式系統的反作用力

在穩態流動的條件下，安全閥開啟時的反力F包括動量效益和應力效應兩部分。如圖2所示。

F=GW+(P-Pa)·106(N)

式中：F——點1的反作用力，N；

G——質量流速，Kg/s，按安全閥開啟時最大流率的1.1倍；

W——點1的出口流速m/s；

P——點1的靜壓，MPa；

Pa——大氣壓力MPa；

圖2 安全閥開啟時的反力

3.1.2 反作用力的動力放大特性(動載因子)

管系在瞬態載荷作用下受到的力和彎矩一般大于靜態值，這種動力放大特征可用動載因子DLF來表征。DLF定義為動撓度與靜撓度的最大比值。

DLF可按下述方法確定：

(1) 安全閥系統的振動周期 (s)。

式中:W——安全閥、入口管、出口管及法蘭等的總質量，Kg；(與前面公式中的指代意義不同)；

h——主管道至出口管中心線的距離，cm；

E——設計溫度下，入口管材料的彈性模量，MPa；

I——入口管的慣性矩，cm4。

(2) 計算安全閥開啟時間t0與周期T的比值t0/T，t0為安全閥從全閉到全開的時間。

(3)由t0/T從圖3中查得動載因子。

圖3 開式排氣系統的動載因子

3.2 安全閥排放反力對管道系統的影響及解決方案

安全閥排放反力對于管道最直接的影響就是增加了管道的水平和豎立方向的推力，根據上節公式可以看出，此力的大小與壓差、流速和管徑有關，在管徑一定的情況下，壓差越大流速越快對管道造成的力也就越大，管道的響應也就越大，如果不對管道進行特殊的設計，任由這個力作用于管道是非常危險的，輕則會引起管道系統的振動，嚴重的時侯有甚至會影響管道本身的安全。

在實際工作中安全閥的排放反作用力通常是由安全閥制造廠提出，值得注意的安全閥制造廠提出的力是穩定流動狀態下的作用力，而我們評價管道應力時要考慮安全閥起跳瞬間的瞬態荷載，一般來說瞬態荷載取穩定流動狀態下的作用力的兩倍。

下面舉例說明安全閥起跳荷載對管系的影響：某項目汽輪機出口管道有安全閥放空管線，如圖4所示，安全閥制造廠提供的穩定狀態下的反作用力為1000N，所以我們在如圖段考慮反作用力管系的影響。通過計算我們可以看出，如果不對管道加以限制，安全閥起跳載荷會引起管道應力的超標,見表3。

圖4 汽輪機出口管道有安全閥放空管線表3 安全閥起跳荷載對管系的影響

通過在管道上面增加限位支架，則管道的應力水平滿足要求，見表4。

表4 增加限位支架管道的應力水平

4 結論

對于存在偶然荷載的管道，在設計時應充分考慮其影響，通過修改管系走向，增加限位支架等方式增加管道的剛度，降低偶然荷載對管道的影響，保證管道的安全平穩運行。