三類壓力管道組成件強度計算分析

(武漢江漢化工設計有限公司，湖北 武漢 430223)

當運用強度理論對壓力管道進行壁厚計算時，首先對不同的管道進行分類，然后運用相應的強度理論分析計算相應的管道，再結合項目使用年限、環境工況、偏差規定等，確定合理有效的管道壁厚值。

1 三類管道的定義及適用的強度理論

1.1 普通薄壁管道

管道模型可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒兩種，兩者的劃分一般以K=D0/Di=1.2為界(其中，D0、Di分別為管道外徑和內徑)，當K≤1.2時為薄壁圓筒，當K>1.2時為厚壁圓筒。

計算壁厚若僅考慮壓力的作用，沒有考慮管道的布置形式和操作運行條件造成的強度減弱因素，力學上的簡化模型不同，所得到的計算公式也不相同。在壓力作用下管道組成件的強度設計中，所采用的強度理論是最大剪應力理論，也就是通常所說的第三強度理論。

最大剪應力理論的強度條件為：σ1-σ3≤[σ]t；

其中：σ1為第一主應力，σ3為第三主應力，[σ]t為許用應力。

1.2 高壓管道

根據ASME B31.3的規定，當公稱壓力高于ASME B16.5規定的壓力要求，也就是PN420(CLASS2500，42MPa)時，其屬于高壓管道的范疇。對于高壓管道，由于管道壁厚較大，薄壁模型已不適用。

對于高壓管道，在確定其失效條件時，就不能像非高壓管道那樣，認為只要管道中有一點達到屈服，整個管道即失效。高壓管道的壁厚較大，在確定壁厚時必須考慮管道的極限承載能力，只有當荷載增大到使整個截面完全屈服，管道才會失去進一步承載能力，否則將造成很大的浪費。

根據塑性極限分析理論得出，在塑性區內，內壓圓筒的徑向應力σr和環向應力σθ須滿足下列屈服條件：σr-σθ=σs

其中，σs為屈服應力。

1.3 火力發電廠汽水管道

火力發電廠汽水管道是指火力發電廠范圍內的汽水金屬管道，不包括給排水管道、消防水管道和直接空冷機組大口徑薄壁排汽管道。

汽水管道同樣采用第三強度理論來進行強度計算。第三強度理論的強度條件為：σ1-σ3≤[σ]t

其中：σ1為第一主應力，σ3為第三主應力，[σ]t為許用應力。

2 強度計算方法

不同的管道類型對應不同的強度理論，不同的強度理論對應不同的強度計算方法。每種強度理論都以一定的模型為基礎，并作出相應的假設條件，在滿足假定條件下得出計算結果，再以計算結果進行反向驗證，以此來確保計算結果的準確性。

2.1 內壓薄壁管道的應力分布及強度計算

2.1.1薄壁圓筒的簡化模型

薄壁圓筒的簡化應力分布模型見圖1。

圖1 薄壁圓筒的簡化應力分布模型

內壓作用下的模型，其應力分布主要為徑向應力σr、環向應力σθ和軸向應力σL，由此模型提出以下假設：①對于薄壁管，假設應力沿壁厚方向均勻分布；②徑向應力相比其他應力較小，忽略不計，即σr=0。

根據以上假設條件，由材料力學中的薄壁圓筒應力計算公式，可得出內壓薄壁圓筒的壁厚。計算公式為：

而對于壓力管道，需要考慮溫度影響系數Y，對上式修正后得到內壓管道的壁厚計算公式為：

適用條件：S0

其中：S0為內壓直管計算壁厚，mm；P為設計壓力，MPa；D0為管道外徑，mm；[σ]t為管道在設計溫度下的許用應力，MPa；Ej為焊接接頭系數；Y為溫度影響系數，其數值參見表1。

表1 溫度影響系數

2.1.2管公稱壁厚Sn的選取方法

Sn=S0+C+Sn×A+B

其中，C為總附加裕量，A為壁厚負偏差，B為根據標準的向上圓整值。

由上式得出：Sn=(S0+C+B)/(1-A)

考慮到B/(1-A)是一個小量，則可令：

Sn=Sx+B

Sx=(S0+C)/(1-A)

計算出Sx后，根據相應標準向上圓整后即可得到公稱壁厚Sn。

2.1.3影響壁厚的因素剖析

由計算公式

2.2 高壓管道的應力分布及計算方法

2.2.1高壓管道內壓直管設計壁厚的應力分布

高壓管道內壓直管設計壁厚的應力分布模型見圖2。

圖2 高壓管道內壓直管設計壁厚的應力分布

根據應力分布模型和塑性極限理論分析得出平衡方程：

其中，S0為內壓直管設計壁厚，mm；D0為管道外徑，mm；P為設計內壓力，MPa；

[σ]t為管道在設計溫度下的許用應力，按ASME B31.3附錄K選取，MPa；C0為外壁裕量的總和，mm。

(2)對于上述(1)以外的金屬管道，內壓直管的設計壁厚計算為：

各參數同(1)。

2.2.2高壓管道所需最小壁厚

高壓管道所需最小壁厚：Sm=S0+C

其中，Sm為直管所需最小壁厚，mm；S0為設計壁厚，mm；C為機械裕量加腐蝕和沖蝕裕量的總和，mm。

2.3 火力發電廠汽水管道

(1)對于火力發電廠汽水管道，其強度設計按照第三強度理論計算，同時假定K=D0/Di≤1.7，可按外徑進行計算，也可按內徑進行計算，本文以外徑來確定其所需的最小壁厚。

按管道外徑確定的最小壁厚計算如下：

適用條件：D0/Di≤1.7

其中，Sm為內壓直管最小壁厚，mm；P為設計壓力，MPa；D0為管道外徑，mm；[σ]t為管道在設計溫度下的許用應力，MPa；φ為許用應力的修正系數(見表3)；w為蠕變條件下縱向焊縫鋼管焊接強度降低系數(見表4)；Y為修正系數，其數值見表5；C為腐蝕、磨損和機械強度要求的附加厚度，對于一般的蒸汽和水管道，可不計腐蝕和磨損的影響；對于具有兩相流的管道，都應計附加厚度，腐蝕和磨損裕度可取2mm；對于設計溫度≥600℃的主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道，不宜小于1.6mm；對于腐蝕性介質管道，按腐蝕特性確定。

表3 許用應力修正系數

注：電阻焊縱縫鋼管管子和管件不允許通過增加無損檢驗提高縱向焊縫系數。

表4 蠕變條件下縱向焊縫鋼管焊接強度降低系數

表5 修正系數

(2)鋼管的壁厚計算如下：

Sc=Sm+C1

C1=m×Sm/(100-m)

其中，Sc為鋼管的計算壁厚，mm；C1為鋼管壁厚負偏差的附加值，mm；m為厚度允許負偏差，取百分數，按相應鋼管標準的規定來確定。

(3)對于采用外徑控制的鋼管，選取壁厚宜大于或等于計算壁厚加50%的外徑正偏差值。

然而，在實際項目工程中，對于汽水管道，一般會按照《火力發電廠汽水管道零件及部件典型設計(GD2000版)》來設計壓力、溫度以及材質，選取相應的壁厚。在這種情況下，壁厚計算就變成了核算，即核算所選取的壁厚是否滿足強度計算的要求。不過，由于規范化要求，現在的典型設計手冊在某些行業已經不能作為標準出現在設計文件中。

2.4 工程運用中的合理壁厚

在工程運用中，要想確定符合工程實際的合理壁厚，除了有準確的強度計算作為支撐外，還要滿足一些通用的工程規定以及借鑒以往項目的在線管線運行情況、現場安裝焊接方式等。

(1)通過近幾年的項目設計來看，一般對于小口徑鋼管(DN40及以下)，如果僅依據壁厚計算來選用壁厚，則壁厚值過小。那么，現場安裝焊接時，焊縫連接處容易出現穿孔的情況，不利于保證焊接質量。此時，在設計中會有一個約定俗成的規定，即：①碳鋼和低合金鋼管不小于SCH80；②奧氏體不銹鋼管不小于SCH40S。

(2)對于一些腐蝕性較強的介質，如污水，會根據其腐蝕性選取較大的腐蝕裕量，如3.0mm或5.0mm，但這樣得出的壁厚不一定準確，主要是因為污水的成分復雜，難以得到準確的年腐蝕速率。這時就需要借鑒以往類似項目的現場運行情況的反饋，評估設計壁厚值在N年后的剩余厚度，然后根據項目的設計年限來合理選用一個較準確的壁厚值，當然，前提是這個數值必須滿足強度計算。

(3)當在確定鋼管材質時，其材質對應的標準會有一個最小壁厚的規定，比如GB/T 9711—2017《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》就規定了一定外徑下的最小壁厚，分為特薄規格和普通規格，在沒有特殊要求下按普通規格執行。

(4)另外，石油化工管道設計中有要求，鋼管壁厚不得小于D0/150(其中D0為鋼管外徑)。

在眾多項目的壁厚計算中，滿足以上4條規定所得出的鋼管壁厚即為合理、經濟、準確的壁厚值。

(5)本文中的強度計算均是針對鋼管直管強度設計，對于管件如三通、彎頭、異徑管等，是指其管件的端部壁厚，不包含管件本體的強度設計。嚴格意義上來講，一條直管管線，任一截面上的壁厚值都應是均勻一致的或是在允許的偏差范圍內，允許偏差應符合相應鋼管的標準要求。如果出現外徑的偏差導致鋼管對焊需要打磨鋼管厚度時，打磨后的壁厚需滿足保證相應工況下的最小壁厚。

一般而言，鋼管到貨的最小壁厚不應小于公稱壁厚減去厚度負偏差之后的數值，比如，對于GB/T 8163中的20號鋼，取其厚度負偏差為12.5%，則實際到貨鋼管厚度值不應小于87.5%×S0(S0為鋼管設計的公稱壁厚)。

3 工程實例

在實際工程中，每一根管道都需要經過強度計算來確定鋼管的壁厚，這是設計安全的基本保障。同時，合理的壁厚也會帶來一定的經濟效益，壁厚過大會造成不必要的成本增加，壁厚過小則難以保證一定壓力下的管道強度。因此，如何運用理論計算并結合實際應用選用正確合理的管道壁厚，則顯得尤其重要。

3.1 液氯氣化裝置管道的強度計算

3.1.1用簡潔完整的計算表來計算并核算

設計條件：由管道數據表可得，BHHA1等級管線的設計溫度/壓力有以下3組：80℃/1.75MPa、60℃/1.90MPa、50℃/1.84MPa，由GB/T 20801.2可知壓力與許用應力耦合最苛刻工況(見表6)。

表6 溫度與壓力相耦合最苛刻工況

從表6可以看出，60℃/1.90MPa為最苛刻工況，工況條件及說明如下：裝置名稱為液氯氣化裝置；介質為無水液氯；根據GB 6479—2013，材質選Q345E；設計溫度/壓力為60℃/1.9MPa(g)；C為腐蝕附加量，取1.5mm；tm為設計厚度；S0為計算厚度；Ej為焊接接頭系數，取1.0；[σ]t為設計溫度下的許用應力，取163MPa；Y為溫度系數，取0.4；D0為鋼管外徑；Sn為名義厚度。

壁厚計算公式為：

壁厚計算結果見表7。

表7 壁厚計算結果 單位：mm

3.1.2結果分析

通過上述計算表可得：所有尺寸的壁厚均滿足S0

上表7中，計算壁厚為S0，按照標準圓整及以往項目經驗和市場鋼管規格庫存，確定選取壁厚Sn，同時，對比了鋼管最小壁厚和保證強度所需計算壁厚，得出強度的裕量，即“0.875Sn-tm”，裕量值基本在2～3mm左右，不至于裕量不夠而影響安全，也不至于裕量過大而造成成本增大，滿足設計安全和工程經濟的要求。

3.2 火力發電廠高壓蒸汽壁厚校核

3.2.1標準高壓蒸汽介質條件

火力發電廠汽水管道壁厚計算見表8。

表8 火力發電廠汽水管道壁厚計算

3.2.2結果分析

(1)由此介質工況條件，其適用于DL/T 5054—2016《火力發電廠汽水管道設計規范》中的壁厚計算公式，且需滿足適用條件：Do/Di≤1.7。

(2)本工況中，取腐蝕余量為0，計算出最小壁厚Sm和計算壁厚Sc，由最小壁厚計算Do/Di=1.16，滿足Do/Di≤1.7的假定條件，核算通過。

4 結語

在進行薄壁管強度計算時，有兩個假定條件：一個是S0

管道組成件的壁厚計算是涉及管道設計安全的重要部分，合理的壁厚不僅能減小工程的建設成本，更與采購和施工息息相關。同時，合理的壁厚值也對管道的柔性起著至關重要的作用，過大的壁厚值會造成管線剛度較大而柔性變差，管口受力也會相應增大，對設備管口受力不利。

在鋼管的強度計算中，其適用條件一定要進行反算，得出計算壁厚后，要返回去核算是否滿足采用相應計算公式所假定的條件，直到得出正確合理，同時，既滿足強度要求又滿足經濟成本要求的鋼管壁厚值。