大直徑管道的薄壁化設計及應力分析方法

彭立國 宋 堯

中國成達工程有限公司 成都 610041

隨著石油化工類等項目的裝置向大型化趨勢發展，大直徑管道在工程項目中的應用越來越廣泛，其在工程項目投資中的占比也越來越大。在工程設計中，將大直徑管道的設計優化，實現大直徑管道的薄壁化設計，將節省項目投資。且將大直徑管道進行薄壁化設計后，會大幅降低管道重量，減小與管道相連容器設備的管口載荷，同時也減小作用在土建結構框架上的荷載，從而節省管道材料、容器設備及土建費用，達到大幅節省項目投資的目的。

在已成功穩定運行兩年的某項目中，有大量大直徑不銹鋼管道，其中一管系參數如下：主管公稱直徑DN=100″(DN=2500 mm)，支管公稱直徑DN=52″(DN=1300 mm)；介質壓力具有正壓和負壓兩種設計工況：設計正壓P1=0.35 MPa，全真空負壓P2=-0.1 MPa；溫度T=200℃，保溫厚度均為100 mm；該管系主管自高80余米的塔頂部出口沿塔壁降至布置于20余米的鋼結構框架頂部，4根支管分別接至4個換熱器入口(參見圖1)。

1 大直徑管道的壁厚計算

在對該大直徑管道進行壁厚計算時，需要將溫度、正壓工況、負壓(全真空)工況進行組合分析，最后再確定一個滿足所有工況的壁厚設計值。

1.1 常規設計壁厚計算

采用常規設計壁厚計算方法，滿足所有工況組合的主管管道壁厚設計值為28 mm。

1.2 采用外部加強圈的薄壁化設計計算

根據壓力容器規范GB150.3-2011第4章的規定，使用SW6-2011軟件計算得到管道的名義厚度、加強圈型鋼規格和間隔距離。

采用外部加強圈的薄壁化設計方法，滿足所有工況的主管管道壁厚設計值為14 mm，加強圈為扁鋼“—120×14”，間距5 m。

由1.1和1.2的壁厚結果對比可知，采用外部加強圈的薄壁化設計后，管道主管壁厚設計值減少了14 mm，壁厚減薄率高達50%，直接大幅節省管道材料投資。

2 大直徑管道的應力分析方法及步驟

大直徑管道(DN>1000 mm)，大部分情況下都具有外徑與壁厚比值D/t>100的特點，而在ASME B31.1和B31.3等管道標準規范中規定的應力增強系數SIF僅適用于D/t≤100的范圍內，因此大直徑管道的真實應力增強系數SIF與ASME B31.1和B31.3等管道標準規范中規定的應力增強系數SIF差別較大，即對大直徑管道進行應力分析時，如果使用ASME B31.1或B31.3等管道標準規范中給出的應力增強系數SIF，則會使計算結果與實際情況偏差較大，而非保守的計算結果可能會導致安全誤判，從而造成安全隱患。

大直徑管道既有壓力管道的特征，又具有壓力容器的特點[1]，因此對大直徑管道進行應力分析時，既要對其進行整體強度分析和穩定性分析，又要對其進行詳細的局部應力分析，并分別應用壓力管道標準規范和壓力容器標準規范進行校核。

2.1 壓力管道標準規范下的分析

管道應力分析軟件CAESAR II是基于桿件有限元理論，采用簡化的等截面梁單元對管道系統進行仿真模擬，其特點是忽略截面變形的影響，對小直徑管道適用性較好，而大直徑薄壁管道在外形尺寸上已不宜再簡化為桿件[2]，因此使用CAESAR II只能對大直徑薄壁管進行整體應力分析。

2.1.1 整體應力分析

根據管系參數建立CAESAR II計算模型，見圖1。

圖1 CAESAR II計算模型

該大直徑管道的外徑(D=2540 mm)與壁厚(t=14 mm)比值D/t=181.4>100，在使用CAESAR II對其進行整體應力分析時，應先對其應力增強系數SIF進行修正計算。各標準規范下的SIF及修正后的FESIF界面見圖2和圖3。

圖2 主管等徑三通處應力增強系數SIF界面

圖3 主管和支管異徑三通處應力增強系數SIF界面

2.1.2 計算結果分析

通過對管系進行整體應力分析，可以確定附屬于塔設備的管道支撐結構及位置、附加位移、彈簧荷載等參數，為后續的詳細分析做準備。其整體應力分析結果顯示，在多個工況下，在管道的主管等徑三通處、主管和支管異徑三通處，其應力均超過了管道標準規范的許用值。由此說明，應對這些管道三通處進行詳細的局部應力分析驗證以確定是否采用局部加強設計。管系的整體應力分析云圖，見圖4。

圖4 整體應力分析云圖

2.2 壓力容器標準規范下的分析

將2.1中附屬于塔設備的管道設計參數(按管系壓力、溫度、材料)、支撐管托結構(采用接觸單元)、彈簧(按吊簧、支簧選型設定安裝載荷和剛度數據)、作用位置和附加位移等參數作為輸入條件，使用有限元軟件ANSYS對具有外部加強圈的大直徑薄壁管建模(模型中加強圈為扁鋼“—120×14”，間距按5m設置;彎頭端部按支撐線考慮)，整體模型采用20節點實體單元，進行管線強度計算和管線穩定性分析(特征值屈曲分析)，并對管系大直徑三通、彎頭和接管開孔等關鍵部位按照壓力容器分析設計標準進行強度校核。

塔頂和下部換熱器管口均采用柱坐標約束(考慮管口熱膨脹附加位移)，上部支撐托架采用Frictionless接觸約束(考慮塔體支撐處的熱膨脹附加位移)，設定彈簧荷載(按吊簧、支簧選型設定安裝載荷和剛度數據，其中塔體支撐處要考慮熱膨脹附加位移)，考慮管道重量和保溫材料等附加重量。建立的ASNYS計算模型，見圖5。

圖5 ANSYS計算模型

ANSYS計算模型整體采用實體單元，局部結構網格細化處理，見圖6。

圖6 局部網格細化

2.2.1 T+P1+W工況(溫度+內壓+管線重量)

采用Mises應力強度，按線性化方式提取應力分類進行強度評定。一次應力相關的應力強度PL、Pb、PL+Pb和二次應力相關的應力強度PL+Pb+Q均滿足設計規范《鋼制壓力容器-分析設計標準》JB 4732-1995的相關要求。總體應力云圖，見圖7。

主管下部三通處的名義厚度為14 mm時，局部應力校核不合格；將三通處的壁厚補強為名義厚度18 mm時，局部應力校核合格。補強后的三通應力云圖，見圖8。

圖7 總體應力云圖

圖8 三通應力云圖

補強后的三通最大應力點的應力強度，滿足強度評定要求，評定界面見圖9。

圖9 三通局部應力評定界面

2.2.2 T+P2+W工況(溫度+外壓+管線重量)

采用Mises應力強度，按線性化方式提取應力分類進行強度評定。一次應力相關的應力強度PL、Pb、PL+Pb和二次應力相關的應力強度PL+Pb+Q均滿足設計規范JB 4732的相關要求。總體應力云圖，見圖10。

圖10 總體應力云圖

主管三通的名義厚度為14 mm時，局部應力校核不合格；將三通處的壁厚補強為名義厚度18 mm時，局部應力校核合格。補強后的三通應力云圖，見圖11。

圖11 三通應力云圖

補強后的三通最大應力點的應力強度，滿足強度評定要求，評定界面見圖12。

2.2.3 穩定性分析

在1.2中確定的管道壁厚、加強圈型鋼規格及間隔距離，已經滿足GB150.3-2011中4.3的規定，即滿足外壓圓筒的穩定性校核。

利用2.2.1和2.2.2中的靜力結構分析模型，進一步做線性屈曲分析，并復核管系的穩定性。

圖12 三通局部應力評定界面

通過屈曲分析，該管系最大一階屈曲變形位于下部主管端部，見圖13。

圖13 線性屈曲分析(一階屈曲模態)

提取一階載荷因子，并得到屈曲的臨界載荷，計算結果顯示該管系滿足外壓穩定性要求。模型計算中未考慮端部管帽加強作用(采用端部等效內壓平衡載荷代替端部盲板載荷)，模型端部也未設置外部加強圈，因此實際臨界載荷會遠大于模型計算結果，校核結果是可靠的。

2.2.4 計算結果分析

使用有限元軟件ANSYS對管線進行強度計算和管線穩定性分析，并對管系大直徑三通、彎頭和接管開孔等關鍵部位按照壓力容器分析設計標準進行強度校核后，得到如下結論：

(1)主管三通處，應補強至名義厚度18 mm以上，才能滿足局部應力校核要求。

(2)在各工況下，管系滿足強度校核要求。

(3)在各工況下，管系滿足穩定性校核要求。

按標準規范要求，設計應提出以下技術要求：

(1)所有焊縫采用全焊透結構，成型后內外表面打磨圓滑；

(2)A、B類焊縫(20%RT+100%PT)檢測，D類焊縫100%PT檢測。

3 結語

在高溫和內外壓作用下，大直徑薄壁管的荷載工況條件會非常復雜。完善對大直徑管道薄壁化設計及應力分析方法，為工程設計提供可靠的理論計算依據，是工程設計中必不可少的環節。本文對大直徑管道的薄壁化設計及應力分析方法步驟如下：

(1)使用SW6計算得到管道的名義厚度、加強圈型鋼規格和間隔距離。

(2)使用CAESAR II對大直徑薄壁管進行整體應力分析，以壓力管道標準規范進行校核，并獲取詳細分析所需參數。

(3)使用ANSYS對具有外部加強圈的大直徑薄壁管進行整體強度校核、關鍵部位的局部應力分析和穩定性分析，以壓力容器標準規范進行校核，完成局部加強設計措施。

組合使用CAESAR II和ANSYS等有限元軟件，分別對使用外部加強圈的大直徑薄壁管道進行了整體強度分析、穩定性分析及局部應力分析，應用壓力管道標準規范和壓力容器標準規范對管道系統的整體和局部分析結果進行雙重校核，不僅為大直徑薄壁管線的整體布置設計、局部加強設計、設備管口荷載條件、結構荷載條件和管道支吊架設計等提供了可靠的理論計算依據，而且為實現工程化設計應用和保障項目安全可靠運行奠定了基礎。對高溫和有內外壓條件下的大直徑管道進行薄壁化設計后，管道壁厚比常規設計值大幅減小，節省了管道材料、容器設備及土建結構用料，達到了節省項目投資的目的。該項目成功實現工程化應用并已穩定運行2年有余，證明對大直徑管道薄壁化設計及應力分析方法在工程應用中是可行有效的。