基于CAESAR II在壓力管道整治檢驗中的運用

肖偉俊

(福建省特種設備檢驗研究院,福建 福州 350000)

隨著國家工業發展越來越快,壓力管道數量越來越多,因此保證壓力管道安全運行至關重要。2014年國家頒布《特種設備安全法》,將壓力管道納入監管范圍。由于歷史問題,早期的壓力管道很多沒有監督檢驗并且辦理使用登記證,存在很多安全隱患,國家通過管道整治將其納入監管。對早期管道整治檢驗過程中,特別是高溫高壓的管道,檢驗人員在現場發現問題時,根據規范有些情況需要對管道進行應力分析,確保管道符合規范要求。本文通過對檢驗過程中發現問題管道,運用CAESAR II對管道應力分析,進而讓企業整改,降低管道運行風險。

1 整治檢驗容易忽略問題

在管道定期檢驗過程中,檢驗員會注重對管道壁厚的減薄情況,管道本身幾何尺寸還有管道本身宏觀檢驗。根據TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規則》第2.4.2.1條的第一點,在現場應對管道結構檢驗,包括管道布置、支吊架、膨脹節、開孔補強、排放裝置設置等進行檢驗。而有監督檢驗的管道,都經過設計院設計,結構都比較合理,結構不容易出現問題。在管道整治檢驗老舊管道時,檢驗員容易忽略對于管道本身結構的問題,或者發現了結構有某些問題,按規范需要進行應力分析,不會進行應力分析,導致沒有說服力而不了了之。

而壓力管道存在損傷或者發生失效主要是由于管系膨脹、自重等引起的熱應力和彎曲應力,內壓引起的薄膜應力不是主要因素,而熱應力和彎曲應力與管道結構布置、支吊架布置等因素有關。所以忽略結構問題可能會導致支吊架脫落或者損壞,支吊架基礎下沉或被損壞,管道變形較大,管道異常撓曲或下沉,管道焊縫處出現裂紋等問題,出現極大的安全隱患。

2 規范要求進行應力分析的情況

據TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規則》第2.4.2.7條,應對以下幾種情況進行應力分析:

(1)無強度計算書,并且管道設計壁厚大于等于1/6管道外徑或者設計壓力大于0.385倍設計溫度下需用應力;

(2)有較大變形,撓曲的;

(3)由管系應力引起密封結構泄露、破壞的;

(4)要求設置而未設置補償或補償器失效的;

(5)支吊架異常損壞的;

(6)結構不合理并且已經發現嚴重缺陷的;

(7)壁厚存在全面嚴重減薄。

3 現場檢驗案例分析

檢驗人員在某化工企業蒸汽管道整治過程中,發現該管道為2008年安裝,無監督檢驗報告,從鍋爐房分氣缸出來到車間設備,輸送距離為約180 m,管徑為?219 mm×6 mm,材質為20,工作壓力為1.6 MPa,溫度為200 ℃,介質為飽和蒸汽,該管道將近170 m直管沒有任何補償,中間有一段管道變形較大,檢驗員在現場把各項數據記錄好。根據上述《壓力管道定期檢驗規則》第2.4.2.7條,這種情況應該進行應力分析,故檢驗人員運用CAESAR II對該管道進行應力分析。

3.1 節點設置及數據輸入

在CAESAR II這個軟件中通常把管道劃分成單元,管道單元在節點處相互連接,一般把管件,支吊架處設置節點,為了便于分析,通常節點中留有一定間隙,通常相鄰節點編號間隔取5或者10,確定好節點后,就可以打開軟件進行數據輸入。數據輸入是從管系的始端到末端沿管道逐個單元依次進行,輸入時候按屏幕的提示要求輸入即可。管道單元的所有信息占一頁數據表,用戶可以開始到結尾任意翻看。從下圖一可以看出,輸入數據可以分為基本參數、管道單元結構參數和邊界條件。管道具有連續性,基本參數往往在很長一段管道都不會發生變化,所以在連續管道單元輸入的時候,該部分數據不需要重新輸入,軟件會自動復制,如果參數變化了,就需要重新輸入。這個案例中蒸汽管道壓力、管徑壁厚等參數都沒有改變,所以只要剛開始輸入一個參數即可。而管道單元結構參數和邊界條件為個性數據,一般都有不連續性,所以每個單元都不一樣,每個都需要用戶自己輸入。

檢驗員根據現場實際情況繪制了單線圖,根據單線圖,在軟件中依次輸入實際參數。如圖一所示,我們設置相鄰節點編號10,我們從節點10到20開始輸入,從鍋爐分氣缸出來后,管道往上走了2 m,在輸入界面位移一欄中,X和Z方向都是0,Y方向輸入2 000 mm,這樣走向就與實際情況一致。往下就是管徑和壁厚,軟件中要求輸入的是管道的外徑,按實際把管徑輸入219,壁厚輸入6。再往下就是計算溫度和計算壓力,計算溫度會影響管道熱脹冷縮的計算值,是軟件計算重要的參數,我們根據實際工況200 ℃輸入,因為只有一種工況,輸入一個溫度即可,如果有多個操作工況,可以輸入多個溫度,軟件最多可以輸入9種工況。計算壓力軟件單位是kPa,故而輸入1 600 kPa。管道材料選擇A53B等同于國內20#鋼,他們許用應力相同,不影響計算結果。軟件設置了豐富的材料數據庫,數據庫儲存了各種材料和相關數據,我們只需要根據實際工況選擇相應材料即可,相應的許用應力、彈性模量、線膨脹系數、泊松比和管道材料密度就會自動被選取。輸入界面如圖1所示。

圖1 參數輸入

3.2 模型建立

管道單元結構參數主要包括管系中各個管道單元的幾何形狀及尺寸,結構特征,例如彎頭、剛性件、膨脹節、三通等等。我們根據現場管道走向,每個節點之間建立幾何尺寸,不用單獨設置彎頭單元,只是將相應直管的末端定位為彎頭,輸入的直管段末端節點號實際上就是彎頭末端。正常彎頭曲率半徑不輸入時候,軟件就會取為1.5倍公稱直徑。我們根據實際走向在CAESAR II輸入界面中從管系始端到末端沿逐個單元建立,管道模型就建立完成。

邊界條件可以分為位移邊界條件、力邊界條件和彈簧邊界條件,上述案例分汽缸和設備都是固定設備,沒有給管系集中荷載或者分布荷載,現場也沒有彈簧支吊架,故而只存位移邊界條件。管道支架種類繁多,對管系穩定運行起到了非常大的作用,因此我們在建模的時候一定要把管道支架形式選對。上述案例中實際上只有托架,沒有其他種類支架。我們在建模的時候根據現場托架的位置,在模型上依次設置+Y支架,整個管系只有這個方向的約束。軟件有各種類型位移約束,例如G(guide)是管道水平徑向受到約束,而A(Anchor)表示三個方向的線位移和角位移全部約束,像上述案例中設備口固定的,我們就把設備口用A來約束。邊界條件關系到整個管系應力計算準確與否,我們在建模時候一定要按照實際工況來設置,當然我們也可以通過設置支架形式,來改善管系應力情況,某些情況通過改變支吊架形式或者位置,就可以使本來無法通過計算的管系而通過計算。上次模型建立完成后如圖2所示。

圖2 計算模型

3.3 對模型進行應力分析

點擊軟件中運行對管系進行應力分析[1],程序運行由計算機自動完成,結果分析中我們選取SUS(持續荷載工況,系統會自動對一次應力校核),EXP(純熱態荷載工況組合,系統會自動對二次應力校核),結果如下圖3。

圖3 對模型進行應力分析計算結果

3.4 結果分析

管道應力的校核主要是為了防止管壁內應力過大造成管道自身的破壞。各種不同的荷載引起不同類型的應力,不同類型的應力對損傷破壞的影響各不相同。因此,在實際管道應力校核中,劃分為一次應力和二次應力兩類:

一次應力:由于壓力、重力和其他外力荷載的作用所產生的應力。它是平衡外力荷載所需的應力,隨外力荷載的增加而增加,一次應力的特點沒有自限性。一次應力往往并不是主要荷載,不是引起管道發生失效的主要因素。在應力計算中,我們要求管道中壓力、重力和其他持續載荷所產生的縱向應力之和,不能超過材料在最高溫度下的許用應力,軟件中這個許用應力根據你選的材料和溫度會有一個確定的值,特殊材料數據庫中沒有的我們也可以通過查閱相關標準手動輸入。

二次應力:由于熱脹、冷縮、端點位移等位移荷載的作用所產生的應力,它不直接與外力平衡,而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續要求所必須的應力,二次應力的特點是具有自限性。二次應力主要由熱應力引起,與管道結構,支吊架設置等都有關系。二次應力往往是引起管道失效的主要因素。所以在管道定期檢驗規則中,要求檢驗員在宏觀檢驗過程中,要對管道結構檢驗,包括管道布置、支吊架、膨脹節等,這些如果有異常,往往是二次應力超標的表現。

二次應力校核是最基本的強度校核之一,二次應力校核條件來源于安定性條件。結構安定性的定義是,當荷載在一定范圍內反復變化時,結構內不發生連續的塑性變形循環,也就是在初始幾個循環后,結構內的應力應變都按線性彈性變化,不再出現塑性變形。為了防止管線出現疲勞,結構必須具有安定性。同樣地,前面參數輸入后,軟件數據庫就會有相應材料的二次應力值。

當管系出現彎頭、三通等管件的時候,受彎后管道出現扁平化,管道抗彎剛度有所減小,就會產生應力增大。因此計算二次應力的時候需要考慮應力增大系數,是指在疲勞循環次數相同的情況下,所用于直管的彎曲應力與作用于管件的名義彎曲之比。直管的截面形狀和尺寸應與管件相應部分的截面形狀和尺寸相同。也可以理解為在疲勞破壞循環次數相同的情況下,作用于直管的彎矩與作用于管件的彎矩之比。應力增大系數由疲勞試驗得出,與材料的疲勞破壞存在直接的關系。根據GB50316標準規定,在二次應力計算的時候都應該引入應力增大系數,考慮到了管系應力集中的影響。軟件中有詳細的數據庫,根據不同的材料,根據管件詳細的疲勞試驗,都有準確的應力增大系數,保證了計算的準確性,這也是軟件計算的強大之處。

通過圖3結果可以看出,一次應力小于材料許用應力,能夠滿足要求。而二次應力明顯超過二次應力許用值,在18號節點處二次應力最大,是許用應力的1.366倍,二次應力不滿足校核結果,當計算結果不滿足校核結果時,軟件自動會把計算結果標紅。所以檢驗員依據計算結果,認為該管道不符合設計規范,在運行過程中存在安全隱患。

3.5 整改后模型

發現問題后,檢驗人員及時下達意見通知書二讓化工企業進行整改,企業重新找設計院對管道進行設計,并請有資質安裝單位對該管道進行改造。按改造后的管道走向,重新對管道進行建模分析,模型如圖4所示。

圖4 整改后計算模型

3.6 整改后結果分析

從模型可以看出,在管道中間,新增加了一個U彎來補償熱應力,對結果進行重新分析,結果如圖5所示。

圖5 整改后計算結果

重新設計后模型分析結果可以看出,一次應力相對改造之前相差不大,而二次應力最大值還是在18號節點上,但是只占到了二次許用應力的76.2%,通過增加U彎后,大大減少了管線的二次應力,滿足二次應力校核要求。

通過上述案例可以看到,當管線特別是熱力管道,在檢驗過程中如果發現變形較大,管道支吊架異常損壞,管線結構不合理,例如過長沒有補償結構,那么檢驗員就要注意是否管線存在二次應力超標,結構不安定的問題。這時候檢驗員如果用CAESAR II進行計算,將結果一起給企業,就能有理有據地讓企業進行整改。

4 結束語

簡單介紹了CAESAR II使用方法,通過對檢驗案例應力分析,發現早期未經過監督檢驗的管道,存在很多結構不合理的地方。但是如果檢驗員僅僅憑借經驗判斷這些管線不符合要求而讓企業整改,往往可能不具有說服力。經過軟件計算發現這些管線二次應力超過規范要求的許用值,能夠很好說明管線存在很大的安全隱患。而且TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規則》中明確規定了有7種情況下需要對管道進行應力分析,那么作為檢驗人員如果能夠掌握CAESAR II對管道進行應力分析,對管道安全狀況等級評定和下一使用周期確定更具有說服力,將大大提高檢驗員檢驗能力。