廠區(qū)內(nèi)直埋蒸汽管道應(yīng)力分析

楊 洋，譚南南

(1.北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075;2.遼寧撫順石化公司烯烴廠，遼寧 撫順 113004)

廠區(qū)內(nèi)直埋蒸汽管道應(yīng)力分析

楊 洋1，譚南南2

(1.北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075;2.遼寧撫順石化公司烯烴廠，遼寧 撫順 113004)

討論了廠區(qū)內(nèi)蒸汽管道埋地的布置方案，應(yīng)用 CAESARⅡ管道應(yīng)力分析軟件對(duì)一些減小熱應(yīng)力、增加柔性的方法進(jìn)行了分析和比較，以期優(yōu)化管道布置，減少熱應(yīng)力超標(biāo)對(duì)管系的影響。

蒸汽管道；埋地；應(yīng)力分析

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.006

化工、電力等行業(yè)廠前區(qū)公輔裝置中經(jīng)常用到蒸汽提供熱量，為了節(jié)約占地空間及費(fèi)用成本，有時(shí)會(huì)選擇管線直埋。但對(duì)于溫度高于120 ℃的蒸汽管線，直埋后會(huì)因受到土壤約束造成管道熱應(yīng)力超標(biāo)，導(dǎo)致管線軸向失穩(wěn)、熱拱變形以及疲勞破壞等一系列問(wèn)題[1-2]，帶來(lái)安全隱患及經(jīng)濟(jì)損失，影響正常生活、生產(chǎn)。討論廠區(qū)內(nèi)增加埋地蒸汽管線柔性的一般方法以及管線敷設(shè)思路，為同類(lèi)型管線的布置提供參考。

1 埋地管線理論分析基本假設(shè)

1.1 埋地管線理論公式

與一般工藝管道不同,埋地管線的應(yīng)力分析需要準(zhǔn)確模擬管道與土壤的相互作用，主要表現(xiàn)在土壤對(duì)管道軸向摩擦力以及土壤對(duì)管道的橫向推力[3-6]。當(dāng)把埋地管線土壤沿管壁環(huán)向壓力簡(jiǎn)化成管道上部土壤質(zhì)量時(shí)，可近似得到管道單位長(zhǎng)度上的摩擦力公式：

(1)

式中：F為管道單位長(zhǎng)度上的軸向摩擦力，N/mm；μ為摩擦系數(shù)；ρS為回填土密度，N/mm3；ρp為管道密度，N/mm3；ρf為流體密度，N/mm3。

伴隨熱介質(zhì)流入，管線溫度升高。熱膨脹從管道固定墩或者駐點(diǎn)開(kāi)始沿管道軸向遞增，當(dāng)摩擦力積累達(dá)到土壤屈服極限時(shí)，土壤開(kāi)始產(chǎn)生一定量的位移。如圖1模型建模以及表征土壤對(duì)管線橫向推力與管道橫向位移之間的關(guān)系。

假設(shè)埋地管線土壤約束為理想狀態(tài)，當(dāng)位移較小時(shí)橫向推力與位移之間為線彈性關(guān)系；當(dāng)位移足夠大超過(guò)臨界狀態(tài)時(shí)，土壤發(fā)生塑性變形，橫向位移繼續(xù)增大而土壤推力保持不變。這時(shí)需要用彈性剛度和最大推力2個(gè)參數(shù)來(lái)描述土壤的作用力模型。作用在管道單位長(zhǎng)度上的土壤線剛度。

圖1 模型簡(jiǎn)化

(2)

作用在管道單位長(zhǎng)度上的土壤最大推力：

(3)

式中：D0為管道外徑，mm；H為土壤表面到管道頂部的深度，mm；φ為管道橫向位移時(shí)土壤摩擦角，度。

1.2 埋地管道模型劃分

按照埋地管線自身特點(diǎn)，可以將其劃分為自然錨固區(qū)、過(guò)渡段與橫向變形區(qū)。錨固區(qū)由于摩擦力的約束作用，管線受熱后在軸向以及橫向不發(fā)生變形。過(guò)渡段指一端固定，另一端為活動(dòng)端，當(dāng)管道溫度變化時(shí)，能產(chǎn)生熱位移的直埋管段。橫向變形區(qū)為管線彎頭、三通等管件附近管線有橫向變形的區(qū)域，在CAESARⅡ管道應(yīng)力分析軟件中區(qū)域劃分見(jiàn)圖2。

圖2 埋地管線區(qū)域劃分注：1#—變形區(qū)；2#—過(guò)渡段；3#—自然錨固區(qū)

2 工程案例分析

2.1 布置走向確定

某煉化公司一套新建化工裝置，廠前區(qū)從臨時(shí)鍋爐房到換熱站需敷設(shè)2條蒸汽線，2處廠房東西距離約110 m，南北約50 m；綜合考慮工程占地及成本，初步確定直埋處理。以其中1條DN150 mm，設(shè)計(jì)溫度180 ℃，材料為20#的蒸汽管線為例。

根據(jù)一般管線柔性公式可知，特定管線柔性與兩固定端之間管系需要吸收的總變形合成值和展開(kāi)長(zhǎng)度及直線距離差平方的比值大小有關(guān)，比值越小柔性越好。以下面幾種布置方式進(jìn)行計(jì)算，分別得到管系危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)熱應(yīng)力值。

圖3 管線布置示意

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，幾種布置方式的柔性有明顯差別。管系熱應(yīng)力的大小依次為4>3>2>1；原因在于管線以及土壤特性一定的情況下橫向變形區(qū)越多，熱膨脹釋放的應(yīng)力越多，彎頭數(shù)量多、長(zhǎng)變形方向被均勻分割的布置方式有一定優(yōu)勢(shì)。另外橫向變形區(qū)域可用下式估算：

(4)

式中：E為管道彈性模量，MPa；I為管道截面慣性矩，mm4；K為作用于單位管道長(zhǎng)度上的土壤線性剛度，N/mm2。

根據(jù)土壤性質(zhì)可以計(jì)算出該管線的橫向變形區(qū)域Lb長(zhǎng)度大約為1.5 m；管線敷設(shè)時(shí)彎頭兩側(cè)用于吸收軸向變形的直管段應(yīng)大于Lb。所以圖3中1布置優(yōu)于2和3。

2.2 模型參數(shù)確定

應(yīng)力模型進(jìn)行埋地模擬，參數(shù)處理如下：摩擦系數(shù)0.4；土壤密度0.002 kg/cm3；埋深1 200 mm；內(nèi)摩擦角35°；回填夯實(shí)系數(shù)4；屈服位移系數(shù)0.015；溫度變化159 ℃。參數(shù)輸入見(jiàn)圖4。

圖4 埋地模型參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，模型中彎頭處操作溫度下熱態(tài)應(yīng)力與其許用應(yīng)力比值均超過(guò)200%，管線柔性嚴(yán)重不足。應(yīng)力超標(biāo)的原因是較長(zhǎng)的兩段直管各自長(zhǎng)約50 m，管段中間部分為自然錨固區(qū)，當(dāng)溫升到180 ℃時(shí)過(guò)渡段軸向位移達(dá)到峰值，在目前回填土壤參數(shù)下橫向變形區(qū)吸收能力有限，導(dǎo)致熱應(yīng)力超標(biāo)。

3 管系柔性分析及計(jì)算

采用以下幾種方案進(jìn)行分析計(jì)算，這里把長(zhǎng)距離埋地段定義為約束部分。

方案1：增設(shè)波紋管膨脹節(jié)。在Z字形的兩端彎頭以及中間兩個(gè)彎頭位置分別設(shè)置主固定支架。靠近其中一側(cè)彎頭設(shè)置波紋管膨脹節(jié)吸收軸向位移。遠(yuǎn)離膨脹節(jié)的固定支架承受最大推力為323.679 kN。推力由內(nèi)壓盲板力、波紋管彈性力與土壤摩擦力疊加得到。固定架之間土壤給予管道摩擦力趨勢(shì)為從固定支架一側(cè)開(kāi)始，沿Z軸負(fù)方向依次遞增。當(dāng)管道橫向位移量達(dá)到28 mm左右時(shí)土壤發(fā)生塑性變形，此時(shí)土壤對(duì)管線橫向推力趨于穩(wěn)定，約為38.94 kN。

膨脹節(jié)吸收位移也存在一些弊端。例如，若管線較長(zhǎng)固定墩的推力很大，相應(yīng)的對(duì)固定墩的強(qiáng)度要求較高。另外波紋管膨脹節(jié)的使用壽命一般較短，不同制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品性能差別很大，若用在相鄰設(shè)備頻繁開(kāi)停車(chē)，管線溫度交替變化的場(chǎng)合會(huì)導(dǎo)致其疲勞破壞，經(jīng)常更換給正常生產(chǎn)帶來(lái)不便，所以為方便維修，需要在膨脹節(jié)上方位置預(yù)留檢修井，檢修井的尺寸以容納膨脹節(jié)外形尺寸和工人正常操作維修尺寸為宜，膨脹節(jié)附近設(shè)置的導(dǎo)向及滑動(dòng)支撐需增加聚四氟乙烯墊板來(lái)減小摩擦力。

方案2：局部管溝敷設(shè)或者做軟回填處理。由公式4可知，橫向變形區(qū)域的吸收能力大小直接影響操作態(tài)管線各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力指標(biāo)。在管線參數(shù)一定的情況下，可通過(guò)改變土壤剛度來(lái)增加Lb的長(zhǎng)度。修改回填夯實(shí)系數(shù)以及土壤屈服位移系數(shù)，可以得到不同的K值。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)Lb的長(zhǎng)度約為4.8 m時(shí)，各工況下應(yīng)力值達(dá)標(biāo)，這是一個(gè)可行的方法。但是對(duì)于軟回填材料的選擇和夯實(shí)度的控制能否達(dá)到理論計(jì)算要求，對(duì)于施工單位來(lái)說(shuō)是難點(diǎn)。優(yōu)化后管道應(yīng)力分布對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 優(yōu)化后的管道應(yīng)力分布模型

根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)Lb的長(zhǎng)度為4.8 m時(shí)各工況能滿足要求?，F(xiàn)把彎頭附近4.8 m內(nèi)的管線做成管溝，其余位置直埋，在彎頭兩側(cè)增加兩處滑動(dòng)支撐，管托與支撐架之間加設(shè)聚四氟乙烯墊板。計(jì)算各種工況下的應(yīng)力，得到校核通過(guò)的結(jié)果如下：SUS工況16.8%；OPE工況76.3%，EXP工況43.2%。另外如果把彎頭改為大半徑彎頭，應(yīng)力計(jì)算效果有變優(yōu)趨勢(shì)。各種方案應(yīng)力及推力對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 4種方案受力對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)分析計(jì)算，埋地蒸汽管線由于受到土壤的約束作用，應(yīng)力超標(biāo)主要為管道軸向失穩(wěn)及柔性問(wèn)題所致，而優(yōu)化有幾種方式。常用的增加波紋管膨脹節(jié)的方式吸收熱位移，效果明顯，優(yōu)點(diǎn)為節(jié)省占地空間，但是由于其本身特性，不適用于壓力高、溫度頻繁變化的場(chǎng)合，所以如果使用膨脹節(jié)建議增設(shè)配套檢修井，為后序維修工作提供便利條件。

自然補(bǔ)償增設(shè)π形彎、軟回填處理和管溝敷設(shè)均是可行方案。若管線較長(zhǎng)，全廠管溝造價(jià)較高時(shí)，建議做局部管溝敷設(shè)，管溝布置在彎頭三通等管件周?chē)?，其敷設(shè)長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)理論計(jì)算，在應(yīng)力校核條件達(dá)標(biāo)的前提下把變形區(qū)域的長(zhǎng)度控制在最短范圍，既能保證管線的安全性又可以節(jié)約工程成本。

[1] 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京: 中國(guó)石化出版社，2010.

[2] 宋岢岢.工業(yè)管道應(yīng)力分析與工程應(yīng)用[M].北京: 中國(guó)石化出版社，2011.

[3] ASME B31.8-2009， Gas Transmission and Distribution Piping Systems[S].

[4] GB 50251-2003，輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] CJJ28-2014，城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[6] 吳新果,周嶠,盧泓方.基于CAESARⅡ的埋地輸油管道應(yīng)力分析[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2014(2):16-18.

修改稿日期：2016-08-20

Stress Analysis of Directly Buried Steam Pipeline in Plant

YANG Yang1，TAN Nan-nan2

(1.BeijingPetrochemicalEngineeringCo.,Ltd.Xi’anbranch,Xi’anShaanxi710075China; 2.LiaoningFushunPetrochemicalIndustriesCo.OlefinPlant,FushunLiaoning113004China)

This paper discusses the layout scheme of the steam pipeline buried in the plant area.It also analyzes and compares the methods to reduce the thermal stress and increase the flexibility by using the stress analysis software of CAESAR II.All of these aim to optimize the pipeline layout and reduce the impact of over thermal stress on the pipe system.

steam pipeline; buried; stress analysis

楊洋(1984-)，男，黑龍江尚志人，2011年畢業(yè)于西安石油大學(xué)化工機(jī)械專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事管道應(yīng)力分析等工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.006

TK 284.1

A

1004-8901(2016)06-0024-04