管道應(yīng)力分析及支管設(shè)計研究

位海強，郭文軍，卓小婧，毛振興

管道應(yīng)力分析及支管設(shè)計研究

位海強，郭文軍，卓小婧，毛振興

（中國石油長慶油田分公司第十二采油廠，甘肅 慶陽 745000）

承壓管道系統(tǒng)高效和安全的運行，保障著各行業(yè)管道運輸、工藝流程的正常運轉(zhuǎn)。管道系統(tǒng)按照預(yù)期目標建設(shè)和安裝前，對管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計過程不但需要對管道的應(yīng)力進行分析，評估可能產(chǎn)生的風險，并制定相應(yīng)的技術(shù)措施，還需要進行管道應(yīng)力校核，防止投入運行后管道產(chǎn)生破損。因此，項目管道系統(tǒng)設(shè)計基于ASME B31.3標準，分析了管道應(yīng)力對管道安全產(chǎn)生的影響，討論了管道應(yīng)力的校核標準。并進行了支管模型設(shè)計，論述了ASME B31.3標準中支管補強計算的依據(jù)、適用范圍，通過一個工程實例來分析說明如何確定支管表中需要計算的部分和如何判定補強計算的正確性。

AutoPIPE；ASME B31.3；應(yīng)力分析；支管設(shè)計；補強計算

管道應(yīng)力分析重點研究主要應(yīng)用于管道設(shè)計和管道運行兩大方面［1］。管道設(shè)計方面應(yīng)用工藝、設(shè)計、材料機械、設(shè)備、儀表、計算機等諸多學科綜合，并按照設(shè)計要求，根據(jù)實際建設(shè)地地質(zhì)、氣候、人文等條件，在相關(guān)法律法規(guī)的規(guī)定范圍下進行構(gòu)建。工程管道的設(shè)計分為：管道布局規(guī)劃、管道材料優(yōu)選和管道機械設(shè)計。工程管道設(shè)計工作至關(guān)重要，是保障安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)［2］。在設(shè)計過程需要進行管道應(yīng)力分析，以及需要保證管道相連接設(shè)備應(yīng)力滿足運行過程設(shè)計和使用要求。在投入運行時，還需要進行安全情況評價，主要評價管道的安全運行狀況、缺陷預(yù)判和風險評估。

管道設(shè)計過程的支管的連接起著非常重要的作用，是整個管道串連分支的必不可少的工藝。支管連接包括支管直接與主管的焊接連接和通過支管連接管件與主管的連接兩種形式，支管連接管件包括支管座，半管接頭和三通等。在設(shè)計工藝管道支管連接時，一般優(yōu)先選擇支管連接管件［3-4］。支管連接管件有對應(yīng)的管件制做標準，此類標準支管連接管件在結(jié)構(gòu)上有足夠的耐壓強度，一般不需要進行強度校核及補強。對于一些特殊管道，如火炬管道、大口徑管道、公用工程介質(zhì)管道、低壓常溫工藝介質(zhì)管道以及要求支管與主管連接時支管應(yīng)沿介質(zhì)流向45°斜接在主管頂部的管道，由于標準支管連接管件的尺寸限制及經(jīng)濟合理性的因素，多數(shù)情況下支管與主管的連接需要采用直接焊接的形式，因此在管道設(shè)計過程中需要對主管上所開支管接孔進行補強計算［5］。

1 管道應(yīng)力影響

1.1 管道變形基本形式

物體在受力后，其尺寸和形狀將發(fā)生一定的變化，管道的主要受力結(jié)構(gòu)在軸線和橫截面上，因此管道的受力可以由軸線上的線位移和橫截面角位移來進行分析。作用在管道上產(chǎn)生形變的外力，主要有拉伸及壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切和彎曲四種形式，其中在運轉(zhuǎn)過程拉伸及壓縮和扭轉(zhuǎn)為常見的受力影響類型，管道受這兩種力的影響容易導(dǎo)致接口處刺漏、支管處開裂。

1.2 管道應(yīng)力分析安全評估

管道安全性分析采用管道應(yīng)力校核，來防止受力影響導(dǎo)致管壁產(chǎn)生破損。在校核過程，管道受自身重力、內(nèi)部壓力和其它外力產(chǎn)生的應(yīng)力為一次應(yīng)力，其特點是無論受到的外力荷載增加與否，都可產(chǎn)生不受限制的塑性流動。而由熱脹冷縮、管道位移產(chǎn)生的附加應(yīng)力，其特點是具有自限性，即一般情況下，二次應(yīng)力不會造成對管道的破壞。

1.2.1 一次校核

在管道校核過程，一次應(yīng)力的校核參考ASME B31.3標準規(guī)定，其中規(guī)定內(nèi)容如下：

（1） 管道組成件的壁厚及補強裝置計算滿足要求時，會造成由于內(nèi)壓所產(chǎn)生的應(yīng)力，被認為管道是安全的；

（2） 管道組成件的厚度及補強強度計算滿足要求時，由于外壓對管道所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)被認為是安全的；

（3） 管道中由于重力、壓力和其他產(chǎn)生持續(xù)荷載所造成的縱向應(yīng)力之和，不得超過材料預(yù)計最高溫度下的許用應(yīng)力。

1.2.2 二次校核

二次校核參考了ASME B31.1和ASME B31.3相關(guān)標準如下：

（1） 計算管道最大位移應(yīng)力的范圍，所得結(jié)果不得超過管道許用的應(yīng)為范圍；

（2） 分析管道的位移循環(huán)時，管道金屬材料在最低溫度情況下的許可壓力值；

（3） 分析管道的位移循環(huán)時，管道金屬材料在最高溫度情況下的許可壓力值；

（4） 管道重力、內(nèi)壓力和外部持續(xù)載荷共同產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和；

（5） 受熱脹冷縮影響，考慮管道從最低溫度狀態(tài)到最高溫度狀態(tài)下膨脹收縮所產(chǎn)生的最大位移范圍。

1.3 管道柔韌性

在管道設(shè)計過程，也必須要考慮管道柔韌性問題，可以極大的防止以下風險：

（1） 由于管道長時間的運行，造成材料疲勞，產(chǎn)生的損害；

（2） 受外部不可控制的應(yīng)力造成管道連接處破損而產(chǎn)生刺漏；

（3） 管道力矩過大而造成管道對其相連部分，包括分支管、支架和上附設(shè)備的損壞。

2 支管模型設(shè)計

2.1 補強計算

支管補強計算采用的理論是等面積補強法。根據(jù)ASME B31.3標準的第304.1節(jié)進行直管段壁厚計算時，認為該直管段是完整的，如果由于焊接支管或其他原因在該直管段上開一定面積的孔，這就意味著本來設(shè)計用來承壓的一塊金屬材料被拿掉了，被開孔的直管段作為主管，其承壓能力實際上就被削弱了。因此在開孔的承壓有效范圍內(nèi)，必須有與之相當?shù)亩嘤嘟饘俨牧献鳛檠a償來保證強度。多余的金屬材料一般來自于主管和支管的壁厚設(shè)計裕量、補強板以及補強焊區(qū)。判定補強足夠的標準為：開孔剖面上所有的有效補強面積之和，不小于開孔所削弱的主管承壓所需最小截面積。等面積補強法理論認為，在有效補強范圍內(nèi)所有的多余金屬材料，都被認為可以等效的彌補開孔處的材料削弱，該理論本身沒有考慮任何安全系數(shù)。隨著開孔角度的增加以及主管本身剛性的降低，都會進一步削弱開孔處的強度。所以ASME B31.3中明確指出等面積補強法是計算支管連接的最低要求，同時有一定的適用范圍。

ASME B31.3中支管補強計算適用范圍的限制條件有：

（1）D/T＜100時，D/D≤1.0；

（2）D/T≥100時，D/D＜0.5；

（3）≥45°；

（4） 支管軸線與主管軸線相交。

式中：D=主管外徑，T=主管最小壁厚，D=支管外徑，=支管軸線與主管軸線間的夾角。

在工程設(shè)計時一定要核對支管連接是否滿足以上條件，如滿足方可采用ASME B31.3 304.3進行補強計算。

2.2 工程設(shè)計實例

2.2.1 工程設(shè)計條件

某工程的某一個管道材料等級設(shè)計參數(shù)為：設(shè)計壓力1.5 MPa，設(shè)計溫度：150 ℃，材料：ASTM A106 GR.B SMLS，腐蝕裕量：1.5 mm，管道設(shè)計壁厚見表1。

表1 管壁厚度

2.2.2 理論分析計算

（1） 按照ASME B31.3 304.3.2(a)的規(guī)定，等徑三通和異徑三通為標準的支管連接管件，不需要進行補強計算。

（2） 按照ASME B31.3 304.3.2(b)的規(guī)定，承插焊半管接頭如滿足ASME B31.3中支管補強計算適用范圍，則不需要進行補強計算，否則需要進行補強計算。關(guān)于半管接頭的強度核算，在工程設(shè)計中常被忽略，該部分的限制條件應(yīng)該予以重視。按照ASME B31.3 304.3.1(b)的規(guī)定及表1定義的管道壁厚，對管焊接和管對管焊接加補強板的支管連接滿足ASME B31.3 304.3.1(b)的4個條件，可以通過ASME B31.3 304.3.3進行補強計算。

（3） 通過上述分析，該支管連接表有三部分需要進行補強計算：a.粗實線框內(nèi)的承插焊半管接頭；b.管對管焊接；c.管對管焊接加補強板。明確范圍后，可以按照ASME B31.3 304.3.3 計算需要的補強面積和有效的補強面積。

（4） 通過對該支管表的逐一核算得出，管對管焊接和管對管焊接加補強板可以滿足標準條件，補強計算通過。粗實線框內(nèi)的承插焊半管接頭在原始設(shè)計時沒有進行補強計算，忽視了ASME B31.3 304.3.2(b)中關(guān)于免除承插焊半管接頭補強計算的限制條件，這也是設(shè)計過程中普遍存在的問題。

3 容易忽視的問題

關(guān)于適用范圍，標準中定義了4條要求，第3條角度要求和第4條支管軸線與主管軸線相交，一般都可以滿足。在工程設(shè)計過程中往往忽視的是第1條和第2條的要求，造成這個原因最主要的是國內(nèi)標準GB 50316沒有“主管的直徑與壁厚之比（D/T）小于100且支管與主管的直徑之比（D/D）不大于1.0”和“主管的直徑與壁厚之比（D/T）大于等于100且支管直徑D小于主管的直徑D的一半”的限制要求。雖然在GB/T 20801.3 -2006標準中增加了管徑和壁厚比的要求，但由于GB 50316實施時間較長，很多設(shè)計人員會慣性思維的沿用GB 50316的標準要求，這樣在國際工程的管道支管連接設(shè)計中就會出現(xiàn)不滿足ASME B31.3相關(guān)規(guī)定的情況。在工程設(shè)計中會存在大口徑碳鋼管道、薄壁不銹鋼管道等，此類管道很可能會出現(xiàn)D/T≥100，在工程中如忽視該限制條件，則支管連接表設(shè)計不能滿足標準要求。

4 結(jié)束語

（1） 支管連接在每個項目的管道設(shè)計中都是不可或缺的組成部分，支管連接的正確與否，不僅關(guān)系到管道設(shè)計是否滿足標準要求，更關(guān)系到管道設(shè)計是否滿足安全要求。在支管連接的設(shè)計過程中要綜合考慮管道運行工況，除壓力荷載之外，還有由于熱膨脹、收縮、管道限位支架等產(chǎn)生的管道位移及其所引起的外力，合理選取支管連接標準管件或采用支管直接與主管焊接的連接型式。

（2） 項目的焊接支管補強計算執(zhí)行的主要標準為ASME B31.3，在實際工程設(shè)計過程中，一定要注意ASME B31.3標準中補強計算的適用范圍，避免出現(xiàn)違背標準要求的支管連接。雖然并非所有違背ASME B31.3標準的支管設(shè)計都最終會出現(xiàn)問題或事故，但是高質(zhì)量的設(shè)計應(yīng)避免一切潛在的風險，達到設(shè)計的本質(zhì)安全。

［1］張利方. 化管道應(yīng)力分析及支吊架設(shè)計綜述[J]. 化工設(shè)計通訊, 2009, 35 (1): 36-41．

［2］董巖. 熱力管道應(yīng)力分析及實例應(yīng)用[J]. 廣州化工, 2013, 41 (22)：146-149．

［3］彭進. 管道設(shè)計中支吊架的正確設(shè)置[J]. 煉油設(shè)計, 1999, 29 (5)：54-58．

［4］李莉. 管道支管連接補強及計算[J]. 化工設(shè)備與管道, 2015, 52 (1)：67-69.

［5］王浪云. 關(guān)于壓力管道支管補強計算的探討[J]. 化工設(shè)備與管道, 2011, 48 (3): 50-52．

Stress Analysis of Pipeline and Design of Branch Pipe

,,,

(No.12 Oil Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company, Gansu Qingyang 745000, China)

The efficient and safe operation of pressure piping system can ensure the normal operation of pipeline transportation and process flow in all industries. The optimization design of the pipeline system plays an important role in before it is built according to the expected target. The design process not only needs to analyze the stress of pipeline, evaluate the possible risk, and draw up the corresponding technical measures, but also needs to check the stress of pipeline to prevent the pipeline from being damaged after being put into operation. In this paper, the influence of pipe stress on pipeline safety was analyzed, and the checking standard of pipeline stress was discussed. And the branch model was designed, basis and application scope of reinforcement calculation of the branch pipe in ASME B31.3 standard were discussed. Through analysis of a project example, how to determine the part which need be calculatedwas explainedas well as how to judge the correctness of the calculation of reinforcement of the branch table.

AutoPIPE; ASME B31.3; stress analysis; branch pipe design; computation of reinforcement

2017-11-04

位海強（1988-），男，助理工程師，河南省周口市人，研究方向：從事油氣田開發(fā)技術(shù)工作。

TQ 150

A

1004-0935（2017）12-1207-03