非柔性連接石化儲罐配管溫差應(yīng)力分析與對策*

陳國華，趙一新，黃孔星，胡　昆

(華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0　引言

近年來，我國?；饭艿篮凸迏^(qū)多次發(fā)生泄漏、火災(zāi)或爆炸事故[1]，一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸，石化儲罐區(qū)的大規(guī)模集中儲存方式非常容易引起多米諾效應(yīng)，給罐區(qū)、企業(yè)乃至周邊區(qū)域帶來的個人及社會風(fēng)險成倍增加[2-3]。為防止儲罐配管系統(tǒng)失效引發(fā)事故，國內(nèi)外學(xué)者[4-5]對儲罐配管系統(tǒng)柔性進行了研究，《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》也不斷對儲罐與配管的連接方式提出更高的要求?！妒突\系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》(SH/T 3007-1999)中提出，“罐前支管道與主管道宜采用撓性或彈性連接”；《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》(SH/T 3007-2007)中提出，“儲罐的主要進出口管道，宜采用撓性或彈性連接方式”；《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》(SH/T 3007-2014)要求，“儲罐主要進出口管道，應(yīng)采用柔性連接方式，并應(yīng)滿足地基沉降和抗震要求”。柔性連接可使配管通過自身變形降低溫差導(dǎo)致的熱位移變化，避免溫差、地震及不均勻沉降對配管接口造成損壞，非柔性連接儲罐配管會因熱位移受到限制產(chǎn)生破漏事故，研究依照舊規(guī)范設(shè)計的非柔性連接儲罐配管是否符合《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》(SH/T 3007-2014)的要求是非常有必要的。此外，作為儲罐配管系統(tǒng)的重要組成部分，配管的溫差應(yīng)力分析同等重要，據(jù)2014年美國管道和危險材料安全管理局事故統(tǒng)計[6]，溫差作用引發(fā)的管道自然破壞事故數(shù)量占總事故數(shù)量的3.40%。但目前國內(nèi)外學(xué)者主要針對公共管道應(yīng)力進行研究[7-11]，較少涉及石化廠區(qū)工藝管道溫差應(yīng)力分析。

本文以某石化廠區(qū)非柔性連接儲罐配管為例進行研究，此石化廠區(qū)地震基本烈度為Ⅳ度，建筑場地類別為Ⅱ類；地基沉降量已趨于穩(wěn)定，近期沉降量較小；廠區(qū)內(nèi)儲罐共計180個，其中配管連接方式為柔性連接(不包括自然補償)的儲罐數(shù)量為20個，未采用柔性連接的儲罐數(shù)量為160個,因此只需考慮溫差對160個非柔性連接儲罐配管的作用。研究采用ANSYS 17.0有限元分析軟件，建立配管的熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元模型，計算非柔性連接的常壓儲罐配管在溫差作用的應(yīng)力分布，根據(jù)計算結(jié)果分析應(yīng)力的影響因素，提出有針對性的安全防護措施，以期為消除石油化工儲罐配管非柔性連接帶來的安全隱患提供技術(shù)支撐。

1　有限元模型

配管工作溫度高于安裝溫度，二者溫差造成熱脹冷縮效應(yīng)，使配管產(chǎn)生熱位移。由于實際中地上敷設(shè)配管必然受到來自管架、連接設(shè)備等的約束，熱位移受到限制，產(chǎn)生不均勻分布的熱應(yīng)力及應(yīng)力集中，熱應(yīng)力過高導(dǎo)致儲罐配管破裂及失效。為全面合理地評估該石化廠區(qū)內(nèi)160個未采取柔性連接的儲罐配管熱應(yīng)力，采用ANSYS 17.0軟件對某些具有代表性的儲罐配管熱應(yīng)力進行定量分析，分析步驟依次為：幾何模型建立、基本參數(shù)設(shè)置、單元選取及網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定和求解分析。

1.1　有限元模型的建立

使用ANSYS軟件的Thermal模塊與Structural模塊構(gòu)建配管的溫度場模型和應(yīng)力場模型。此石化廠區(qū)內(nèi)儲罐配管材料為10#鋼與20#鋼，二者材料參數(shù)基本相同，鋼材的變化僅影響管道許用應(yīng)力及屈服強度的變化，對管道最大熱應(yīng)力值及熱應(yīng)力分布幾乎不造成影響，因此只需選取石化廠區(qū)內(nèi)最普遍的配管材料20#鋼進行分析。采用SOLID186單元模擬配管，20#鋼的配管材料基本參數(shù)見表1。

表1　配管材料參數(shù)

圖1　局部配管有限元網(wǎng)格劃分Fig.1　Finite element mesh generation of local pipelines

對配管幾何模型進行網(wǎng)格劃分。直管中施加約束載荷處進行網(wǎng)格細化；圖1(b)及圖1(c)為配管相連接處及彎管處網(wǎng)格細化圖，采用自由網(wǎng)格劃分幾何模型。根據(jù)配管實際工況，設(shè)定邊界條件：

1)假設(shè)溫度沿管壁均勻傳導(dǎo)，對在相同工作溫度下運行的配管的有限元模型中所有節(jié)點施加相同溫度載荷。

2)二次應(yīng)力是熱脹冷縮等位移載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力，儲罐配管熱應(yīng)力是由于溫差引起的熱位移受到限制而產(chǎn)生的應(yīng)力，屬于二次應(yīng)力，不施加重力載荷。

3)由于不考慮重力載荷，忽略支撐對配管的作用。

4)在配管僅軸向位移受到限制處，施加軸向約束；在配管軸向、周向、徑向熱位移均受到限制處，如與儲罐相連接部位，施加DOF全約束，即節(jié)點6個自由度全部限制[12]。

1.2　有限元模型的驗證

為驗證有限元模型的可靠性，采用彈性中心法[13]求解配管局部直管段熱應(yīng)力值，并與有限元模擬仿真結(jié)果進行對比，直管兩端均施加DOF全約束，表2為通過2種方法計算所得的管段最大熱應(yīng)力值。

直管的熱應(yīng)力計算模型為：

σt=αEΔt

(1)

式中：σt為直管局部熱應(yīng)力值，MPa；α為配管材料的熱膨脹系數(shù)，℃-1；E為配管材料的彈性模量，MPa；Δt為工作溫度與安裝溫度的溫差，℃。

由表2可知，整體而言，有限元模擬仿真結(jié)果較理論計算結(jié)果偏大，最大相對誤差7.87%，最小相對誤差5.48%，平均相對誤差絕對值為6.13%，2種方法計算結(jié)果比較接近。

理論計算方法是為了根據(jù)溫度變化引起的熱位移選擇合適的自然補償措施而提出的一種設(shè)計參考方法，對配管結(jié)構(gòu)、管系布局以及工況都進行了一定程度的簡化，而熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元模擬仿真方法可以建立與實際工況相近的有限元模型，針對實際工況下的復(fù)雜配管管系進行應(yīng)力計算，能夠為配管熱應(yīng)力校核提供更為準確的檢驗方式。

表2　熱應(yīng)力值計算結(jié)果驗證

2　數(shù)值模擬結(jié)果與分析

分析有限元數(shù)值模擬結(jié)果，判斷配管是否處于安全運行狀態(tài)，計算的最大位移應(yīng)力不應(yīng)超過許用位移應(yīng)力范圍[σ]A。

[σ]A=f(1.25[σ]C+0.25[σ]h)

(2)

式中：[σ]A為材料的許用應(yīng)力，MPa；[σ]C為材料在冷態(tài)(預(yù)計最低溫度)下的許用應(yīng)力，MPa；[σ]h為材料在熱態(tài)(預(yù)計最高溫度)下的許用應(yīng)力，MPa；f為管道位移應(yīng)力范圍減小系數(shù)。根據(jù)《管道及儲罐強度設(shè)計》,一般油庫管道，在常溫和循環(huán)當量數(shù)較低(N≤7 000)的情況下工作，f取值為1.0。

該石化廠區(qū)儲罐配管工作溫度范圍為20～160 ℃，在此范圍內(nèi)，20#鋼許用位移應(yīng)力[σ]A為205.5 MPa，數(shù)值模擬結(jié)果中最大應(yīng)力值大于205.5 MPa的配管即處于危險工況。

根據(jù)石化儲罐區(qū)配管的不同結(jié)構(gòu)特點及工況將配管類型分為4類，這4類配管即代表了該石化廠區(qū)內(nèi)160個未采取柔性連接的儲罐配管典型情況，分析4類配管的模擬計算結(jié)果并提出針對性的安全措施。類型1中，配管具有較高的工作溫度，進出油主管道分成多根支管，支管采取了π型補償器的補償手段，配管延伸端直接與另一個儲罐相連；類型2中，配管的工作溫度為常溫，進出油主管道分成多根支管，支管采取了π型補償器的補償手段，配管延伸端穿過小土丘等障礙物；類型3中，配管的工作溫度為常溫，進出油主管道分成多根支管，具有三通管結(jié)構(gòu)，配管延伸端直接與另一個儲罐相連；類型4中，配管的工作溫度為常溫，進出油主管道無分支管道，直接向遠處大范圍延伸。

2.1　類型1配管

儲罐的進出油主管道與多根支管之間用一根配管相連，安裝溫度為20℃，工作溫度為98℃，配管延伸端直接與另一個儲罐相連，設(shè)置為軸向約束，有限元模型的網(wǎng)格總數(shù)量為385 605個。為對有限元模型網(wǎng)格數(shù)量進行無關(guān)性檢驗，得出結(jié)果如表3所示。由表3可知，網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值模擬結(jié)果有一定影響，網(wǎng)格數(shù)量低于約36萬時，數(shù)值模擬結(jié)果隨網(wǎng)格數(shù)量變化波動較大，網(wǎng)格數(shù)量超過約36萬時，數(shù)值模擬結(jié)果變化差異不大，即網(wǎng)格數(shù)量增大到一定程度后計算結(jié)果趨于穩(wěn)定，可以認為數(shù)值模擬結(jié)果滿足網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性要求。對于其他類型的儲罐配管模型，也進行了同樣的網(wǎng)格無關(guān)性驗證，以保證計算結(jié)果的準確性。

表3　網(wǎng)格無關(guān)性檢驗結(jié)果

圖2、圖3為該配管的Von Mises應(yīng)力云圖，主管道與支管相接處、配管π形補償器彎頭處均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，主管道與支管相接產(chǎn)生的相貫線交點處出現(xiàn)最大Von Mises等效應(yīng)力值，其值為342 MPa，超過20#鋼許用位移應(yīng)力205.5 MPa，配管處于危險工況。

圖2　類型1配管Von Mises應(yīng)力分布Fig.2　Von Mises stress contour of type 1 pipeline

圖3　類型1配管局部Von Mises應(yīng)力分布Fig.3　Local Von Mises stress contour of type 1 pipeline

圖4為工作溫度設(shè)置為70，77，83，85和98℃時配管的最大Von Mises等效應(yīng)力值，其值分別為85.4，150，205，223和342 MPa。由圖4可見，配管最大Von Mises等效應(yīng)力值隨工作溫度的增高而增大，工作溫度設(shè)置為83℃時，配管最大熱應(yīng)力不超過且最接近20#鋼許用位移應(yīng)力205.5 MPa，配管處于安全運行狀態(tài)。分析結(jié)果表明，隨著配管內(nèi)外溫差不斷降低，應(yīng)力集中的區(qū)域逐漸減小，配管產(chǎn)生的熱應(yīng)力逐漸降低，最大熱應(yīng)力值逐漸減小。

圖4　最大應(yīng)力隨工作溫度的變化Fig.4　Maximum stress at different operating temperature

圖5　π形補償器物理模型Fig.5　Physical model of π-shaped compensator

自然補償和人工補償是管道工程常用的補償措施，類型1配管采用的π形補償器(物理模型如圖5所示)屬于自然補償措施，指依靠配管自身變形克服熱脹冷縮效應(yīng)。采取自然補償措施可以提高管道柔性，通過彈性形變吸收管道由于形變而產(chǎn)生的巨大應(yīng)力[14]。為驗證自然補償?shù)难a償能力，研究不同強度的補償措施對配管應(yīng)力的影響，分別計算相同工況下π形補償器彎頭半徑R為300，350，400，450和500 mm，縱向尺寸H為1 200 mm的配管熱應(yīng)力，以及π形補償器彎頭半徑R為300 mm，縱向尺寸H為1 000， 1 100，1 200，1 300和1 400 mm的配管熱應(yīng)力。圖6和圖7分別為π形管在不同彎頭半徑、不同縱向尺寸情況下的最大Von Mises等效應(yīng)力值，5種彎頭半徑的π形管最大熱應(yīng)力值分別為114，108，104，97.2和94.9 MPa，5種縱向尺寸的π形管最大熱應(yīng)力值分別為144，130，114，107和101 MPa。結(jié)果表明，π形補償器尺寸越大，配管最大熱應(yīng)力值越低，即補償器吸收管路變形的能力越強。譚晉隆[15]通過對π形補償器補償能力影響因素的對比分析，也得出相同結(jié)論，即補償器的補償能力隨著補償器尺寸的減小而降低。

圖6　最大應(yīng)力值隨π形補償器彎頭半徑的變化Fig.6　Maximum stress with different elbow radius of π-shaped compensator

圖7　最大應(yīng)力值隨π形補償器縱向尺寸的變化Fig.7　Maximum stress with different longitudinal size of π-shaped compensator

2.2　類型2配管

儲罐的進出油主管道與多根支管之間用一根配管相連，安裝溫度為20℃，工作溫度為35℃，支管采用了π型補償器，配管延伸端穿過小土丘，軸向、周向、徑向熱位移均受到限制，設(shè)置為DOF全約束，有限元模型的網(wǎng)格總數(shù)量為629 445個。圖8和圖9為該配管的Von Mises應(yīng)力云圖，配管延伸端設(shè)置DOF全約束處、π形補償器彎頭處均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，配管π形補償器彎頭處出現(xiàn)最大熱應(yīng)力值，其值為22.2 MPa，配管處于安全運行工況。

類型2配管與類型1配管的主要區(qū)別在于工作溫度及配管延伸端約束方式，圖4已表明最大熱應(yīng)力值隨著配管內(nèi)外溫差降低逐漸減小，只需研究約束方式對類型2配管應(yīng)力的影響。將配管延伸端設(shè)置為無約束及軸向約束，以出現(xiàn)最大熱應(yīng)力值的彎管為例進行模擬分析，表4為延伸端施加3種約束下此彎管的最大熱應(yīng)力值模擬結(jié)果。計算結(jié)果表明，配管受到約束時，熱位移受到限制，熱應(yīng)力增加；DOF全約束比軸向約束產(chǎn)生更大熱應(yīng)力，是由于隨約束強度增加，配管熱膨脹位移受到的限制也增強，配管熱應(yīng)力隨之增大。

圖8　類型2配管Von Mises應(yīng)力分布Fig.8　Von Mises stress contour of type 2 pipeline

圖9　類型2配管局部Von Mises應(yīng)力分布Fig.9　Local Von Mises stress contour of type 2 pipeline

約束方式DOF約束軸向約束無約束最大熱應(yīng)力值/MPa22.221.61.79×10-5

2.3　類型3配管

儲罐的進出油主管道分成多根支管，具有三通管結(jié)構(gòu)，安裝溫度為20℃，工作溫度為35℃，配管延伸端直接與另一儲罐相連，設(shè)置為軸向約束，有限元模型的網(wǎng)格總數(shù)量為542 578個。圖10和圖11為該配管的Von Mises應(yīng)力云圖，由圖可知，主管道與支管相接區(qū)域即三通管處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，相貫線交點處出現(xiàn)最大Von Mises等效應(yīng)力值，其值為252 MPa，超過20#鋼許用位移應(yīng)力205.5 MPa，配管處于危險工況。

圖10　類型3配管Von Mises應(yīng)力分布Fig.10　Von Mises stress contour of type 3 pipeline

圖11　類型3配管局部Von Mises應(yīng)力分布Fig.11　Local Von Mises stress contour of type 3 pipeline

圖12　三通管Von Mises應(yīng)力分布Fig. 12　Von Mises stress contour of T-branch pipeline

為研究危險區(qū)域的應(yīng)力狀況及配管壁厚對三通管應(yīng)力的影響作用，將類型3配管簡化為簡單三通管結(jié)構(gòu)，圖12和圖13為簡化三通管的Von Mises應(yīng)力云圖。由圖可知相貫線區(qū)域為應(yīng)力集中的主要部位，簡化三通最大Von Mises等效應(yīng)力值出現(xiàn)在三通管內(nèi)壁相貫線交點處。分別計算相同工況下壁厚d為6，7，8，9，10 mm的簡化三通管熱應(yīng)力，圖14為5種壁厚的三通管最大Von Mises等效應(yīng)力值，分別為23.1，20.3，19.1，18.6，17.4 MPa。結(jié)果表明，配管壁厚越大，三通管最大熱應(yīng)力值越低。

圖13　三通管局部Von Mises應(yīng)力分布Fig.13 Local Von Mises stress contour of T-branch pipeline

圖14　最大應(yīng)力值隨三通管壁厚的變化Fig.14　Maximum stress with different thickness of T-branch pipeline

2.4　類型4配管

儲罐配管安裝溫度為20℃，工作溫度為35℃，進出油主管道無分支管道，直接向外大范圍延伸，設(shè)置為無約束，有限元模型的網(wǎng)格總數(shù)量為84 406個。圖15和圖16為該配管的Von Mises應(yīng)力云圖，主管道與儲罐相接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大Von Mises等效應(yīng)力值為0.04 MPa，遠小于20#鋼許用位移應(yīng)力205.5 MPa，配管處于安全運行工況。類型4配管結(jié)構(gòu)簡單，工作溫度低，延伸端熱位移幾乎不受約束，因此，最大應(yīng)力值遠小于其他類型配管。

圖15　類型4配管Von Mises應(yīng)力分布Fig. 15　Von Mises stress contour of type 4 pipeline

圖16　類型4配管局部Von Mises應(yīng)力分布Fig.16　Local Von Mises stress contour of type 4 pipeline

3　安全措施

為保證非柔性連接石油化工儲罐的配管安全運行，根據(jù)計算分析結(jié)果，提出以下安全措施：

1)降低配管工作溫度與安裝溫度之間的溫差。二者溫差越低，配管產(chǎn)生的熱應(yīng)力越低，最大熱應(yīng)力值越小，由圖4可知，可以在工藝條件允許的情況下降低配管工作溫度，減弱配管由于溫差效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力集中。

2)采取補償措施?，F(xiàn)技術(shù)手段難以降低配管一次應(yīng)力，可根據(jù)實際工況合理選擇補償措施降低配管二次應(yīng)力，如π形補償器、波紋補償器、補強圈等。有以下幾種方法：一是通過增加補償器的數(shù)量來改善配管柔性；二是在工程允許范圍內(nèi)增大π形補償器彎頭尺寸或縱向尺寸，根據(jù)圖6及圖7，π形補償器尺寸越大，吸收管路變形能力越強；三是考慮到吸收π形管兩側(cè)管路變形及便于管路支架設(shè)置，盡量將π形管設(shè)置在管路中間位置[16]。

3)避免配管受到工藝不允許的約束。堅持隱患排查及評估[17]，配管若受到未達到標準規(guī)范要求的約束，則必須按標準進行整改。

4)工藝允許情況下使用壁厚較大的三通管。由圖11及圖13可知，三通管交接相貫線區(qū)域存在較高的應(yīng)力集中，易發(fā)生失效破裂事故，通過以下2種方法減小三通管應(yīng)力：一是在保證配管重量不超過工藝要求的前提下增大三通管壁厚；二是保證配管相連接處焊縫質(zhì)量，采用加強焊縫結(jié)構(gòu)。

4　結(jié)論

1)ANSYS模擬結(jié)果表明，溫差效應(yīng)對石化儲罐配管熱應(yīng)力影響顯著，隨內(nèi)外溫差的增加，配管應(yīng)力集中的區(qū)域增大，最大熱應(yīng)力值增大；補償措施能夠改善配管的柔性，降低配管應(yīng)力；約束載荷限制配管熱膨脹從而增大配管應(yīng)力；三通管是多根配管接合的區(qū)域，這種復(fù)雜管道交匯處會形成明顯應(yīng)力集中。

2)實例分析結(jié)果表明，部分依照舊規(guī)范設(shè)計的非柔性連接儲罐配管仍存在安全隱患。建議對依照舊規(guī)范設(shè)計的非柔性連接儲罐配管開展溫差應(yīng)力分析，以保證配管的安全運行。

3)雖然某些儲罐配管未采用柔性連接方式，不能達到新規(guī)范的要求，但經(jīng)數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)部分配管在溫差作用下仍處于安全運行狀態(tài)，考慮到安全投資損益比，不必更換為柔性連接；對于不符合新規(guī)范且不滿足安全要求的非柔性連接儲罐配管，提出了適用石油化工廠區(qū)的安全措施，避免采用非柔性連接的配管因發(fā)生應(yīng)力集中造成破漏，以期在保證安全的前提下，減少罐區(qū)管道整改所需的大量工程投資。

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