三類壓力管道組成件強(qiáng)度計算分析

(武漢江漢化工設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430223)

當(dāng)運(yùn)用強(qiáng)度理論對壓力管道進(jìn)行壁厚計算時，首先對不同的管道進(jìn)行分類，然后運(yùn)用相應(yīng)的強(qiáng)度理論分析計算相應(yīng)的管道，再結(jié)合項目使用年限、環(huán)境工況、偏差規(guī)定等，確定合理有效的管道壁厚值。

1 三類管道的定義及適用的強(qiáng)度理論

1.1 普通薄壁管道

管道模型可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒兩種，兩者的劃分一般以K=D0/Di=1.2為界(其中，D0、Di分別為管道外徑和內(nèi)徑)，當(dāng)K≤1.2時為薄壁圓筒，當(dāng)K>1.2時為厚壁圓筒。

計算壁厚若僅考慮壓力的作用，沒有考慮管道的布置形式和操作運(yùn)行條件造成的強(qiáng)度減弱因素，力學(xué)上的簡化模型不同，所得到的計算公式也不相同。在壓力作用下管道組成件的強(qiáng)度設(shè)計中，所采用的強(qiáng)度理論是最大剪應(yīng)力理論，也就是通常所說的第三強(qiáng)度理論。

最大剪應(yīng)力理論的強(qiáng)度條件為：σ1-σ3≤[σ]t；

其中：σ1為第一主應(yīng)力，σ3為第三主應(yīng)力，[σ]t為許用應(yīng)力。

1.2 高壓管道

根據(jù)ASME B31.3的規(guī)定，當(dāng)公稱壓力高于ASME B16.5規(guī)定的壓力要求，也就是PN420(CLASS2500，42MPa)時，其屬于高壓管道的范疇。對于高壓管道，由于管道壁厚較大，薄壁模型已不適用。

對于高壓管道，在確定其失效條件時，就不能像非高壓管道那樣，認(rèn)為只要管道中有一點達(dá)到屈服，整個管道即失效。高壓管道的壁厚較大，在確定壁厚時必須考慮管道的極限承載能力，只有當(dāng)荷載增大到使整個截面完全屈服，管道才會失去進(jìn)一步承載能力，否則將造成很大的浪費。

根據(jù)塑性極限分析理論得出，在塑性區(qū)內(nèi)，內(nèi)壓圓筒的徑向應(yīng)力σr和環(huán)向應(yīng)力σθ須滿足下列屈服條件：σr-σθ=σs

其中，σs為屈服應(yīng)力。

1.3 火力發(fā)電廠汽水管道

火力發(fā)電廠汽水管道是指火力發(fā)電廠范圍內(nèi)的汽水金屬管道，不包括給排水管道、消防水管道和直接空冷機(jī)組大口徑薄壁排汽管道。

汽水管道同樣采用第三強(qiáng)度理論來進(jìn)行強(qiáng)度計算。第三強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件為：σ1-σ3≤[σ]t

其中：σ1為第一主應(yīng)力，σ3為第三主應(yīng)力，[σ]t為許用應(yīng)力。

2 強(qiáng)度計算方法

不同的管道類型對應(yīng)不同的強(qiáng)度理論，不同的強(qiáng)度理論對應(yīng)不同的強(qiáng)度計算方法。每種強(qiáng)度理論都以一定的模型為基礎(chǔ)，并作出相應(yīng)的假設(shè)條件，在滿足假定條件下得出計算結(jié)果，再以計算結(jié)果進(jìn)行反向驗證，以此來確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1 內(nèi)壓薄壁管道的應(yīng)力分布及強(qiáng)度計算

2.1.1薄壁圓筒的簡化模型

薄壁圓筒的簡化應(yīng)力分布模型見圖1。

圖1 薄壁圓筒的簡化應(yīng)力分布模型

內(nèi)壓作用下的模型，其應(yīng)力分布主要為徑向應(yīng)力σr、環(huán)向應(yīng)力σθ和軸向應(yīng)力σL，由此模型提出以下假設(shè)：①對于薄壁管，假設(shè)應(yīng)力沿壁厚方向均勻分布；②徑向應(yīng)力相比其他應(yīng)力較小，忽略不計，即σr=0。

根據(jù)以上假設(shè)條件，由材料力學(xué)中的薄壁圓筒應(yīng)力計算公式，可得出內(nèi)壓薄壁圓筒的壁厚。計算公式為：

而對于壓力管道，需要考慮溫度影響系數(shù)Y，對上式修正后得到內(nèi)壓管道的壁厚計算公式為：

適用條件：S0

其中：S0為內(nèi)壓直管計算壁厚，mm；P為設(shè)計壓力，MPa；D0為管道外徑，mm；[σ]t為管道在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa；Ej為焊接接頭系數(shù)；Y為溫度影響系數(shù)，其數(shù)值參見表1。

表1 溫度影響系數(shù)

2.1.2管公稱壁厚Sn的選取方法

Sn=S0+C+Sn×A+B

其中，C為總附加裕量，A為壁厚負(fù)偏差，B為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的向上圓整值。

由上式得出：Sn=(S0+C+B)/(1-A)

考慮到B/(1-A)是一個小量，則可令：

Sn=Sx+B

Sx=(S0+C)/(1-A)

計算出Sx后，根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)向上圓整后即可得到公稱壁厚Sn。

2.1.3影響壁厚的因素剖析

由計算公式

2.2 高壓管道的應(yīng)力分布及計算方法

2.2.1高壓管道內(nèi)壓直管設(shè)計壁厚的應(yīng)力分布

高壓管道內(nèi)壓直管設(shè)計壁厚的應(yīng)力分布模型見圖2。

圖2 高壓管道內(nèi)壓直管設(shè)計壁厚的應(yīng)力分布

根據(jù)應(yīng)力分布模型和塑性極限理論分析得出平衡方程：

其中，S0為內(nèi)壓直管設(shè)計壁厚，mm；D0為管道外徑，mm；P為設(shè)計內(nèi)壓力，MPa；

[σ]t為管道在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，按ASME B31.3附錄K選取，MPa；C0為外壁裕量的總和，mm。

(2)對于上述(1)以外的金屬管道，內(nèi)壓直管的設(shè)計壁厚計算為：

各參數(shù)同(1)。

2.2.2高壓管道所需最小壁厚

高壓管道所需最小壁厚：Sm=S0+C

其中，Sm為直管所需最小壁厚，mm；S0為設(shè)計壁厚，mm；C為機(jī)械裕量加腐蝕和沖蝕裕量的總和，mm。

2.3 火力發(fā)電廠汽水管道

(1)對于火力發(fā)電廠汽水管道，其強(qiáng)度設(shè)計按照第三強(qiáng)度理論計算，同時假定K=D0/Di≤1.7，可按外徑進(jìn)行計算，也可按內(nèi)徑進(jìn)行計算，本文以外徑來確定其所需的最小壁厚。

按管道外徑確定的最小壁厚計算如下：

適用條件：D0/Di≤1.7

其中，Sm為內(nèi)壓直管最小壁厚，mm；P為設(shè)計壓力，MPa；D0為管道外徑，mm；[σ]t為管道在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa；φ為許用應(yīng)力的修正系數(shù)(見表3)；w為蠕變條件下縱向焊縫鋼管焊接強(qiáng)度降低系數(shù)(見表4)；Y為修正系數(shù)，其數(shù)值見表5；C為腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度要求的附加厚度，對于一般的蒸汽和水管道，可不計腐蝕和磨損的影響；對于具有兩相流的管道，都應(yīng)計附加厚度，腐蝕和磨損裕度可取2mm；對于設(shè)計溫度≥600℃的主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道，不宜小于1.6mm；對于腐蝕性介質(zhì)管道，按腐蝕特性確定。

表3 許用應(yīng)力修正系數(shù)

注：電阻焊縱縫鋼管管子和管件不允許通過增加無損檢驗提高縱向焊縫系數(shù)。

表4 蠕變條件下縱向焊縫鋼管焊接強(qiáng)度降低系數(shù)

表5 修正系數(shù)

(2)鋼管的壁厚計算如下：

Sc=Sm+C1

C1=m×Sm/(100-m)

其中，Sc為鋼管的計算壁厚，mm；C1為鋼管壁厚負(fù)偏差的附加值，mm；m為厚度允許負(fù)偏差，取百分?jǐn)?shù)，按相應(yīng)鋼管標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定來確定。

(3)對于采用外徑控制的鋼管，選取壁厚宜大于或等于計算壁厚加50%的外徑正偏差值。

然而，在實際項目工程中，對于汽水管道，一般會按照《火力發(fā)電廠汽水管道零件及部件典型設(shè)計(GD2000版)》來設(shè)計壓力、溫度以及材質(zhì)，選取相應(yīng)的壁厚。在這種情況下，壁厚計算就變成了核算，即核算所選取的壁厚是否滿足強(qiáng)度計算的要求。不過，由于規(guī)范化要求，現(xiàn)在的典型設(shè)計手冊在某些行業(yè)已經(jīng)不能作為標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)在設(shè)計文件中。

2.4 工程運(yùn)用中的合理壁厚

在工程運(yùn)用中，要想確定符合工程實際的合理壁厚，除了有準(zhǔn)確的強(qiáng)度計算作為支撐外，還要滿足一些通用的工程規(guī)定以及借鑒以往項目的在線管線運(yùn)行情況、現(xiàn)場安裝焊接方式等。

(1)通過近幾年的項目設(shè)計來看，一般對于小口徑鋼管(DN40及以下)，如果僅依據(jù)壁厚計算來選用壁厚，則壁厚值過小。那么，現(xiàn)場安裝焊接時，焊縫連接處容易出現(xiàn)穿孔的情況，不利于保證焊接質(zhì)量。此時，在設(shè)計中會有一個約定俗成的規(guī)定，即：①碳鋼和低合金鋼管不小于SCH80；②奧氏體不銹鋼管不小于SCH40S。

(2)對于一些腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)，如污水，會根據(jù)其腐蝕性選取較大的腐蝕裕量，如3.0mm或5.0mm，但這樣得出的壁厚不一定準(zhǔn)確，主要是因為污水的成分復(fù)雜，難以得到準(zhǔn)確的年腐蝕速率。這時就需要借鑒以往類似項目的現(xiàn)場運(yùn)行情況的反饋，評估設(shè)計壁厚值在N年后的剩余厚度，然后根據(jù)項目的設(shè)計年限來合理選用一個較準(zhǔn)確的壁厚值，當(dāng)然，前提是這個數(shù)值必須滿足強(qiáng)度計算。

(3)當(dāng)在確定鋼管材質(zhì)時，其材質(zhì)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)會有一個最小壁厚的規(guī)定，比如GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》就規(guī)定了一定外徑下的最小壁厚，分為特薄規(guī)格和普通規(guī)格，在沒有特殊要求下按普通規(guī)格執(zhí)行。

(4)另外，石油化工管道設(shè)計中有要求，鋼管壁厚不得小于D0/150(其中D0為鋼管外徑)。

在眾多項目的壁厚計算中，滿足以上4條規(guī)定所得出的鋼管壁厚即為合理、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的壁厚值。

(5)本文中的強(qiáng)度計算均是針對鋼管直管強(qiáng)度設(shè)計，對于管件如三通、彎頭、異徑管等，是指其管件的端部壁厚，不包含管件本體的強(qiáng)度設(shè)計。嚴(yán)格意義上來講，一條直管管線，任一截面上的壁厚值都應(yīng)是均勻一致的或是在允許的偏差范圍內(nèi)，允許偏差應(yīng)符合相應(yīng)鋼管的標(biāo)準(zhǔn)要求。如果出現(xiàn)外徑的偏差導(dǎo)致鋼管對焊需要打磨鋼管厚度時，打磨后的壁厚需滿足保證相應(yīng)工況下的最小壁厚。

一般而言，鋼管到貨的最小壁厚不應(yīng)小于公稱壁厚減去厚度負(fù)偏差之后的數(shù)值，比如，對于GB/T 8163中的20號鋼，取其厚度負(fù)偏差為12.5%，則實際到貨鋼管厚度值不應(yīng)小于87.5%×S0(S0為鋼管設(shè)計的公稱壁厚)。

3 工程實例

在實際工程中，每一根管道都需要經(jīng)過強(qiáng)度計算來確定鋼管的壁厚，這是設(shè)計安全的基本保障。同時，合理的壁厚也會帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，壁厚過大會造成不必要的成本增加，壁厚過小則難以保證一定壓力下的管道強(qiáng)度。因此，如何運(yùn)用理論計算并結(jié)合實際應(yīng)用選用正確合理的管道壁厚，則顯得尤其重要。

3.1 液氯氣化裝置管道的強(qiáng)度計算

3.1.1用簡潔完整的計算表來計算并核算

設(shè)計條件：由管道數(shù)據(jù)表可得，BHHA1等級管線的設(shè)計溫度/壓力有以下3組：80℃/1.75MPa、60℃/1.90MPa、50℃/1.84MPa，由GB/T 20801.2可知壓力與許用應(yīng)力耦合最苛刻工況(見表6)。

表6 溫度與壓力相耦合最苛刻工況

從表6可以看出，60℃/1.90MPa為最苛刻工況，工況條件及說明如下：裝置名稱為液氯氣化裝置；介質(zhì)為無水液氯；根據(jù)GB 6479—2013，材質(zhì)選Q345E；設(shè)計溫度/壓力為60℃/1.9MPa(g)；C為腐蝕附加量，取1.5mm；tm為設(shè)計厚度；S0為計算厚度；Ej為焊接接頭系數(shù)，取1.0；[σ]t為設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，取163MPa；Y為溫度系數(shù)，取0.4；D0為鋼管外徑；Sn為名義厚度。

壁厚計算公式為：

壁厚計算結(jié)果見表7。

表7 壁厚計算結(jié)果 單位：mm

3.1.2結(jié)果分析

通過上述計算表可得：所有尺寸的壁厚均滿足S0

上表7中，計算壁厚為S0，按照標(biāo)準(zhǔn)圓整及以往項目經(jīng)驗和市場鋼管規(guī)格庫存，確定選取壁厚Sn，同時，對比了鋼管最小壁厚和保證強(qiáng)度所需計算壁厚，得出強(qiáng)度的裕量，即“0.875Sn-tm”，裕量值基本在2～3mm左右，不至于裕量不夠而影響安全，也不至于裕量過大而造成成本增大，滿足設(shè)計安全和工程經(jīng)濟(jì)的要求。

3.2 火力發(fā)電廠高壓蒸汽壁厚校核

3.2.1標(biāo)準(zhǔn)高壓蒸汽介質(zhì)條件

火力發(fā)電廠汽水管道壁厚計算見表8。

表8 火力發(fā)電廠汽水管道壁厚計算

3.2.2結(jié)果分析

(1)由此介質(zhì)工況條件，其適用于DL/T 5054—2016《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計規(guī)范》中的壁厚計算公式，且需滿足適用條件：Do/Di≤1.7。

(2)本工況中，取腐蝕余量為0，計算出最小壁厚Sm和計算壁厚Sc，由最小壁厚計算Do/Di=1.16，滿足Do/Di≤1.7的假定條件，核算通過。

4 結(jié)語

在進(jìn)行薄壁管強(qiáng)度計算時，有兩個假定條件：一個是S0

管道組成件的壁厚計算是涉及管道設(shè)計安全的重要部分，合理的壁厚不僅能減小工程的建設(shè)成本，更與采購和施工息息相關(guān)。同時，合理的壁厚值也對管道的柔性起著至關(guān)重要的作用，過大的壁厚值會造成管線剛度較大而柔性變差，管口受力也會相應(yīng)增大，對設(shè)備管口受力不利。

在鋼管的強(qiáng)度計算中，其適用條件一定要進(jìn)行反算，得出計算壁厚后，要返回去核算是否滿足采用相應(yīng)計算公式所假定的條件，直到得出正確合理，同時，既滿足強(qiáng)度要求又滿足經(jīng)濟(jì)成本要求的鋼管壁厚值。