架空蒸汽管道系統(tǒng)應(yīng)力分析研究

浦 哲 任 彬 石生芳 趙 番 王潔璐 李 瑋

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 （上海 200062）

上海壓力管道智能檢測(cè)工程技術(shù)研究中心 （上海 200062）

蒸汽是工業(yè)生產(chǎn)公用工程中的一種專用介質(zhì)。利用煤、天然氣等化石燃料燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)鍋爐進(jìn)行加熱，通過控制壓力，使水蒸發(fā)得到飽和蒸汽、過熱蒸汽。因此，蒸汽管道一般均承受壓力和溫度的影響。蒸汽管道由于長(zhǎng)期運(yùn)行容易產(chǎn)生受熱膨脹和支吊架失穩(wěn)：蒸汽管托產(chǎn)生熱位移造成支架脫空,引起整個(gè)系統(tǒng)受力的變化，造成局部應(yīng)力過大，產(chǎn)生破壞；而高溫蒸汽管道使用的材料一般為合金鋼，運(yùn)行時(shí)的高溫容易使其產(chǎn)生蠕變、內(nèi)部球化、石墨化等材料劣化現(xiàn)象，造成疲勞破壞。

近些年，蒸汽管道事故嚴(yán)重威脅人民的財(cái)產(chǎn)和生命安全。2016年8月11日，湖北省當(dāng)陽(yáng)市馬店矸石發(fā)電有限責(zé)任公司高壓蒸汽管道發(fā)生爆管事故，導(dǎo)致22人死亡、4人受傷，屬重大安全事故[1]。2017年12月23日13時(shí)45分左右，位于嘉興市南湖區(qū)新豐鎮(zhèn)的嘉興市富欣熱電有限公司的蒸汽管道旁通蒸汽回收支管發(fā)生爆裂事故，造成6人死亡、3人重傷[2]。蒸汽管道爆炸會(huì)產(chǎn)生巨大的物理沖擊波，還有高溫燙傷的風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，蒸汽管道爆炸的危害性極大。因而，對(duì)蒸汽管道進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析具有極其重要的意義：對(duì)管道系統(tǒng)的整體應(yīng)力狀況進(jìn)行分析[3]，確定出應(yīng)力載荷較大的危險(xiǎn)點(diǎn)，有助于檢驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂等缺陷，保障不停輸全面檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 工程概況

某化工廠蒸汽管道通過氣化裝置余熱鍋爐送出，沿全場(chǎng)管廊送至脫硫裝置、空分裝置、罐區(qū)等裝置?？偣芾葹?.5，7.5及10.0 m三層，蒸汽管道布置在頂層，二層為電氣、儀表橋架以及檢修通道；管道多處采用“π”型自然補(bǔ)償器、經(jīng)過馬路時(shí)的管道升高“n”型補(bǔ)償器以及改變走向的“Z”型補(bǔ)償器。蒸汽管道的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所述。

表1 蒸汽管道設(shè)計(jì)參數(shù)

2 簡(jiǎn)易判別方式

蒸汽管道受熱產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力將對(duì)管線及設(shè)備產(chǎn)生重要的破壞，GB 50316—2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（2008年版）9.2.1.1規(guī)定：管道的設(shè)計(jì)溫度小于或等于-50℃或者大于或等于100℃，均為柔性計(jì)算的范圍。柔性設(shè)計(jì)的目的[4]是保證管道在設(shè)計(jì)條件下具有足夠的柔性，防止管道因膨脹、冷縮、端點(diǎn)附加位移、管道支撐設(shè)置不當(dāng)?shù)仍虺霈F(xiàn)問題。增加管道柔性的方法有：

（1）選用專用補(bǔ)償器，如波紋補(bǔ)償器、旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器等。專用補(bǔ)償器制造較為復(fù)雜，造價(jià)高，一般采用法蘭與管道進(jìn)行連接，存在一定的壽命；補(bǔ)償器均需要根據(jù)工況定制，當(dāng)管道內(nèi)工況發(fā)生波動(dòng)或者補(bǔ)償器出現(xiàn)質(zhì)量問題，容易出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的泄漏。（2）選用自然補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。自然補(bǔ)償器可以采用管道具體走向呈現(xiàn)多種圖形，如“L”、“Z”、“π”等平面結(jié)構(gòu)，也可以是基于空間結(jié)構(gòu)的自然補(bǔ)償器[5]。自然補(bǔ)償器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、投資少等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)管道如圖1所示。

圖1 蒸汽管道布置圖

本項(xiàng)目中的蒸汽管道采用自然補(bǔ)償器，蒸汽管道以固定點(diǎn)為分割點(diǎn)，將兩個(gè)固定架之間的管道看作一個(gè)獨(dú)立的管系進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)每段管系計(jì)算合格后，再進(jìn)行整個(gè)管系的合成。據(jù)此可以將管系分成4段，每段兩端均為固定支架。分割好的幾個(gè)獨(dú)立管線如表2所示。

表2 管系分割情況一覽表

如果管道內(nèi)介質(zhì)滿足非極度危害或者高度危害，且滿足同一管道規(guī)格、無分支管、兩端固定的條件下，可以采用SHT 3041—2016《石油化工管道柔性設(shè)計(jì)規(guī)范》經(jīng)驗(yàn)判別式，即管道熱應(yīng)力在許可范圍內(nèi)，管道不會(huì)因熱應(yīng)力而造成破壞，可以不進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，也就是說，管道可以通過自身補(bǔ)償來滿足熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，不需要額外設(shè)置補(bǔ)償器。公式（1）～公式（5）如下：

式中：Δx為管道沿坐標(biāo)軸x方向的線位移全補(bǔ)償值，mm；Δy為管道沿坐標(biāo)軸y方向的線位移全補(bǔ)償值，mm；Δz為管道沿坐標(biāo)軸z方向的線位移全補(bǔ)償值，mm；α為管道材料在安裝溫度與計(jì)算溫度間的平均線膨脹系數(shù)；T2為管道設(shè)計(jì)溫度，℃；T1為管道安裝溫度，℃；Lx為兩固定點(diǎn)之間x軸方向坐標(biāo)差值，mm；Ly為兩固定點(diǎn)之間y軸方向坐標(biāo)差值，mm；Lz為兩固定點(diǎn)之間z軸方向坐標(biāo)差值，mm；D為管道外徑，mm；y為由管道系統(tǒng)吸收的全部位移應(yīng)變的總和，mm；L為管道固定點(diǎn)間的展開長(zhǎng)度，m；U為固定點(diǎn)間的距離，m。所有值均滿足該判別式，所以該管系柔性合適，通過自然補(bǔ)償即可，無需采用專用補(bǔ)償器。

這種簡(jiǎn)單的判別方式對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)快速判斷管道二次應(yīng)力是否超標(biāo)具有重要的實(shí)際意義，相較于軟件計(jì)算，可以大大節(jié)省建立模型的時(shí)間，但是該方法不能作為判斷一次應(yīng)力是否超標(biāo)的條件，也無法計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移量。

3 應(yīng)力分析

CAESARⅡ軟件是美國(guó)COADE公司研制開發(fā)的專業(yè)管道應(yīng)力分析軟件，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力等領(lǐng)域。CAESARⅡ是以梁?jiǎn)卧Ｐ蜑榛A(chǔ)把管道模擬為剛性桿的有限元分析軟件，它可以按照ASME B31-2016系列進(jìn)行應(yīng)力校核。利用CAESARⅡ軟件進(jìn)行分析的主要內(nèi)容包括:數(shù)據(jù)輸入、設(shè)定邊界條件、設(shè)定工況、模型檢查、分析計(jì)算、問題處理等環(huán)節(jié)。

一般來說，蒸汽管道的工況包含了設(shè)計(jì)、安裝、試壓、運(yùn)行等，每種工況的壓力、溫度等均有差別。軟件工況中各字母符號(hào)含義如下：T1為操作溫度，℃；T2為設(shè)計(jì)溫度，℃；P1為設(shè)計(jì)壓力；W為管道及介質(zhì)質(zhì)量；WW為沖水質(zhì)量；HP為水壓試驗(yàn)壓力。為了校驗(yàn)管道應(yīng)力情況，按照表3進(jìn)行了工況選定。

表3 工況選取一欄表

根據(jù)表3對(duì)各種工況進(jìn)行劃分，計(jì)算所有工況的應(yīng)力值。L4，L5工況下的最大一次應(yīng)力均在節(jié)點(diǎn)1190#處，其中綜合應(yīng)力所占許用應(yīng)力比例分別為57.3%，54.7%；L6，L7工況下的最大二次應(yīng)力均在節(jié)點(diǎn)510#處，綜合應(yīng)力所占許用應(yīng)力比例分別為25.4%，20.0%。1190#以及510#節(jié)點(diǎn)均為90°彎頭，因此彎頭是二次應(yīng)力分析的關(guān)鍵點(diǎn)。綜上所述，一次、二次應(yīng)力校驗(yàn)合格，滿足ASME B31.3-2016的要求。通過軟件計(jì)算所得各工況最大應(yīng)力所在節(jié)點(diǎn)位置以及所占需用應(yīng)力的百分比如表4所示。

表4 各工況最大應(yīng)力一覽表

同時(shí)計(jì)算L2及L3兩種工況下各節(jié)點(diǎn)x軸、z軸的位移量，其中位移方向與坐標(biāo)軸方向一致時(shí)為“+”，位移方向與坐標(biāo)軸方向相反時(shí)為“-”。L2工況下，x軸方向最大位移在節(jié)點(diǎn)510#處，最大位移量為+112.30 mm；z軸方向最大位移在節(jié)點(diǎn)495#處，最大位移量為-91.57 mm。L3工況下，x軸方向最大位移量亦發(fā)生在節(jié)點(diǎn)510#處，最大位移量為+139.30 mm；z軸方向最大位移亦在節(jié)點(diǎn)495#處，最大位移量為-114.01 mm。將L3工況管道x，z向的位移量進(jìn)行整理，如圖2所示。

圖2 L3工況下各節(jié)點(diǎn)的位移量

4 檢驗(yàn)方案的定制

壓力管道常見的損傷形式主要包括壁厚減薄、表面開裂、內(nèi)部開裂、微觀組織變化、內(nèi)部微裂紋、材質(zhì)脆化、幾何形狀變化等。常用的檢驗(yàn)檢測(cè)方法主要有宏觀檢查、超聲波測(cè)厚、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、射線探傷、渦流檢測(cè)、金相檢查、硬度測(cè)試等。應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破壞的必要條件，因此，可根據(jù)應(yīng)力分析評(píng)估結(jié)果，有針對(duì)性地制定管道檢驗(yàn)策略，避免盲目性。

以一次應(yīng)力、二次應(yīng)力較高的部位作為重點(diǎn)，對(duì)應(yīng)力較高部位的焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)、壁厚測(cè)定等。由于材料在高溫情況下發(fā)生蠕變，容易使材料發(fā)生退化。因此對(duì)于工作溫度大于370℃的碳素鋼和鐵素體不銹鋼管道，或者工作溫度大于450℃的鉬鋼和鉻鉬鋼管道，需要對(duì)金相和硬度進(jìn)行抽查檢驗(yàn)。

針對(duì)位移量較大的部位，重點(diǎn)進(jìn)行宏觀檢測(cè)，觀察管道支架是否出現(xiàn)卡澀、傾斜、大范圍移位甚至滑落管廊的情況，是否出現(xiàn)支架與管廊脫空現(xiàn)象，以及管道是否由于x軸方向位移過大，導(dǎo)致與管廊周邊管道發(fā)生擠壓、膨脹等情況。

對(duì)于宏觀檢查中發(fā)現(xiàn)的保溫層破壞情況 （在保溫材料和基體金屬間局部區(qū)域形成腐蝕環(huán)境，導(dǎo)致保溫層下腐蝕的發(fā)生），可以通過測(cè)厚方式來檢查腐蝕程度，對(duì)管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)管道腐蝕剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)于保溫層、油漆或涂層完好的情況，在工藝條件允許的前提下，使管道外表面溫度盡可能避開層下腐蝕敏感溫度區(qū)間，定期做好目視檢測(cè)及腐蝕部位的壁厚測(cè)定。

5 結(jié)語(yǔ)

利用CAESARⅡ軟件來計(jì)算一次應(yīng)力以及二次應(yīng)力、管道位移情況，該蒸汽管道的計(jì)算結(jié)果符合ASME B31.3-2016的要求。計(jì)算結(jié)果中一次應(yīng)力以及二次應(yīng)力均位于彎頭等管件處。相關(guān)文獻(xiàn)[6]均認(rèn)為彎頭管件等處是薄弱環(huán)節(jié)，因此，對(duì)于該類管件應(yīng)加強(qiáng)日常監(jiān)督管理。

蒸汽管道是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一種壓力管道，但是隨著近幾年蒸汽事故的多發(fā)，蒸汽管道的安全性越來越受到人們的重視。本文介紹了一種簡(jiǎn)單判斷管道柔性的經(jīng)驗(yàn)判別式，該方法計(jì)算量小，可以借助Excel等軟件簡(jiǎn)單處理，適合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)管道的初步判斷，但是需要注意該方法的適用條件。利用CAESAR II軟件建模后可以對(duì)整個(gè)管系進(jìn)行較精準(zhǔn)的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道中存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患，并有針對(duì)性地制定檢驗(yàn)方法，克服隨機(jī)抽查的弊端，對(duì)壓力管道檢驗(yàn)具有重要的意義。同時(shí)，該方法為TSG D7005—2018中2.4.2.7規(guī)定的必須進(jìn)行應(yīng)力分析的幾種情況提供了一種可靠的實(shí)施方法，希望其能夠?yàn)楣艿蓝ㄆ跈z驗(yàn)提供一些借鑒意義。