外壓管道失穩(wěn)校核的工程設(shè)計(jì)探討

張志祥

福陸(中國)工程建設(shè)有限公司 上海 201103

真空管道和夾套管道是石油化工裝置中非常常見的管道類型，而真空管道在設(shè)計(jì)工況外壓下壁厚的計(jì)算和夾套內(nèi)管在設(shè)計(jì)工況及水壓試驗(yàn)下外壓失穩(wěn)的校核計(jì)算，一直是管道強(qiáng)度校核設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)?；跇?biāo)準(zhǔn)的圖算法在應(yīng)對(duì)工況復(fù)雜且管線數(shù)量繁雜時(shí)的低效率和低精度的弊端，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)尋求工具軟件來輔助計(jì)算，同時(shí)國產(chǎn)軟件基于壓力容器GB/T 150校核公式且不具備ASTM/ASME材料數(shù)據(jù)庫和國外軟件基于壓力容器建造規(guī)則 ASME VIII開發(fā)且不具備GB材料數(shù)據(jù)庫的天然特點(diǎn)，也讓設(shè)計(jì)人員很難應(yīng)對(duì)多種材料體系混合使用的項(xiàng)目。筆者針對(duì)SW6、PV DESKTOP(以下簡稱PV)、PCC RED BAG(以下簡稱PCC)及CODEWARE COMPRESS(以下簡稱COMPRESS) 4款國內(nèi)和國外常用管道外壓計(jì)算軟件,結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行比較，深入闡述外壓管道壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算原則和針對(duì)絕大多數(shù)外壓工況的軟件選擇建議。本文旨在為合理設(shè)計(jì)外壓管道壁厚提供新的思路和方案，供工程設(shè)計(jì)人員參考。

1 外壓管道失穩(wěn)校核理論

工業(yè)管道設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)管道外壓失穩(wěn)的校核方法，都是直接引用壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范中外壓圓筒的方法?；诨A(chǔ)的力學(xué)理論，在外壓作用下的圓筒受力后會(huì)在筒壁內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)方向的應(yīng)力(經(jīng)向和環(huán)向)，外壓下圓筒筒體經(jīng)常發(fā)生皺褶或被壓癟，即使其壓縮應(yīng)力還遠(yuǎn)低于筒體材料的屈服極限，筒體往往在短時(shí)間內(nèi)無法保持原來形狀直至失穩(wěn)變形，見圖1。

圖1 外壓筒體失穩(wěn)形態(tài)

外壓失穩(wěn)正是由于這種短時(shí)突發(fā)性而非常難預(yù)判直至發(fā)生安全事故，所以設(shè)計(jì)階段對(duì)于解決失穩(wěn)安全問題就顯得尤為重要。

周向失穩(wěn)和軸向失穩(wěn)是筒體整體失穩(wěn)的兩種形式，失穩(wěn)校核的理論依據(jù)都是壓桿穩(wěn)定的歐拉公式。對(duì)于形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)確定的圓筒而言，其能夠承受的最大外壓已定，稱之為臨界壓力Pcr。筒體穩(wěn)定性校核就是要將設(shè)計(jì)外壓控制在臨界壓力以下，如何計(jì)算得到臨界壓力是校核的關(guān)鍵，而臨界壓力首先要判斷管道適用長圓筒公式(1)還是短圓筒公式(2)[1]。外壓筒體根據(jù)封頭對(duì)筒體的支撐能力不同分為長圓筒和短圓筒，長圓筒是指筒體長度超過臨界長度Lcr，這時(shí)封頭對(duì)長度超出部分的筒體沒有任何支撐作用，而短圓筒的筒體長度在臨界長度以下，封頭對(duì)筒體有持續(xù)的支撐作用。對(duì)外壓管道而言，可以用計(jì)算長度和公式(3)計(jì)算的臨界長度進(jìn)行比較，判定管道屬于長圓筒或短圓筒后，再計(jì)算臨界壓力。公式各符號(hào)定義均按照GB/T 150.3-2011第4章的規(guī)定。

管道失穩(wěn)校核就是使設(shè)計(jì)外壓Pc在臨界壓力Pcr的范圍內(nèi)，工程設(shè)計(jì)上考慮安全系數(shù)m，按公式(4)計(jì)算以使設(shè)計(jì)選用壁厚滿足校核公式要求。當(dāng)然，考慮到經(jīng)濟(jì)性，對(duì)一些大口徑的管道，也可采用設(shè)置反置角鋼加強(qiáng)圈而不直接增加管道壁厚，利用加強(qiáng)圈的間距使長圓筒變?yōu)槎虉A筒，達(dá)到防止管道失穩(wěn)的目的。

GB/T 150.3-2011 4.3節(jié)按Do/δe ≥20、Do/δe <20和ASME VIII-1 UG-28按 Do/t ≥10、Do/t <10所使用的圖算法，其理論基礎(chǔ)也是上述外壓校核方法和公式，本質(zhì)完全相同但安全系數(shù)在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中是不同的，工程設(shè)計(jì)中往往很容易忽視兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的這一差異，張冠李戴而導(dǎo)致校核結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，這一點(diǎn)后面會(huì)有詳細(xì)說明。

(1)

(2)

(3)

(4)

2 真空管道壁厚設(shè)計(jì)

真空管道在石油化工裝置中應(yīng)用廣泛，如為了降低精餾溫度而采用全真空的精餾塔及管線，某煉油廠常減壓裝置減壓蒸餾系統(tǒng)的抽真空管道直接影響整個(gè)裝置的總拔出率[2]。真空管道應(yīng)注意區(qū)分操作真空和單純的設(shè)計(jì)真空，某些管道操作時(shí)并沒有真空，而是工藝設(shè)計(jì)為保障安全以避免偶然真空工況出現(xiàn)而考慮，例如蒸汽吹掃等工況，管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性，尤其是對(duì)大口徑管道切不可盲目增加管道壁厚或設(shè)置加強(qiáng)圈，而應(yīng)與工藝設(shè)計(jì)人員溝通確認(rèn)后，選擇合理工況校核。

2.1 GB材料計(jì)算

對(duì)于GB材料可以采用SW6軟件進(jìn)行計(jì)算，某聚碳酸酯裝置工藝管線P-10001-DN200，設(shè)計(jì)壓力/設(shè)計(jì)溫度為20.8MPa(G)/370℃，管道材質(zhì)為GB/T 14976-022Cr17Ni12Mo2，外壓全真空設(shè)計(jì)。管道按內(nèi)壓設(shè)計(jì)壁厚為28mm，通過SW6-2011校核外壓結(jié)果見表1和圖2，由于許用外壓力遠(yuǎn)大于全真空，校核通過。

SW6軟件在國內(nèi)設(shè)計(jì)院使用非常普遍，軟件易于上手，同時(shí)可以輔助進(jìn)行加強(qiáng)圈計(jì)算和角鋼選型，是GB材料外壓校核的首選。

表1 SW6真空校核實(shí)例

圖2 SW6軟件真空校核實(shí)例界面

2.2 ASTM材料計(jì)算

某氫氰酸裝置中，吸收塔進(jìn)料管線為P-10002-DN900，設(shè)計(jì)壓力/設(shè)計(jì)溫度為0.3MPa(G)/260℃，管道材質(zhì)為20#合金(ASTM UNS N08020)，外壓全真空設(shè)計(jì)，按照腐蝕裕量為0mm，負(fù)偏差12.5%，焊縫系數(shù)0.9和名義壁厚10mm進(jìn)行外壓校核。由于SW6內(nèi)置材料庫沒有ASME/ASTM材料，因此筆者首先采用PCC軟件進(jìn)行了校核,見圖3。

圖3 PCC軟件真空校核實(shí)例

PCC軟件給出臨界長度為3496mm，遠(yuǎn)小于計(jì)算長度20000mm，校核未通過。筆者采用手動(dòng)查表計(jì)算方式進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于根據(jù)ASME II-D 材料性能篇表NFN-12查得A值小于標(biāo)準(zhǔn)圖算曲線的最小值，這時(shí)無法直接查曲線得到B值，而需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給出的B-A關(guān)系式計(jì)算得到B值，PCC軟件給出的B值比公式計(jì)算偏小(軟件線性模擬出錯(cuò))，直接導(dǎo)致許用外壓過小，校核自然就通不過。為了驗(yàn)證這一判斷，筆者采用PV和COMPRESS軟件分別進(jìn)行了驗(yàn)證，見圖4和圖5。

圖4 PV軟件真空校核實(shí)例界面

圖5 COMPRESS軟件真空校核實(shí)例界面

同樣的壁厚下，外壓校核通過。COMPRESS軟件不僅可以按名義壁厚計(jì)算出對(duì)應(yīng)的許用外壓(10mm名義壁厚對(duì)應(yīng)0.123MPa許用外壓)，還可以自動(dòng)給出當(dāng)前條件下所需的最小壁厚，如實(shí)例中筆者初次采用名義壁厚10mm校核外壓，軟件計(jì)算給出最小名義壁厚8.12mm即可滿足全真空。

值得注意的是，計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，同樣條件下，當(dāng)A值處于標(biāo)準(zhǔn)圖算曲線范圍且可以直接按曲線查得B值時(shí)，PV和COMPRESS雖然都通過了校核，但給出的許用外壓卻不相同，深入對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，兩款軟件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是不同的，PV的校核公式是基于GB/T 150而COMPRESS是基于ASME VIII-1。造成這一差別的原因是材料的B-A關(guān)系計(jì)算圖在1974年版本以前就確定了，當(dāng)時(shí)采用的安全系數(shù)是4，在此后版本中ASME將安全系數(shù)修正到3，而材料線算圖仍采用以前版本，這就需要在校核公式中進(jìn)行系數(shù)調(diào)整以糾錯(cuò)修正。GB/T150直接采用安全系數(shù)為3的B-A線算圖，所以造成了GB/T 150的B值要比ASME大，其關(guān)系見公式(5)[3]。

(5)

每個(gè)規(guī)范的B-A線算圖都與其校核公式配套，如果采用ASME查到的B值去套用GB/T 150的公式，必然得到偏小的許用外壓。

3 夾套管道壁厚設(shè)計(jì)

夾套管道在石化項(xiàng)目中主要用于管道伴熱，如低密度聚乙烯火炬氣排放管道為防止乙烯泄放產(chǎn)生低溫而采用的焊縫外露型夾套[4]，聚甲醛項(xiàng)目中對(duì)高凝固點(diǎn)的三聚甲醛管道采用夾套伴熱系統(tǒng)[5]，氫氰酸裝置為了防止氫氰酸聚合常采用冷凍鹽水夾套，丁二烯法甲基丙烯酸甲酯反應(yīng)器出口管線采用熱熔鹽夾套伴熱。同時(shí)針對(duì)一些危險(xiǎn)介質(zhì)如光氣，會(huì)采用雙壁夾套管來提高安全性，此外在深冷空分裝置的低溫管道中，真空夾套管大量用于流體輸送以保證良好的絕熱[6]。

夾套管與真空管道相比，在外壓校核中更為復(fù)雜，選擇合理合規(guī)的外壓校核工況顯得尤為重要，其中內(nèi)管的設(shè)計(jì)工況和水壓試驗(yàn)工況是必須考慮的。設(shè)計(jì)工況指設(shè)計(jì)過程中可能出現(xiàn)的最不利情況，即在設(shè)計(jì)溫度下，內(nèi)管壓力為零且夾套套管壓力為設(shè)計(jì)壓力時(shí)，內(nèi)管要承受等同于套管設(shè)計(jì)壓力的外壓，其值遠(yuǎn)大于全真空；水壓試驗(yàn)工況在工程設(shè)計(jì)中常被設(shè)計(jì)人員忽視，導(dǎo)致夾套管在現(xiàn)場水壓試驗(yàn)過程中失穩(wěn)破壞的案例時(shí)有發(fā)生。GB 50316 第11.5.4.3條規(guī)定設(shè)計(jì)人員要校核內(nèi)管在外壓試驗(yàn)壓力下的穩(wěn)定性，這就明確要求在內(nèi)管沒有充水保壓的情況下，設(shè)計(jì)要考慮套管水壓試驗(yàn)壓力下內(nèi)管的外壓校核是否能通過，如不能通過，應(yīng)適當(dāng)提高內(nèi)管壁厚，當(dāng)提高壁厚不經(jīng)濟(jì)時(shí)，必須要求對(duì)內(nèi)管進(jìn)行充水保壓，保壓壓力按計(jì)算結(jié)果確定。

某聚碳酸酯裝置反應(yīng)氣采用熱油夾套管，內(nèi)管為DN500，904L(UNS N08904)材料，設(shè)計(jì)條件0.2MPa(G)/FV/340℃；套管為DN600，A312 TP304L材料，設(shè)計(jì)條件0.6MPa(G)/FV/340℃，采用PV校核外壓結(jié)果見表2。

設(shè)計(jì)工況下要注意將套管的FV加到其設(shè)計(jì)壓力后作為內(nèi)管的計(jì)算外壓，為-0.7MPa(G)；在內(nèi)壓和設(shè)計(jì)工況外壓校核通過并選擇名義壁厚12.7mm后，對(duì)套管水壓試驗(yàn)下內(nèi)管的外壓穩(wěn)定性進(jìn)行校核，需要注意管道的水壓試驗(yàn)壓力是按1.5

表2 夾套外壓校核實(shí)例

倍的設(shè)計(jì)壓力與溫度系數(shù)乘積計(jì)算(壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第5部分：檢驗(yàn)與試驗(yàn)GB/T 20801.5 第9.1.3和ASME B31.3 第345.4.2之規(guī)定)，而計(jì)算軟件往往按壓力容器規(guī)范1.3倍(ASME VIII-1 UG-99之規(guī)定)或1.25倍(GB/T 150.1 第4.6.2之規(guī)定)取值，會(huì)造成水壓試驗(yàn)壓力變小而校核通過的誤判。此實(shí)例中套管按照1.5倍設(shè)計(jì)壓力與溫度換算得到的水壓試驗(yàn)為1.0925MPa(G)，套管的水壓試驗(yàn)壓力對(duì)內(nèi)管而言，相當(dāng)于承受相同壓力大小的外壓，通過軟件計(jì)算得到的內(nèi)管許用外壓為1.947MPa(G)，大于1.0925MPa(G)的外壓，因此校核通過，說明內(nèi)管在外壓進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)不會(huì)因?yàn)橥鈮菏Х€(wěn)而破壞。選擇12.7mm壁厚可以同時(shí)滿足設(shè)計(jì)和水壓試驗(yàn)兩種工況。

在軟件的使用上，同樣可以按真空管道的軟件選用原則，SW6優(yōu)先使用于GB材料，PV和COMPRESS推薦使用于ASME/ASTM材料。

4 軟件對(duì)比及選用總結(jié)

結(jié)合上述工程實(shí)例，可以看出，在借助軟件進(jìn)行外壓校核計(jì)算時(shí)，不同軟件有不同的特點(diǎn)和使用范圍，廣大工程設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)表3來參考判定，選擇適合自己公司及項(xiàng)目特點(diǎn)的軟件，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

表3 軟件對(duì)比及使用推薦

目前管道計(jì)算并沒有強(qiáng)制要求類似壓力容器的計(jì)算報(bào)告，但筆者建議管道設(shè)計(jì)人員對(duì)外壓計(jì)算報(bào)告應(yīng)做好存檔工作，以備日后復(fù)查。

5 結(jié)語

外壓管道設(shè)計(jì)作為管道設(shè)計(jì)中一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，在真空管道和夾套管道設(shè)計(jì)中顯得異常重要，因?yàn)橥鈮盒：酥苯雨P(guān)系到管道的安全運(yùn)行和投資成本。本文從外壓校核理論原型和工程實(shí)例兩個(gè)方面，總結(jié)了外壓管道校核計(jì)算的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對(duì)4款常用軟件進(jìn)行對(duì)比總結(jié)，供工程設(shè)計(jì)人員參考;同時(shí),提醒設(shè)計(jì)人員不要盲目采用軟件計(jì)算結(jié)果，而要在理解消化理論知識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上使用軟件進(jìn)行輔助計(jì)算，這樣也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)軟件的漏洞，不斷完善工程設(shè)計(jì)理論和技術(shù)手段。