大直徑管道的薄壁化設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析方法

彭立國 宋 堯

中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

隨著石油化工類等項(xiàng)目的裝置向大型化趨勢發(fā)展，大直徑管道在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用越來越廣泛，其在工程項(xiàng)目投資中的占比也越來越大。在工程設(shè)計(jì)中，將大直徑管道的設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)大直徑管道的薄壁化設(shè)計(jì)，將節(jié)省項(xiàng)目投資。且將大直徑管道進(jìn)行薄壁化設(shè)計(jì)后，會大幅降低管道重量，減小與管道相連容器設(shè)備的管口載荷，同時(shí)也減小作用在土建結(jié)構(gòu)框架上的荷載，從而節(jié)省管道材料、容器設(shè)備及土建費(fèi)用，達(dá)到大幅節(jié)省項(xiàng)目投資的目的。

在已成功穩(wěn)定運(yùn)行兩年的某項(xiàng)目中，有大量大直徑不銹鋼管道，其中一管系參數(shù)如下：主管公稱直徑DN=100″(DN=2500 mm)，支管公稱直徑DN=52″(DN=1300 mm)；介質(zhì)壓力具有正壓和負(fù)壓兩種設(shè)計(jì)工況：設(shè)計(jì)正壓P1=0.35 MPa，全真空負(fù)壓P2=-0.1 MPa；溫度T=200℃，保溫厚度均為100 mm；該管系主管自高80余米的塔頂部出口沿塔壁降至布置于20余米的鋼結(jié)構(gòu)框架頂部，4根支管分別接至4個換熱器入口(參見圖1)。

1 大直徑管道的壁厚計(jì)算

在對該大直徑管道進(jìn)行壁厚計(jì)算時(shí)，需要將溫度、正壓工況、負(fù)壓(全真空)工況進(jìn)行組合分析，最后再確定一個滿足所有工況的壁厚設(shè)計(jì)值。

1.1 常規(guī)設(shè)計(jì)壁厚計(jì)算

采用常規(guī)設(shè)計(jì)壁厚計(jì)算方法，滿足所有工況組合的主管管道壁厚設(shè)計(jì)值為28 mm。

1.2 采用外部加強(qiáng)圈的薄壁化設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)壓力容器規(guī)范GB150.3-2011第4章的規(guī)定，使用SW6-2011軟件計(jì)算得到管道的名義厚度、加強(qiáng)圈型鋼規(guī)格和間隔距離。

采用外部加強(qiáng)圈的薄壁化設(shè)計(jì)方法，滿足所有工況的主管管道壁厚設(shè)計(jì)值為14 mm，加強(qiáng)圈為扁鋼“—120×14”，間距5 m。

由1.1和1.2的壁厚結(jié)果對比可知，采用外部加強(qiáng)圈的薄壁化設(shè)計(jì)后，管道主管壁厚設(shè)計(jì)值減少了14 mm，壁厚減薄率高達(dá)50%，直接大幅節(jié)省管道材料投資。

2 大直徑管道的應(yīng)力分析方法及步驟

大直徑管道(DN>1000 mm)，大部分情況下都具有外徑與壁厚比值D/t>100的特點(diǎn)，而在ASME B31.1和B31.3等管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)SIF僅適用于D/t≤100的范圍內(nèi)，因此大直徑管道的真實(shí)應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)SIF與ASME B31.1和B31.3等管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)SIF差別較大，即對大直徑管道進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，如果使用ASME B31.1或B31.3等管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中給出的應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)SIF，則會使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大，而非保守的計(jì)算結(jié)果可能會導(dǎo)致安全誤判，從而造成安全隱患。

大直徑管道既有壓力管道的特征，又具有壓力容器的特點(diǎn)[1]，因此對大直徑管道進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，既要對其進(jìn)行整體強(qiáng)度分析和穩(wěn)定性分析，又要對其進(jìn)行詳細(xì)的局部應(yīng)力分析，并分別應(yīng)用壓力管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行校核。

2.1 壓力管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下的分析

管道應(yīng)力分析軟件CAESAR II是基于桿件有限元理論，采用簡化的等截面梁單元對管道系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，其特點(diǎn)是忽略截面變形的影響，對小直徑管道適用性較好，而大直徑薄壁管道在外形尺寸上已不宜再簡化為桿件[2]，因此使用CAESAR II只能對大直徑薄壁管進(jìn)行整體應(yīng)力分析。

2.1.1 整體應(yīng)力分析

根據(jù)管系參數(shù)建立CAESAR II計(jì)算模型，見圖1。

圖1 CAESAR II計(jì)算模型

該大直徑管道的外徑(D=2540 mm)與壁厚(t=14 mm)比值D/t=181.4>100，在使用CAESAR II對其進(jìn)行整體應(yīng)力分析時(shí)，應(yīng)先對其應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)SIF進(jìn)行修正計(jì)算。各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下的SIF及修正后的FESIF界面見圖2和圖3。

圖2 主管等徑三通處應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)SIF界面

圖3 主管和支管異徑三通處應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)SIF界面

2.1.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過對管系進(jìn)行整體應(yīng)力分析，可以確定附屬于塔設(shè)備的管道支撐結(jié)構(gòu)及位置、附加位移、彈簧荷載等參數(shù)，為后續(xù)的詳細(xì)分析做準(zhǔn)備。其整體應(yīng)力分析結(jié)果顯示，在多個工況下，在管道的主管等徑三通處、主管和支管異徑三通處，其應(yīng)力均超過了管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的許用值。由此說明，應(yīng)對這些管道三通處進(jìn)行詳細(xì)的局部應(yīng)力分析驗(yàn)證以確定是否采用局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)。管系的整體應(yīng)力分析云圖，見圖4。

圖4 整體應(yīng)力分析云圖

2.2 壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下的分析

將2.1中附屬于塔設(shè)備的管道設(shè)計(jì)參數(shù)(按管系壓力、溫度、材料)、支撐管托結(jié)構(gòu)(采用接觸單元)、彈簧(按吊簧、支簧選型設(shè)定安裝載荷和剛度數(shù)據(jù))、作用位置和附加位移等參數(shù)作為輸入條件，使用有限元軟件ANSYS對具有外部加強(qiáng)圈的大直徑薄壁管建模(模型中加強(qiáng)圈為扁鋼“—120×14”，間距按5m設(shè)置;彎頭端部按支撐線考慮)，整體模型采用20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，進(jìn)行管線強(qiáng)度計(jì)算和管線穩(wěn)定性分析(特征值屈曲分析)，并對管系大直徑三通、彎頭和接管開孔等關(guān)鍵部位按照壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

塔頂和下部換熱器管口均采用柱坐標(biāo)約束(考慮管口熱膨脹附加位移)，上部支撐托架采用Frictionless接觸約束(考慮塔體支撐處的熱膨脹附加位移)，設(shè)定彈簧荷載(按吊簧、支簧選型設(shè)定安裝載荷和剛度數(shù)據(jù)，其中塔體支撐處要考慮熱膨脹附加位移)，考慮管道重量和保溫材料等附加重量。建立的ASNYS計(jì)算模型，見圖5。

圖5 ANSYS計(jì)算模型

ANSYS計(jì)算模型整體采用實(shí)體單元，局部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格細(xì)化處理，見圖6。

圖6 局部網(wǎng)格細(xì)化

2.2.1 T+P1+W工況(溫度+內(nèi)壓+管線重量)

采用Mises應(yīng)力強(qiáng)度，按線性化方式提取應(yīng)力分類進(jìn)行強(qiáng)度評定。一次應(yīng)力相關(guān)的應(yīng)力強(qiáng)度PL、Pb、PL+Pb和二次應(yīng)力相關(guān)的應(yīng)力強(qiáng)度PL+Pb+Q均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JB 4732-1995的相關(guān)要求?？傮w應(yīng)力云圖，見圖7。

主管下部三通處的名義厚度為14 mm時(shí)，局部應(yīng)力校核不合格；將三通處的壁厚補(bǔ)強(qiáng)為名義厚度18 mm時(shí)，局部應(yīng)力校核合格。補(bǔ)強(qiáng)后的三通應(yīng)力云圖，見圖8。

圖7 總體應(yīng)力云圖

圖8 三通應(yīng)力云圖

補(bǔ)強(qiáng)后的三通最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度評定要求，評定界面見圖9。

圖9 三通局部應(yīng)力評定界面

2.2.2 T+P2+W工況(溫度+外壓+管線重量)

采用Mises應(yīng)力強(qiáng)度，按線性化方式提取應(yīng)力分類進(jìn)行強(qiáng)度評定。一次應(yīng)力相關(guān)的應(yīng)力強(qiáng)度PL、Pb、PL+Pb和二次應(yīng)力相關(guān)的應(yīng)力強(qiáng)度PL+Pb+Q均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范JB 4732的相關(guān)要求?？傮w應(yīng)力云圖，見圖10。

圖10 總體應(yīng)力云圖

主管三通的名義厚度為14 mm時(shí)，局部應(yīng)力校核不合格；將三通處的壁厚補(bǔ)強(qiáng)為名義厚度18 mm時(shí)，局部應(yīng)力校核合格。補(bǔ)強(qiáng)后的三通應(yīng)力云圖，見圖11。

圖11 三通應(yīng)力云圖

補(bǔ)強(qiáng)后的三通最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度評定要求，評定界面見圖12。

2.2.3 穩(wěn)定性分析

在1.2中確定的管道壁厚、加強(qiáng)圈型鋼規(guī)格及間隔距離，已經(jīng)滿足GB150.3-2011中4.3的規(guī)定，即滿足外壓圓筒的穩(wěn)定性校核。

利用2.2.1和2.2.2中的靜力結(jié)構(gòu)分析模型，進(jìn)一步做線性屈曲分析，并復(fù)核管系的穩(wěn)定性。

圖12 三通局部應(yīng)力評定界面

通過屈曲分析，該管系最大一階屈曲變形位于下部主管端部，見圖13。

圖13 線性屈曲分析(一階屈曲模態(tài))

提取一階載荷因子，并得到屈曲的臨界載荷，計(jì)算結(jié)果顯示該管系滿足外壓穩(wěn)定性要求。模型計(jì)算中未考慮端部管帽加強(qiáng)作用(采用端部等效內(nèi)壓平衡載荷代替端部盲板載荷)，模型端部也未設(shè)置外部加強(qiáng)圈，因此實(shí)際臨界載荷會遠(yuǎn)大于模型計(jì)算結(jié)果，校核結(jié)果是可靠的。

2.2.4 計(jì)算結(jié)果分析

使用有限元軟件ANSYS對管線進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和管線穩(wěn)定性分析，并對管系大直徑三通、彎頭和接管開孔等關(guān)鍵部位按照壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度校核后，得到如下結(jié)論：

(1)主管三通處，應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)至名義厚度18 mm以上，才能滿足局部應(yīng)力校核要求。

(2)在各工況下，管系滿足強(qiáng)度校核要求。

(3)在各工況下，管系滿足穩(wěn)定性校核要求。

按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)應(yīng)提出以下技術(shù)要求：

(1)所有焊縫采用全焊透結(jié)構(gòu)，成型后內(nèi)外表面打磨圓滑；

(2)A、B類焊縫(20%RT+100%PT)檢測，D類焊縫100%PT檢測。

3 結(jié)語

在高溫和內(nèi)外壓作用下，大直徑薄壁管的荷載工況條件會非常復(fù)雜。完善對大直徑管道薄壁化設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析方法，為工程設(shè)計(jì)提供可靠的理論計(jì)算依據(jù)，是工程設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)。本文對大直徑管道的薄壁化設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析方法步驟如下：

(1)使用SW6計(jì)算得到管道的名義厚度、加強(qiáng)圈型鋼規(guī)格和間隔距離。

(2)使用CAESAR II對大直徑薄壁管進(jìn)行整體應(yīng)力分析，以壓力管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行校核，并獲取詳細(xì)分析所需參數(shù)。

(3)使用ANSYS對具有外部加強(qiáng)圈的大直徑薄壁管進(jìn)行整體強(qiáng)度校核、關(guān)鍵部位的局部應(yīng)力分析和穩(wěn)定性分析，以壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行校核，完成局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)措施。

組合使用CAESAR II和ANSYS等有限元軟件，分別對使用外部加強(qiáng)圈的大直徑薄壁管道進(jìn)行了整體強(qiáng)度分析、穩(wěn)定性分析及局部應(yīng)力分析，應(yīng)用壓力管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對管道系統(tǒng)的整體和局部分析結(jié)果進(jìn)行雙重校核，不僅為大直徑薄壁管線的整體布置設(shè)計(jì)、局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)、設(shè)備管口荷載條件、結(jié)構(gòu)荷載條件和管道支吊架設(shè)計(jì)等提供了可靠的理論計(jì)算依據(jù)，而且為實(shí)現(xiàn)工程化設(shè)計(jì)應(yīng)用和保障項(xiàng)目安全可靠運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。對高溫和有內(nèi)外壓條件下的大直徑管道進(jìn)行薄壁化設(shè)計(jì)后，管道壁厚比常規(guī)設(shè)計(jì)值大幅減小，節(jié)省了管道材料、容器設(shè)備及土建結(jié)構(gòu)用料，達(dá)到了節(jié)省項(xiàng)目投資的目的。該項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用并已穩(wěn)定運(yùn)行2年有余，證明對大直徑管道薄壁化設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析方法在工程應(yīng)用中是可行有效的。