高溫濃硫酸壓力管道應(yīng)力分析及柔性設(shè)計優(yōu)化研究

唐萍，陳永貴，顏孫挺，金南輝，凌張偉，李鋒

（1. 浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，杭州 310020；2. 浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點實驗室，杭州 310020）

關(guān)鍵字：高溫；濃硫酸；壓力管道；應(yīng)力校核；柔性設(shè)計；支吊架

我國是世界硫酸產(chǎn)能最大的國家，具有國際先進水平的大型裝置能力已占比50%以上。濃硫酸壓力管道作為裝置的重要組成，其泄漏失效可能會造成嚴(yán)重生產(chǎn)后果，帶來巨大經(jīng)濟損失，是硫酸工業(yè)重點關(guān)注的內(nèi)容[1]。通常，管道系統(tǒng)的應(yīng)力校核是避免其發(fā)生失效的有效途徑。但對于濃硫酸壓力管道而言，除結(jié)構(gòu)的合理外，高溫高壓且具有強腐蝕性的介質(zhì)條件也要求管道材料有優(yōu)良的耐蝕表現(xiàn)。

碳鋼、不銹鋼、聚四氟乙烯及玻璃鋼是硫酸管道最常用的耐蝕材料[2]。碳鋼在濃硫酸作用下會形成硫酸鹽鈍化膜阻絕管道腐蝕，但膜易因硫酸沖刷破壞而引起管道局部腐蝕。Cr-Ni 和Cr-Ni-Mo 系奧氏體不銹鋼在常溫下也能形成鈍化保護膜，因此近年來國內(nèi)常溫濃硫酸管道多采用304L 或者316L 等低碳不銹鋼，但奧氏體不銹鋼在高溫下仍存在腐蝕的可能。聚四氟乙烯等塑料材料耐蝕性能強、但力學(xué)性能差，往往以襯里的形式應(yīng)用，且法蘭連接及熱脹伸縮性的不同使管道存在很大泄漏風(fēng)險。玻璃鋼管道一般只用于低溫、稀硫酸的應(yīng)用場合。高溫濃硫酸管道材料的成功應(yīng)用對硫酸工業(yè)生產(chǎn)具有重要的參考價值。

管道承受壓力、重力、附加外力載荷及自身的熱脹變形，容易產(chǎn)生應(yīng)力問題，設(shè)計管道時要使其具有足夠的柔性[3]。本文首先對2004 年國內(nèi)首次應(yīng)用并已安全運行16 年的高硅奧氏體不銹鋼ZECOR 管道材料進行理化檢測分析，介紹了ZECOR 服役16年后的材料性能。在此基礎(chǔ)上，以該廠濃硫酸壓力管道為分析對象，采用CAESAR II 軟件對管道進行了應(yīng)力分析與校核，重點對管道結(jié)構(gòu)的柔性設(shè)計進行了優(yōu)化研究與討論，為此類管道結(jié)構(gòu)的運行維護及柔性改造方案設(shè)計提供了技術(shù)參考。

1 管道材料性能分析

ZECOR 高硅奧氏體不銹鋼材料是一種由美國孟莫克公司（現(xiàn)被杜邦公司收購）于2000 年推出的高溫濃硫酸管道、吸收塔和分酸器等設(shè)備專用新材料，號稱“十年零腐蝕”。2004 年，某廠考慮到國內(nèi)硫酸管道易腐蝕、難修理的問題，應(yīng)用ZECOR 材料管道對98%的高溫濃硫酸進行輸送，此為國內(nèi)首次ZECOR 管道的應(yīng)用。管道設(shè)計壓力0.4 MPa，最高設(shè)計溫度99 ℃，至今已安全運行16 年，期間未發(fā)生任何腐蝕泄漏，運行情況良好。下面以該管道材料為分析對象，采用拉伸試驗、化學(xué)成分分析等手段，對管道服役16 年后的材料性能進行分析與討論。

1.1 拉伸試驗

在裝置現(xiàn)場進行管材取樣，所取試樣規(guī)格為φ90 mm×3 mm。將試樣在微機控制電液伺服萬能試驗機上進行軸向拉伸。管道材料拉伸結(jié)果如表1 所示。從表中可以看出，3 個管材試樣表現(xiàn)出近似一致的拉伸性能，材料的塑性延伸極限最大為553 MPa，最小為539 MPa。這表明ZECOR 材料在長期服役后仍具有良好的力學(xué)性能，該材料在高溫濃硫酸管道應(yīng)用方面取得不錯的實效。

表1 管道材料拉伸實驗結(jié)果Table 1 Tensile test results of the pipeline material

1.2 化學(xué)成分分析

金屬材料的化學(xué)成分決定了材料本身的性能。表2 展示了ZECOR 材料中各元素的化學(xué)成分分析結(jié)果。表中可以明顯發(fā)現(xiàn)，ZECOR 材料作為一種高硅奧氏體不銹鋼Si 含量高達(dá)5.94%。Cr、Ni、Mo 的含量依次為13.18%、14.99%、0.96%。在這樣的元素含量配比下，金屬材料的耐酸、耐腐蝕性得到顯著提高，具備能適用于高溫濃硫酸介質(zhì)的優(yōu)良性能。

表2 管道材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical compositions of the pipeline material （mass fraction） %

1.3 管道現(xiàn)場測厚

對裝置現(xiàn)場管系進行管道壁厚測定。測厚如表3所示，從表中可以看出，管道最小壁厚均滿足設(shè)計要求。管道壁厚無異常減薄，表明無明顯腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)。

表3 管道實測壁厚Table 3 Measured wall thickness of the pipeline mm

綜上述分析，運行16 年的ZECOR 材料仍具有良好的力學(xué)性能，且無明顯的腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

2 管道應(yīng)力分析

2.1 模型建立

根據(jù)該廠管道軸測圖、單線圖及管架圖等原始設(shè)計資料，采用CAESAR II 軟件對管系進行模型建立。各管道單元管徑、壁厚等基本參數(shù)、管道單元結(jié)構(gòu)參數(shù)及邊界條件以管道實際情況設(shè)定。建立的管系模型如圖1 所示。

圖1 管系模型Fig.1 Pipeline model

2.2 應(yīng)力校核

在模型建立的基礎(chǔ)上對管系進行靜態(tài)應(yīng)力分析，依據(jù)設(shè)計規(guī)范ASME B31.3 進行一次、二次規(guī)范應(yīng)力的校核。計算輸出結(jié)果顯示，管系一次峰值應(yīng)力為57.09 MPa， 占比一次應(yīng)力許用范圍的42.3%，滿足一次應(yīng)力校核條件。二次峰值應(yīng)力高達(dá)528.68 MPa，占比二次應(yīng)力許用范圍的160.9%。圖2 展示了管系二次應(yīng)力的分布云圖，圖中可以看出，應(yīng)力超標(biāo)部位為管道SA-1303（DN200）、SA-1304（DN200）、SA-1302（DN250）豎直段上部彎頭區(qū)域，對應(yīng)位置B1、B2、B3 處二次應(yīng)力占比分別高達(dá)138.2%、134.2%、160.9%，嚴(yán)重超出二次應(yīng)力校核要求。此處管系柔性明顯不足，導(dǎo)致管口C 處二次應(yīng)力過大，以C1 位置處應(yīng)力最大，占比101.6%，超出應(yīng)力校核的要求，極易造成管口的破壞，引起泄漏。分析認(rèn)為應(yīng)力超標(biāo)由下部彎頭即A 處約束不當(dāng)造成，剛性支吊架的存在限制了管道熱膨脹變形，使熱位移只能豎直向上得到釋放，加劇了上部彎頭B 處及設(shè)備管口C 處的應(yīng)力狀態(tài)，造成應(yīng)力超標(biāo)，為管道埋下了嚴(yán)重安全隱患。

圖2 二次應(yīng)力分布Fig.2 The distribution of expansion stresses

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1 支吊架位置調(diào)整

在管道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計過程中，合理地布置和選擇支吊架對管道進行柔性設(shè)計是減小管道應(yīng)力水平和支吊架載荷的有效途徑[4-5]。為了改善管系應(yīng)力狀態(tài)，使管系滿足應(yīng)力校核要求并處于更為健康、安全的應(yīng)力環(huán)境，對管道SA-1303、SA-1304、SA-1302 下部彎頭剛性支吊架的位置進行調(diào)整，同時分析討論支吊架位置變化對管系應(yīng)力的影響。

首先，將三組剛性支吊架向管一側(cè)偏移400 mm進行仿真分析。結(jié)果顯示，上部彎頭位置B1、B2、B3 處二次應(yīng)力占比由原始條件下的138.2%、134.2%、160.9%分別降低為31.1%、33.7%、64.0%，上部彎頭位置二次應(yīng)力情況得到顯著改善。而由于管道豎直部分熱膨脹變形在兩個方向上得到了釋放，下部彎頭A1、A2、A3 處二次應(yīng)力由調(diào)整前的33.9%、23.2%、16.7% 分別改變?yōu)?9.2%、72.2%、64.7%，造成下部彎頭區(qū)域二次應(yīng)力偏大。

為兼顧上、下彎頭區(qū)域二次應(yīng)力狀態(tài)的改善，將支吊架向管一側(cè)偏移400 ～ 1 200 mm 來加大豎直管道的柔性。不同偏移情況下上、下部彎頭、管口位置處的一次、二次應(yīng)力大小變化及許用范圍占比變化情況如圖3 ～ 5 所示。隨著支吊架位置的偏移，管上部彎頭、管口處一次應(yīng)力大小逐漸增大，下部彎頭處的應(yīng)力呈現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律。但由于管上、下部彎頭、管口位置處的一次應(yīng)力占比均保持在10%左右，處于安全的應(yīng)力狀態(tài)，故其應(yīng)力的變化規(guī)律，在支吊架調(diào)整中可以不予考慮。對于二次應(yīng)力，隨著支吊架位置的偏移，管上、下部彎頭、管口位置處的二次應(yīng)力得到明顯減小，甚至減小至10%以下，改善效果非常顯著。

圖3 上部彎頭應(yīng)力變化Fig.3 The variation curve of code stresses on the upper elbow

然而，由圖6 可以看出，當(dāng)支架偏移量超過700 mm 時，作為管系的一部分，管道SA-1303、SA-1304、SA-1302 上、下部彎頭、管口位置處的二次應(yīng)力仍在減小，但整個管系二次峰值應(yīng)力保持在60.1%不再變化?？紤]到支吊架偏移量過大時會因負(fù)載過大而發(fā)生失效破壞，因此管一側(cè)700 mm 的偏移為三組剛性支吊架的最佳調(diào)整位置。此時管系二次應(yīng)力云圖如圖7 所示。管道SA-1303、SA-1304、SA-1302 上部彎頭處的二次應(yīng)力分別為13.6%、14.4%、33.1%；下部彎頭處的二次應(yīng)力分別為59.0%、42.7%、43.8%，均在合理的安全范圍內(nèi)。

圖4 下部彎頭應(yīng)力變化Fig.4 The variation curve of code stresses on the lower elbow

圖5 管口應(yīng)力變化Fig.5 The variation curve of code stresses on the piping mouth

圖6 管線峰值應(yīng)力變化Fig.6 The variation curve of highest stresses on the pipeline

圖7 支吊架位于700 mm 時的二次應(yīng)力分布Fig.7 The distribution of expansion stresses at 700 mm location

3.2 支吊架類型調(diào)整

因剛性支吊架更適用于沒有垂直熱位移或垂直熱位移很小的場合，而彈簧支吊架既能承受載荷，又允許存在垂直位移使熱膨脹變形得到釋放[6]。將彎頭處的支吊架選擇為可變彈簧支吊架來對管道的柔性情況進行研究。

剛性支吊架被替換為由2 個彈簧并聯(lián)的可變彈簧支吊架。經(jīng)過計算，操作工況下下部彎頭A1、A2、A3 三個位置處的工作載荷分別約為4 694 N、9 320 N、5 240 N， 垂直位移量約為6.6 mm、4.7 mm、4.7 mm。根據(jù)NB/T 47039—2013《可變彈簧支吊架》[7]，A1、A2、A3 三個位置處彈簧支吊架彈簧剛度分別被確定為36.2 N/mm、63.4 N/mm、36.2 N/mm，最終彈簧的型號被分別確定為TD30 系列、編號為8、10、8 的共計6 個可變彈簧。

結(jié)果顯示，彈簧支吊架的調(diào)整對管道SA-1303、SA-1304、SA-1302 的一次應(yīng)力影響甚微，但顯著改善了管道的二次應(yīng)力狀態(tài)。管道上部彎頭處的二次應(yīng)力分別變?yōu)?.8%、1.0%、3.7%，相比原剛性支吊架時的138.2%、134.2%、160.9%，應(yīng)力得到急劇減小，此時下部彎頭處的二次應(yīng)力分別為9.1%、6.5%、6.5%，故支吊架調(diào)整為可變彈簧支吊架時，二次應(yīng)力減小程度明顯優(yōu)于剛性支吊架位置的調(diào)整情況。此時管系二次峰值應(yīng)力許用范圍占比同為60.1%，也充分滿足應(yīng)力校核的要求。如二次應(yīng)力分布圖8 所示，管系應(yīng)力分布均勻，管系處于非常良好的應(yīng)力狀態(tài)。

圖8 彈簧支吊架時的二次應(yīng)力分布Fig.8 The distribution of expansion stresses under spring support

4 結(jié)論

本文介紹了某廠2004 年國內(nèi)首次應(yīng)用并已安全運行16 年的ZECOR 濃硫酸管道材料性能，同時采用CAESAR II 軟件對其管系進行了應(yīng)力分析與校核，并重點對管道結(jié)構(gòu)的柔性設(shè)計進行了優(yōu)化研究與討論。得出的結(jié)論如下：

（1） ZECOR 材料耐腐蝕與力學(xué)性能良好，在高溫濃硫酸管道方面應(yīng)用較為成功，可以參考使用于硫酸工業(yè)生產(chǎn)過程。

（2）上述管道結(jié)構(gòu)的柔性設(shè)計過程中，剛性支吊架的位置調(diào)整可以有效地改善管道的二次應(yīng)力狀態(tài)。考慮到支吊架的負(fù)載受力，支吊架存在一個最佳調(diào)整位置，最終確立700 mm 偏移位置處為最佳調(diào)整位置。

（3）支吊架調(diào)整為可變彈簧支吊架時管道結(jié)構(gòu)的柔性效果更好，其二次應(yīng)力減小程度明顯優(yōu)于剛性支吊架位置調(diào)整的情況。