冷緊比對壓力管道固定架軸向載荷影響分析

＊鄭 偉

（中航工程集成設(shè)備有限公司 北京 102200）

引言

冷緊比[1]影響到管道的冷緊值，進而影響管道上的應(yīng)力和載荷，是一個非常重要的參數(shù)，對此，工程師對此進行了討論和研究。成明濤等[2]在高溫高壓的蒸汽管道上，用冷緊降低了管道熱態(tài)局部應(yīng)力，保證了管道安全；王志中[3]在煙機入口管道設(shè)置了0.6～0.7的冷緊，并對附近支架進行了特殊設(shè)計，有效的降低了熱態(tài)時，管道入口受力；楊帆等[4]用ANSYS軟件，以從0～2的不同冷緊比值和管道工況為變量，計算了管道接管載荷和管道應(yīng)力計算結(jié)果進行了差異性分析，并最終給出了優(yōu)化后的冷緊比值。司景山等[5]討論了管道冷緊施工的問題。

本文以某GC2級壓力管道為對象，用CAESAR Ⅱ軟件建立管道模型，計算了3種溫度（400℃，450℃，500℃）下，冷緊比為0～0.8，管道上固定架的軸向冷態(tài)載荷和熱態(tài)載荷，分析選擇出不同溫度下，固定架載荷最合理的冷緊比，為選擇最優(yōu)管道冷緊比提供參考。

1.理論基礎(chǔ)

(1)管道固定架上作用載荷

CAESAR Ⅱ軟件是一款管道應(yīng)力分析的軟件，應(yīng)用B31.3工藝管道規(guī)范來對GC級壓力管道進行應(yīng)力分析。對于簡單系統(tǒng)，支架上反作用力[6]可以用以下公式進行計算。

式中，

Ea-在21℃時彈性模量；

Em-最高或最低溫度下的彈性模量；

R-與全位移應(yīng)力范圍相對應(yīng)，并以Ea為基礎(chǔ)的反作用力或力矩范圍；

Rm-在最高或最低金屬溫度下估算出的瞬時最大反作用力或力矩。

②冷態(tài)反作用力

Ra=CR或ClR中較大值

Ra-安裝溫度估算出的瞬時反作用力或力矩；

SE=計算出的位移應(yīng)力范圍；

Sh-預(yù)計最高金屬溫度下基本許用應(yīng)力。

(2)冷緊比計算

冷緊比是冷緊值與全補償量的比值，全補償量是從冷態(tài)到熱態(tài)總變形量，包括管道的熱漲，接口段的熱位移，膨脹節(jié)預(yù)處理等。本管道只包括管道的熱漲和接口熱位移。

管道熱膨脹長度：△L=αL△T

式中，△L-管道受熱膨脹長度值（mm）；

α-線膨脹系數(shù)（10-6/℃）；

L-計算方向管道投影長度；

△T-介質(zhì)溫度與安裝時環(huán)境溫度差值（℃）。

冷緊值計算：

式中，b-冷緊值；

a1-管道入口處，計算方向熱漲值；

a2-管道出口處，計算方向熱漲值；

C-冷緊比。

管道設(shè)計溫度分別為400℃、450℃和500℃，最高壓力2MPa，設(shè)計壓力2.2MPa，管道材質(zhì)選用304不銹鋼，外徑和壁厚為D630×10mm，介質(zhì)是空氣，管道處于室內(nèi)，環(huán)境溫度21℃。管道平面布置圖如圖1所示，一端設(shè)置固定點，熱位移是0，承擔管道的載荷，另一端是一個設(shè)備，接口熱位移如表1所示。冷緊段位于管道固定點第一個彎頭處。

表1 管道接口熱位移

圖1 管道平面圖

2.管道應(yīng)力分析結(jié)果

在CAESAR Ⅱ中輸入管道參數(shù)，其中冷緊管道設(shè)置為材料CUT SHORT（COLD SPRING），其余管道材料設(shè)置為304不銹鋼。管道模型如下所示，支架載荷查看以下兩種工況：（1）冷態(tài)工況SUS=W+P+CS，（2）熱態(tài)工況OPE=W+P+T+D+CS。

圖2 CAESAR Ⅱ管道計算模型

(1)設(shè)計溫度400℃計算結(jié)果

管道內(nèi)介質(zhì)是400℃，環(huán)境溫度取20℃，奧氏體304不銹鋼線膨脹系數(shù)17.99×10-6/℃，X方向管道投影長度3000mm，根據(jù)公式，計算出管道受熱膨脹長度值△L400=20.5mm，管道入口是固定架，X方向熱位移是0mm，管道出口熱位移2.1mm，總體熱位移（△L-a1+a2）是22.6，對應(yīng)不同冷緊比，固定架軸向載荷計算結(jié)果如表2、圖3所示。

表2 400℃管道計算結(jié)果

圖3 400℃管道固定架橫向載荷曲線圖

(2)設(shè)計溫度450℃計算結(jié)果

管道內(nèi)介質(zhì)是450℃，環(huán)境溫度取20℃，奧氏體304不銹鋼線膨脹系數(shù)18.17×10-6/℃，X方向管道投影長度3000mm，根據(jù)公式，計算出管道受熱膨脹長度值△L450=23.4mm，管道入口是固定架，X方向熱位移是0mm，管道出口熱位移2.1mm，總體熱位移（△L-a1+a2）是25.5，對應(yīng)不同冷緊比，固定架軸向載荷計算結(jié)果如表3、圖4所示。

表3 450℃管道計算結(jié)果

圖4 450℃管道固定架橫向載荷曲線圖

(3)設(shè)計溫度500℃計算結(jié)果

管道內(nèi)介質(zhì)是500℃，環(huán)境溫度取20℃，奧氏體304不銹鋼線膨脹系數(shù)18.36×10-6/℃，X方向管道投影長度3000mm，根據(jù)公式，計算出管道受熱膨脹長度值△L500=26.4mm，管道入口是固定架，X方向熱位移是0mm，管道出口熱位移2.1mm，總體熱位移（△L-a1+a2）500是28.5，對應(yīng)不同冷緊比，固定架軸向載荷計算結(jié)果如表4、圖5所示。

表4 500℃管道計算結(jié)果

圖5 500℃管道固定架橫向載荷曲線圖

3.計算結(jié)果分析

（1）從圖3可以看出來，當冷緊比取0時，管道固定架橫向熱態(tài)載荷最大是-62359N，冷態(tài)載荷最小是1481N。隨著冷緊比的增加，熱態(tài)載荷的絕對值呈現(xiàn)線性降低，冷態(tài)載荷的絕對值呈現(xiàn)線性增加。當冷緊比取0.8時，熱態(tài)載荷絕對值最小是-12996N，冷態(tài)載荷最大是50865N。圖4和圖5中，管道固定架橫向熱態(tài)載荷和冷態(tài)載荷趨勢一樣。

（2）從圖3、圖4和圖5中曲線可以看出來，冷緊比相同時，溫度越高，固定架熱態(tài)載荷越大，冷態(tài)載荷基本不變。冷態(tài)載荷只跟冷緊比正相關(guān)，冷緊比越大，冷態(tài)載荷越大。

（3）當管道溫度是400℃時，固定架冷態(tài)載荷和熱態(tài)載荷絕對值的和均為63.84kN，與冷緊比無關(guān)。說明冷緊只是將部分熱態(tài)載荷轉(zhuǎn)移到了冷態(tài)載荷。管道溫度是450℃和500℃，也可以得出類似的結(jié)論。這樣，保證管道支吊架冷態(tài)和熱態(tài)載荷均勻，該冷緊比是合適的冷緊比。

4.總結(jié)

冷緊不改變管道所受的應(yīng)力范圍，將部分熱態(tài)載荷“轉(zhuǎn)移到”冷態(tài)載荷，當溫度相同時，管道的冷緊比越高（從0～0.8），管道固定架橫向熱態(tài)載荷越小，冷態(tài)載荷越大。冷緊比不易選擇過大，過大冷態(tài)載荷較大，反而導致整個管道受力不好。當GC級壓力管道在400～500℃時，冷緊比選擇0.5～0.6，固定架載荷均勻，較為合適。本文為高溫壓力管道的冷緊比選擇提供了參考依據(jù)，