管道應(yīng)力分析在大型油庫設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

何自力

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

近年來隨著油庫的大型化，涉及的管系及相應(yīng)管系的應(yīng)力情況也越來越復(fù)雜。本文主要簡(jiǎn)述了大型油庫管系規(guī)劃和布置、直管壓力平衡式膨脹節(jié)布置、罐前復(fù)式大拉桿膨脹節(jié)布置以及外輸泵進(jìn)出管線約束的設(shè)置；利用管道應(yīng)力分析軟件對(duì)場(chǎng)區(qū)主管廊、罐組內(nèi)管系進(jìn)行應(yīng)力分析，優(yōu)化管系，降低管系整體的應(yīng)力水平，以確保油庫管系的安全合理性。

1 管系規(guī)劃和布置

1.1 工程概況及設(shè)計(jì)條件

以某大型油庫庫內(nèi)管網(wǎng)設(shè)計(jì)為例，介紹應(yīng)力分析在配管設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

油庫內(nèi)一條680 m×11 m 的大管溝橫貫東西，管溝內(nèi)主要有3 根DN1200 的收發(fā)油管線及1 根DN900 的外輸油管線，連接13 個(gè)罐組，形成一個(gè)龐大的管系。

設(shè)計(jì)條件如表1 所示。

表1 管道特性Tab.1 Pipeline characteristics

1.2 管系優(yōu)化

庫內(nèi)管網(wǎng)分支眾多，對(duì)于這種復(fù)雜管系，并且都是大口徑管道，分支管系的應(yīng)力對(duì)主管系造成的累加影響將是巨大的；管道在運(yùn)行過程中，當(dāng)溫度變化時(shí)，出現(xiàn)熱脹和端點(diǎn)位移，會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。通過優(yōu)化管系的布置條件、增加管道補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢越档凸芟祪?nèi)的應(yīng)力，但這些計(jì)算常規(guī)設(shè)計(jì)難以完成，采用應(yīng)力分析的方法，利用CAESARⅡ軟件可以優(yōu)化管系的補(bǔ)償[1]，合理地設(shè)置固定點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)以固定點(diǎn)作為分界，將大管系分成若干段小管系，采用分段補(bǔ)償?shù)姆绞浇档凸芟档恼w應(yīng)力，同時(shí)保證各小段管系具有合理的柔性，在恰當(dāng)位置設(shè)置補(bǔ)償器和固定點(diǎn)，將是較為合理的設(shè)計(jì)方案。

自然補(bǔ)償法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本低的優(yōu)勢(shì)[2]，管道布置時(shí)應(yīng)盡量采用自然補(bǔ)償。利用CAESARⅡ軟件將大管系拆分成三段和四段進(jìn)行模型對(duì)比，通過計(jì)算補(bǔ)償器和固定點(diǎn)的合理位置，優(yōu)化了拆分后的管系；并分別計(jì)算出管系各個(gè)三通、彎頭處的位移、受力及應(yīng)力情況，來判定管道在安裝和工作條件下，是否具有足夠的強(qiáng)度和剛度；同時(shí)，限制管道的位移量過大，避免引起管道的非正常運(yùn)行或破壞；降低管系整體的應(yīng)力水平，大幅降低固定支架的推力，減少支吊架的載荷。

根據(jù)以上原則進(jìn)行模型對(duì)比，優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計(jì)。

模型1 最大一次應(yīng)力和二次應(yīng)力如表2 所示。

表2 模型1 最大一次應(yīng)力和二次應(yīng)力Tab.2 Maximum primary stress and secondary stress of Model 1

模型1 最大位移如表3 所示。

表3 模型1 最大位移Tab.3 Maximum displacement of Model 1

模型2 最大一次應(yīng)力和二次應(yīng)力如表4 所示。

模型2 最大位移如表5 所示。

表5 模型2 最大位移Tab.5 Maximum displacement of Model 2

模型1 與模型2 優(yōu)化對(duì)比如表6 所示。

近礦圍巖蝕變?cè)谒椒较蚓哂幸欢ǖ姆謳?，自圍巖至礦體，依次為：絹云母化帶→絹云母化、硅化帶→強(qiáng)絹云母化、硅化、黃鐵礦化、碎裂巖化帶→亮晶煤帶→細(xì)砂糖狀煤帶。

表6 模型1 與模型2 優(yōu)化對(duì)比Tab6 Optimization comparison between Model 1 and Model 2

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[3]一次應(yīng)力需要保持在標(biāo)準(zhǔn)許用值的60%以下；二次應(yīng)力需要保持在標(biāo)準(zhǔn)許用值的80%以下；最大位移應(yīng)小于75 mm。通過分析驗(yàn)證可以看出兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果均保持在實(shí)際經(jīng)驗(yàn)允許的范圍內(nèi)，管系中最大一次應(yīng)力比率相差無幾，模型1 和模型2 管系中最大二次應(yīng)力比率差值為7.41%，最大節(jié)點(diǎn)位移量差值為9.1%，最大固定墩水平推力差值為9%。從計(jì)算數(shù)值來看應(yīng)力和應(yīng)變是存在正向比例關(guān)系的。

由表6 可知，模型1 的一、二次應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)位移、固定墩水平推力值均較模型2 高，但模型1 的計(jì)算結(jié)果仍然保持在實(shí)際經(jīng)驗(yàn)允許的范圍內(nèi)。結(jié)合油庫內(nèi)總體的平面布置，考慮到平面布置空間有限，模型1 管系相比模型2 少一處大的“π”型彎，能有效減少占地，在工藝方面也降低了流體阻力。由于有應(yīng)力分析軟件計(jì)算數(shù)據(jù)的支撐，綜合考慮以上因素，設(shè)計(jì)仍然選擇模型1 三段管系的方案。

1.3 直管壓力平衡型膨脹節(jié)代替“π”型彎

管網(wǎng)設(shè)計(jì)方案雖然確定是三段管系，但具體設(shè)計(jì)時(shí)管系西側(cè)受空間限制無法設(shè)置“π”型彎作為自然補(bǔ)償。經(jīng)應(yīng)力分析計(jì)算直管壓力平衡型膨脹節(jié)[4]對(duì)管道的補(bǔ)償作用與“π”型彎大致相當(dāng)，對(duì)固定墩的推力也與自然補(bǔ)償相差無幾，沒有附加的推力。采用直管壓力平衡型補(bǔ)償器可使管道按直線布置、減少項(xiàng)目占地面積、提高管廊利用率，從而降低項(xiàng)目整體工程造價(jià)[5]。具體計(jì)算如圖1 所示。

圖1 膨脹節(jié)簡(jiǎn)單建模Fig.1 Simple modeling of expansion joints

2 罐前復(fù)式大拉桿膨脹節(jié)布置

2.1 復(fù)式大拉桿膨脹節(jié)建模

罐組內(nèi)的管系按照前文所述在交界處采用固定點(diǎn)進(jìn)行分割，罐組內(nèi)成為一個(gè)獨(dú)立的管系，同時(shí)將罐組內(nèi)的管系分成兩段小管系。罐組內(nèi)左側(cè)第一個(gè)固墩將罐組內(nèi)、外管系進(jìn)行了應(yīng)力分隔。第一個(gè)固墩后是自然“π”彎，之后罐前固墩將罐組內(nèi)主管系與罐前支管進(jìn)行應(yīng)力分隔，也是對(duì)帶膨脹節(jié)的管系起到固支的作用。罐組內(nèi)管系如圖2 所示。

圖2 罐組內(nèi)管系模型Fig.2 Piping system model in tank group

為抵御大罐沉降、地震，以及其他載荷產(chǎn)生的管道橫向位移，在罐前設(shè)置了復(fù)式大拉桿型膨脹節(jié)[6]。通過波紋管的角偏轉(zhuǎn)可以吸收管道單平面或多平面的橫向位移。拉桿能承受壓力、推力和其他外加附力的作用[7]。在補(bǔ)償器工作變形后，大拉桿可以起到限制變形量、保護(hù)波紋管的作用。

對(duì)復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)進(jìn)行復(fù)雜建模[8]：分別對(duì)波紋管、端板、拉桿、螺母進(jìn)行建模，構(gòu)成一個(gè)膨脹節(jié)的整體。復(fù)雜建模需要的參數(shù)較多，波紋管參數(shù)輸入時(shí)需要輸入軸向剛度、橫向剛度和有效直徑等。廠家需提供單個(gè)波紋管剛度的精確值，而不是按廠家樣本中膨脹節(jié)整體剛度輸入；端板和拉桿建模時(shí)通過剛性件進(jìn)行模擬，需要輸入剛性件的長(zhǎng)度，再通過對(duì)剛性件兩端增加約束的方法實(shí)現(xiàn)螺母的模擬。波紋管參數(shù)輸入界面如圖3 所示。

圖3 膨脹節(jié)復(fù)雜建模Fig.3 Complex modeling of expansion joints

2.2 罐組內(nèi)管系各工況應(yīng)力情況

罐組內(nèi)管系各工況應(yīng)力情況如表7 所示。

表7 罐組內(nèi)管系各工況應(yīng)力情況Tab.7 Stress condition of piping system in tank group under various working conditions

2.3 復(fù)式大拉桿膨脹節(jié)的位移

對(duì)考慮了重力、壓力、溫度、儲(chǔ)罐沉降，再耦合4 個(gè)水平方向的地震位移工況，驗(yàn)證復(fù)式大拉桿膨脹節(jié)的位移情況?；镜卣鹚郊铀俣热?.15 g；儲(chǔ)罐沉降按50 mm 考慮。

3 外輸泵進(jìn)出管線約束的設(shè)置

本工程外輸泵進(jìn)出口管徑較大，最大達(dá)到DN700，外輸泵的管系受力和應(yīng)力狀況復(fù)雜，根據(jù)本項(xiàng)目《管道應(yīng)力分析設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)定》的要求，與荷載敏感的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備相連的管道應(yīng)采用計(jì)算機(jī)輔助方法進(jìn)行詳細(xì)的分析。

進(jìn)行外輸泵管道設(shè)計(jì)時(shí)，必須使進(jìn)出口管道具有足夠的柔性，以減小管道作用于泵管口處的力和力矩。泵進(jìn)口側(cè)壓力低，需要考慮吸入條件，不適合像出口側(cè)一樣可以任意改變走向來增加管線柔性，需要在約束條件方面多加考慮。常規(guī)的做法是在泵的進(jìn)出口附近，加限位支架，通過限位支架的受力來減小管道作用于泵管口處的力和力矩。通過對(duì)外輸泵的管系應(yīng)力狀況和受力進(jìn)行分析，其應(yīng)力狀況均保持在實(shí)際經(jīng)驗(yàn)允許的范圍內(nèi)。需要重點(diǎn)分析泵口的受力［10］，限位架的軸向推力，支吊架的承載能力。外輸泵進(jìn)口加限位架如圖4 所示。

圖4 外輸泵進(jìn)口加限位架Fig.4 Installation of a limit frame at the inlet of the export pump

外輸泵加限位架的管嘴校核如表8 所示。限位架推力如表9 所示。

表8 外輸泵加限位架的管嘴校核Tab.8 Verification of pipe nozzles for export pumps with limit frames

表9 限位架推力Tab.9 Thrust of limit frame

由表9 可知，外輸泵進(jìn)口3 個(gè)方向的受力均在限值內(nèi)，但c 方向的力矩已經(jīng)超限值2 倍，并且進(jìn)口限位架的軸向推力已經(jīng)達(dá)到-48 114 N，一般的支吊架已很難承受如此大的推力。設(shè)計(jì)上必須對(duì)泵進(jìn)口的約束條件進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。為此在泵進(jìn)口彎頭處加止推座，再通過應(yīng)力分析軟件對(duì)外輸泵的管系應(yīng)力狀況和受力進(jìn)行分析，與常規(guī)加限位支架的做法作對(duì)比驗(yàn)證。外輸泵進(jìn)口加止推座如圖5 所示。外輸泵加止推座的管嘴校核如表10 所示。

圖5 外輸泵進(jìn)口加止推座Fig.5 Installation of a thrust seat at the inlet of the export pump

由表10 可知，經(jīng)過優(yōu)化進(jìn)口約束條件后，外輸泵進(jìn)口3 個(gè)方向的受力仍在限值內(nèi)，a 方向的力矩已經(jīng)減為限值的1/2，其他方向的力矩也遠(yuǎn)小于限值。優(yōu)化后顯著降低了泵管口處的力和力矩。

降低泵管口處的力和力矩的同時(shí)止推座處的受力顯著增大。通過把止推座設(shè)計(jì)成一個(gè)專門的機(jī)械構(gòu)件來達(dá)到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）整體管系的設(shè)計(jì)需要合理地設(shè)置補(bǔ)償器和固定點(diǎn)，以固定點(diǎn)作為分界將大管系分成若干段小管系，采用分段補(bǔ)償?shù)姆绞浇档凸芟档恼w應(yīng)力，降低固定支架的推力，減少支吊架的載荷。采用應(yīng)力分析的方法，通過模型對(duì)比，優(yōu)化管系，將應(yīng)力值控制在實(shí)際經(jīng)驗(yàn)允許的范圍之內(nèi)。

（2）通過應(yīng)力分析的方法，計(jì)算和統(tǒng)計(jì)重力、壓力、溫度、地震載荷以及儲(chǔ)罐沉降位移，可以看出儲(chǔ)罐沉降位移在罐前管系的位移中是占主導(dǎo)地位的，在常溫工況中主要還是依據(jù)儲(chǔ)罐沉降位移來選擇膨脹節(jié)。

（3）在大型外輸泵進(jìn)口管線設(shè)置止推座替代限位管架，將管系對(duì)泵進(jìn)口的力和力矩限制在合理的范圍內(nèi)。

對(duì)于大型油庫這種復(fù)雜管系，應(yīng)力分析設(shè)計(jì)起到非常關(guān)鍵的作用，計(jì)算結(jié)果精確、直觀，相對(duì)人工計(jì)算的低效和準(zhǔn)確性差，應(yīng)用軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性不但更髙，建立的模型也可通過調(diào)整參數(shù)加以重復(fù)利用，所以大型站庫復(fù)雜管系采用應(yīng)力分析的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)較常規(guī)設(shè)計(jì)有一定的優(yōu)勢(shì)。