管道應力分析在大型油庫設(shè)計中的應用

何自力

大慶油田設(shè)計院有限公司

近年來隨著油庫的大型化，涉及的管系及相應管系的應力情況也越來越復雜。本文主要簡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、罐前復式大拉桿膨脹節(jié)布置以及外輸泵進出管線約束的設(shè)置；利用管道應力分析軟件對場區(qū)主管廊、罐組內(nèi)管系進行應力分析，優(yōu)化管系，降低管系整體的應力水平，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)計條件

以某大型油庫庫內(nèi)管網(wǎng)設(shè)計為例，介紹應力分析在配管設(shè)計中的應用。

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 個罐組，形成一個龐大的管系。

設(shè)計條件如表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，對于這種復雜管系，并且都是大口徑管道，分支管系的應力對主管系造成的累加影響將是巨大的；管道在運行過程中，當溫度變化時，出現(xiàn)熱脹和端點位移，會產(chǎn)生較大的溫度應力。通過優(yōu)化管系的布置條件、增加管道補償?shù)姆绞娇梢越档凸芟祪?nèi)的應力，但這些計算常規(guī)設(shè)計難以完成，采用應力分析的方法，利用CAESARⅡ軟件可以優(yōu)化管系的補償[1]，合理地設(shè)置固定點。設(shè)計時以固定點作為分界，將大管系分成若干段小管系，采用分段補償?shù)姆绞浇档凸芟档恼w應力，同時保證各小段管系具有合理的柔性，在恰當位置設(shè)置補償器和固定點，將是較為合理的設(shè)計方案。

自然補償法具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、成本低的優(yōu)勢[2]，管道布置時應盡量采用自然補償。利用CAESARⅡ軟件將大管系拆分成三段和四段進行模型對比，通過計算補償器和固定點的合理位置，優(yōu)化了拆分后的管系；并分別計算出管系各個三通、彎頭處的位移、受力及應力情況，來判定管道在安裝和工作條件下，是否具有足夠的強度和剛度；同時，限制管道的位移量過大，避免引起管道的非正常運行或破壞；降低管系整體的應力水平，大幅降低固定支架的推力，減少支吊架的載荷。

根據(jù)以上原則進行模型對比，優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計。

模型1 最大一次應力和二次應力如表2 所示。

表2 模型1 最大一次應力和二次應力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 最大一次應力和二次應力如表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)化對比如表6 所示。

近礦圍巖蝕變在水平方向具有一定的分帶性，自圍巖至礦體，依次為：絹云母化帶→絹云母化、硅化帶→強絹云母化、硅化、黃鐵礦化、碎裂巖化帶→亮晶煤帶→細砂糖狀煤帶。

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

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

由表6 可知，模型1 的一、二次應力、節(jié)點位移、固定墩水平推力值均較模型2 高，但模型1 的計算結(jié)果仍然保持在實際經(jīng)驗允許的范圍內(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。由于有應力分析軟件計算數(shù)據(jù)的支撐，綜合考慮以上因素，設(shè)計仍然選擇模型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)計方案雖然確定是三段管系，但具體設(shè)計時管系西側(cè)受空間限制無法設(shè)置“π”型彎作為自然補償。經(jīng)應力分析計算直管壓力平衡型膨脹節(jié)[4]對管道的補償作用與“π”型彎大致相當，對固定墩的推力也與自然補償相差無幾，沒有附加的推力。采用直管壓力平衡型補償器可使管道按直線布置、減少項目占地面積、提高管廊利用率，從而降低項目整體工程造價[5]。具體計算如圖1 所示。

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

2 罐前復式大拉桿膨脹節(jié)布置

2.1 復式大拉桿膨脹節(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進行分割，罐組內(nèi)成為一個獨立的管系，同時將罐組內(nèi)的管系分成兩段小管系。罐組內(nèi)左側(cè)第一個固墩將罐組內(nèi)、外管系進行了應力分隔。第一個固墩后是自然“π”彎，之后罐前固墩將罐組內(nèi)主管系與罐前支管進行應力分隔，也是對帶膨脹節(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]。在補償器工作變形后，大拉桿可以起到限制變形量、保護波紋管的作用。

對復式拉桿型膨脹節(jié)進行復雜建模[8]：分別對波紋管、端板、拉桿、螺母進行建模，構(gòu)成一個膨脹節(jié)的整體。復雜建模需要的參數(shù)較多，波紋管參數(shù)輸入時需要輸入軸向剛度、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；端板和拉桿建模時通過剛性件進行模擬，需要輸入剛性件的長度，再通過對剛性件兩端增加約束的方法實現(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)復雜建模Fig.3 Complex modeling of expansion joints

2.2 罐組內(nèi)管系各工況應力情況

罐組內(nèi)管系各工況應力情況如表7 所示。

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

2.3 復式大拉桿膨脹節(jié)的位移

對考慮了重力、壓力、溫度、儲罐沉降，再耦合4 個水平方向的地震位移工況，驗證復式大拉桿膨脹節(jié)的位移情況?；镜卣鹚郊铀俣热?.15 g；儲罐沉降按50 mm 考慮。

3 外輸泵進出管線約束的設(shè)置

本工程外輸泵進出口管徑較大，最大達到DN700，外輸泵的管系受力和應力狀況復雜，根據(jù)本項目《管道應力分析設(shè)計統(tǒng)一規(guī)定》的要求，與荷載敏感的轉(zhuǎn)動機械設(shè)備相連的管道應采用計算機輔助方法進行詳細的分析。

進行外輸泵管道設(shè)計時，必須使進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。通過對外輸泵的管系應力狀況和受力進行分析，其應力狀況均保持在實際經(jīng)驗允許的范圍內(nèi)。需要重點分析泵口的受力［10］，限位架的軸向推力，支吊架的承載能力。外輸泵進口加限位架如圖4 所示。

圖4 外輸泵進口加限位架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，外輸泵進口3 個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，并且進口限位架的軸向推力已經(jīng)達到-48 114 N，一般的支吊架已很難承受如此大的推力。設(shè)計上必須對泵進口的約束條件進行調(diào)整優(yōu)化。為此在泵進口彎頭處加止推座，再通過應力分析軟件對外輸泵的管系應力狀況和受力進行分析，與常規(guī)加限位支架的做法作對比驗證。外輸泵進口加止推座如圖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)化進口約束條件后，外輸泵進口3 個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止推座處的受力顯著增大。通過把止推座設(shè)計成一個專門的機械構(gòu)件來達到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

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

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

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

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