摘 要：介紹管道應(yīng)力分析及管架設(shè)計(jì)，提出使用CAESAR II建立管道應(yīng)力模型需要注意的幾個(gè)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：管道應(yīng)力分析；管架設(shè)計(jì)；CAESAR II

隨著現(xiàn)代石化項(xiàng)目規(guī)模的不斷擴(kuò)大，管道應(yīng)力分析及管架設(shè)計(jì)越來(lái)越重要，目前國(guó)內(nèi)主要采用CAESAR II[1]進(jìn)行管道應(yīng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行管架設(shè)計(jì)，最終應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中。

1 管道應(yīng)力分析

壓力管道的應(yīng)力，主要是由于管道承受內(nèi)壓、外部荷載、熱膨脹以及位移受約束而引起的。對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析和計(jì)算，就是研究管道在各種荷載作用下產(chǎn)生的力、力矩和應(yīng)力，從而對(duì)管道做出安全性評(píng)價(jià)，并滿足所連設(shè)備、支吊架和土建結(jié)構(gòu)對(duì)管道推力的限定，使設(shè)計(jì)的管道盡可能經(jīng)濟(jì)合理[2]。

1.1 內(nèi)壓作用下管道的應(yīng)力及管道壁厚的確定

內(nèi)壓作用下管道的應(yīng)力分為兩種情況：薄壁管和厚壁管。薄壁管和厚壁管的劃分一般以K=DO/Di=1.2為界，其中DO和Di分別是管道的外徑和內(nèi)徑。當(dāng)只考慮管道承受內(nèi)壓作用時(shí)，在管壁上任何一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，是由作用于該點(diǎn)三個(gè)相互垂直的主應(yīng)力決定的（如下圖）：環(huán)向應(yīng)力？啄？茲；軸向應(yīng)力？啄L；徑向應(yīng)力？啄r。

對(duì)于薄壁管的應(yīng)力分布，？啄r=0；軸向應(yīng)力？啄L=■，其中P為內(nèi)壓，D為管子平均直徑，t為壁厚。環(huán)向應(yīng)力？啄？茲=■，可見(jiàn)？啄？茲=2？啄L。對(duì)于厚壁管的應(yīng)力分布，則認(rèn)為應(yīng)力沿壁厚是變化的，而且徑向應(yīng)力也不恒等于零。可由Lame公式得到。

管道壁厚的確定是基于薄壁管模型的計(jì)算理論，使用第三強(qiáng)度理論即最大剪應(yīng)力強(qiáng)度條件，綜合考慮焊接接頭系數(shù)及溫度影響系數(shù)得出的，即

式中：P為內(nèi)壓，D0為管子外徑，[？滓]t為材料在最高溫度下的許用應(yīng)力，Ej為焊接接頭系數(shù)，Y為溫度影響系數(shù)。

ASME B31.3指出該公式的適用條件為t

1.2 管道應(yīng)力的校核標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)管道應(yīng)力的性質(zhì)可分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力是由管線的內(nèi)壓和持續(xù)外載產(chǎn)生的應(yīng)力。二次應(yīng)力是由于管系變形受阻而引起的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力。峰值應(yīng)力是指由于局部應(yīng)力集中或局部熱應(yīng)力等所產(chǎn)生的較高的應(yīng)力。管道應(yīng)力的校核主要是核算一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。

1.2.1 一次應(yīng)力的校核標(biāo)準(zhǔn)

管道組成件的厚度及補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算滿足要求時(shí)，由于內(nèi)壓、外壓所產(chǎn)生的應(yīng)力是安全的，這是進(jìn)行一次應(yīng)力校核的前提條件。一次應(yīng)力即由壓力、重力和其他持續(xù)荷載所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和？滓L，不應(yīng)超過(guò)材料在預(yù)計(jì)最高溫度下的許用應(yīng)力[？滓]h。前面討論了管道壁厚的確定，可知由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為環(huán)向應(yīng)力的一半，也就是說(shuō)在一次應(yīng)力校核中，管道壁厚一半用于承受管道內(nèi)壓，另一半可用來(lái)承受外載荷。在一次應(yīng)力校核中，最好控制應(yīng)力百分比在80%以下，而且一次應(yīng)力百分比與彈簧荷載變化率的和應(yīng)該小于100%。

1.2.2 二次應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)

二次應(yīng)力校核實(shí)際上是控制一個(gè)應(yīng)力范圍，防止管道發(fā)生疲勞破壞。根據(jù)ASME B31.3，二次應(yīng)力的校核如下：

若[？滓]h大于？滓L，其查值可以加到上式中的0.25[？滓]h項(xiàng)上，則

其中，[？滓]E為計(jì)算的二次應(yīng)力范圍，[？滓]A為許用應(yīng)力，[？滓]c、[？滓]h分別為材料在冷態(tài)和熱態(tài)下的許用應(yīng)力，？滓L為一次應(yīng)力。

1.3 使用CAESAR II建立管道應(yīng)力模型需要注意的幾個(gè)問(wèn)題

1.3.1 端點(diǎn)位移與集中力的模擬

在用CAESAR模擬端點(diǎn)位移與集中力時(shí)，要注意各自缺省的含義。對(duì)于端點(diǎn)位移，如果缺省不填，則表示該自由度沒(méi)有限制位移，尤其對(duì)于轉(zhuǎn)角位移，如果沒(méi)有一定要輸“零”；而對(duì)于集中力，如果缺省不填，則表示該方向的力或彎矩為零。

1.3.2 使用柔性管嘴需要注意的幾個(gè)問(wèn)題

在CAESAR中使用WRC297是基于薄壁圓柱殼的線彈性理論（斯蒂爾理論）為基礎(chǔ)，適用范圍為：d/D<0.5，20？燮D/T？燮2500，205（其中，D、d、T、t分別表示圓筒和接管的直徑和壁厚）

另外，當(dāng)圓筒上設(shè)有補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)，則需要輸入補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度。

1.3.3 彈簧選型的幾種方法

一般情況下我們采用的彈簧都是CAESAR自動(dòng)選出的，但有時(shí)需要自己來(lái)定義彈簧。根據(jù)實(shí)際情況，可以在CAESAR選出的彈簧荷載基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，一般調(diào)整彈簧的操作荷載，但一定要注意彈簧荷載變化率[3]。LINDE選擇彈簧的方法是：建立一個(gè)不考慮摩擦力的文件，用此文件選出彈簧，然后把安裝荷載及剛度輸入到考慮摩擦力文件的彈簧預(yù)定義數(shù)據(jù)表中。

1.3.4 使用WRC107/297進(jìn)行管口局部應(yīng)力校核需要注意的問(wèn)題

CAESAR自帶的幾個(gè)分析模塊中，用WRC107/297進(jìn)行管口局部應(yīng)力校核的條件為：d/D<1/3，DM/T>50（其中，D、d分別表示設(shè)備和管子的外徑，T表示設(shè)備的壁厚，DM表示設(shè)備的平均直徑DM=D-T）

2 管架設(shè)計(jì)

管道應(yīng)力分析的應(yīng)用主要就是管架設(shè)計(jì)。

2.1 管線上支吊架的設(shè)計(jì)

管線上的支吊架大體可以分為：承重架、限位架、導(dǎo)向架、固定架以及減振架等等。為了保證整個(gè)管系的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，需要對(duì)管道進(jìn)行管架設(shè)計(jì)，即在合適的位置設(shè)置合適的管架。承重架就是在保證管道允許跨距的前提下，使得整個(gè)管系有足夠的支撐；限位架和導(dǎo)向架就是限制管道的位移，使得管道的運(yùn)動(dòng)方向按照自己設(shè)定的方式進(jìn)行，以保證滿足設(shè)備的管口受力和整個(gè)管系的穩(wěn)定性。

2.2 管架選型

管架選型就是在選擇合適的架型來(lái)支撐管道。設(shè)計(jì)單位一般都有自己的管架標(biāo)準(zhǔn)圖冊(cè)，其中列出各種類型的管架，在管架選型時(shí)盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)管架，很多時(shí)候需要組合多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)架才能實(shí)現(xiàn)某一個(gè)管架的設(shè)計(jì)目的。如果在設(shè)計(jì)中管架標(biāo)準(zhǔn)圖冊(cè)不能滿足需要，則需設(shè)計(jì)特殊架。管架選型時(shí)需注意管架的統(tǒng)一性，可以方便施工，達(dá)到整體統(tǒng)一的美觀效果。

2.3 管架自身的結(jié)構(gòu)和形式

在選用管架時(shí)除了要滿足管架形式的要求，還要使管架自身的結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。管架自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮在軸向力、剪力及彎矩作用下的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性校核。對(duì)于不能夠滿足的管架應(yīng)該設(shè)計(jì)特殊架，可以用材料力學(xué)的知識(shí)手算或者利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類軟件進(jìn)行管架設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]姜威.管道應(yīng)力分析軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].山西化工，2004.8（4）.

[2]宋苛苛.工業(yè)管道應(yīng)力分析與工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)石化出版社，2011.

[3]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國(guó)石化出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：郭艷，女，工程師，碩士，畢業(yè)于鄭州大學(xué)，現(xiàn)從事石油化工設(shè)計(jì)工作。