康晟峰 孫行之 中石化上海工程公司 上海 200120

1 位移應(yīng)力與反作用力計(jì)算中溫度取值區(qū)別

在管道應(yīng)力計(jì)算中，管道運(yùn)行時(shí)的金屬壁溫是最重要的參數(shù)之一,它用于計(jì)算管道的熱位移、位移應(yīng)力以及對(duì)于動(dòng)、靜設(shè)備及支架的反作用力。管道的溫度變化范圍則決定了管道熱位移的大小、位移應(yīng)力水平及反作用力大小。然而對(duì)于位移應(yīng)力和位移反力來說，二者的溫度范圍取值是有區(qū)別的，在應(yīng)力計(jì)算中往往被忽略。本文主要闡述評(píng)估金屬管道位移應(yīng)力及反作用力計(jì)算中對(duì)溫度范圍取值的區(qū)別以及在CAESAR II中的實(shí)際運(yùn)用。

關(guān)于管道溫度范圍，在ASME B31.3章節(jié)319.3.1中有兩個(gè)定義，釋義如下：

(1)定義了位移應(yīng)力計(jì)算中溫度取值的范圍，主要強(qiáng)調(diào)了在計(jì)算管道位移應(yīng)力時(shí)，溫度變化的取值范圍是金屬最大溫度和最低溫度的代數(shù)差值。

(2)定義了由于熱位移引起的反作用力(包括支架載荷，管口載荷)，主要強(qiáng)調(diào)了管道安裝溫度這個(gè)概念，即管道最高(最低)溫度與安裝溫度之間的代數(shù)差值用以評(píng)估管道對(duì)支架或設(shè)備的反作用力。

釋義(1)中的最大熱位移應(yīng)力的計(jì)算，對(duì)于高溫?zé)峁艿蓝裕瑴囟茸兓秶娜≈祽?yīng)該是管道最大金屬壁溫與年最低環(huán)境溫度的差值；對(duì)于低溫冷管道而言，溫度變化范圍的取值應(yīng)該是管道最低金屬壁溫與年最高環(huán)境溫度的差值。對(duì)于同時(shí)存在熱工況和冷工況的管道，溫度變化范圍則為管道最高金屬壁溫與最低金屬壁溫的差值。

對(duì)釋義(2)中對(duì)安裝溫度的定義則比較模糊，考慮到現(xiàn)場(chǎng)管道施工周期較長，安裝溫度一般取年平均氣溫。但在實(shí)際工程中，一些業(yè)主或工程公司對(duì)于安裝溫度有自己的規(guī)定，對(duì)安裝溫度的取值往往要求考慮最嚴(yán)苛的情況。位移應(yīng)力與反作用力及安裝溫度取值見下文詳細(xì)闡述。

2 位移應(yīng)力與反作應(yīng)力計(jì)算中溫度范圍取值及在CAESAR II 中的運(yùn)用

在管道安裝溫度TI取年平均氣溫情況下，管道位移應(yīng)力和反作用力溫度取值范圍如表1、表2所示(相關(guān)符號(hào)說明見文末):

表1 管道位移應(yīng)力計(jì)算中溫度取值范圍(TI取年平均氣溫)

表2 管道反作用力計(jì)算中溫度取值范圍(TI取年平均氣溫)

對(duì)于表1、2中的工況1，在CAESARII工況編輯器中表述如下：

DefinitonNameStresstypeCombinationMethodL1W+T1+P1T1=TdOPEL2W+T2+P1T2=Tamin(環(huán)境最低氣溫)OPEL3W+P1SUSL4L1-L3管道最大反作用力范圍EXPAlgebraicL5L2-L3EXPAlgebraicL6L4+L5管道最大位移應(yīng)力范圍EXPAbs

對(duì)于表1、2中的工況2，在CAESARII工況編輯器中表述如下：

DefinitonNameStresstypeCombinationMethodL1W+T1+P1T1=TdOPEL2W+T2+P1T2=Tamax(環(huán)境最高氣溫)OPEL3W+P1SUSL4L1-L3管道最大反作用力范圍EXPAlgebraicL5L2-L3EXPAlgebraicL6L4+L5管道最大位移應(yīng)力范圍EXPAbs

對(duì)于表1、2中的工況3，在CAESARII工況編輯器中表述如下：

DefinitonNameStresstypeCombinationMethodL1W+T1+P1T1=TdOPEL2W+T2+P1T2=Tamax(環(huán)境最高氣溫)OPEL3W+T3+P1T3=Tamin(環(huán)境最低氣溫)L4W+P1SUSL5L1-L4EXPAlgebraicL6L2-L4EXPAlgebraicL7L3-L4EXPAlgebraicL8L6+L7管道最大位移應(yīng)力范圍EXPAbsL9L5,L6,L7管道最大反作用力范圍EXPMax

對(duì)于表1、2中的工況4，在CAESARII工況編輯器中表述如下：

DefinitonNameStresstypeCombinationMethodL1W+T1+P1T1=Tdmax(最高金屬壁溫)OPEL2W+T2+P1T2=Tdmin(最低金屬壁溫)OPEL3W+P1SUSL4L1-L3Tdmax-TIEXPAlgebraicL5L2-L3Tdmin-TIEXPAlgebraicL6L4+L5管道最大位移應(yīng)力范圍EXPAbsL7L4,L5管道最大反作用力范圍EXPMax

當(dāng)安裝溫度TI的取值需要考慮最嚴(yán)苛的環(huán)境溫度工況時(shí)，即管道在最高環(huán)境溫度或最低環(huán)境溫度完成安裝時(shí)，位移應(yīng)力溫度取值范圍參見表1，而管道安裝溫度取值及反作用力溫度取值范圍則見表3、表4。

表3 管道安裝溫度取值

表4 管道反作用力計(jì)算中溫度取值范圍(TI取最嚴(yán)苛環(huán)境溫度)

由于CAESAR II 對(duì)單個(gè)計(jì)算模型無法同時(shí)設(shè)置2個(gè)不同的安裝溫度，對(duì)于上述表4工況3、4的情況，需要在不同安裝溫度取值下進(jìn)行兩次計(jì)算，然后進(jìn)行比較，挑選出最極端的工況。

3 結(jié)語

在管道應(yīng)力計(jì)算中，計(jì)算評(píng)估管道的應(yīng)力水平關(guān)系到管道本體的安全。在實(shí)際工程中，對(duì)于位移應(yīng)力最大范圍的計(jì)算是考慮管道從極端寒冷或炎熱的環(huán)境氣溫下升溫或降溫達(dá)到最大或最低金屬壁溫，或者從低溫工況轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷毓r時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力范圍。計(jì)算因溫度變化引起的反作用力則關(guān)系到支架及管道連接的動(dòng)靜設(shè)備的安全，而最苛刻的工況則是考慮管道在極端環(huán)境氣溫下完成安裝連接，用以計(jì)算出最大溫差帶來的最保守的支架及設(shè)備的反作用力。

管道金屬壁溫變化引起的位移應(yīng)力和管道反作用力兩者有聯(lián)系但計(jì)算方法又有不同，特別是對(duì)于一些需要應(yīng)力計(jì)算但操作溫度較低的管道，不同的安裝溫度及位移應(yīng)力溫度范圍取值對(duì)計(jì)算結(jié)果有著較大的影響。

符 號(hào) 說 明

Td-管道金屬壁溫(最大操作溫度)

Tdmax-管道最高金屬壁溫

Tdmin-管道最低金屬壁溫

Ta-年平均環(huán)境溫度

Tamax-年最高環(huán)境溫度

Tamin-年最低環(huán)境溫度

TI-管道安裝溫度