管道應力分析及管架設計

摘 要：介紹管道應力分析及管架設計，提出使用CAESAR II建立管道應力模型需要注意的幾個問題。

關鍵詞：管道應力分析；管架設計；CAESAR II

隨著現(xiàn)代石化項目規(guī)模的不斷擴大，管道應力分析及管架設計越來越重要，目前國內(nèi)主要采用CAESAR II[1]進行管道應力分析，根據(jù)分析結果進行管架設計，最終應用于實際工程設計中。

1 管道應力分析

壓力管道的應力，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。對管道進行應力分析和計算，就是研究管道在各種荷載作用下產(chǎn)生的力、力矩和應力，從而對管道做出安全性評價，并滿足所連設備、支吊架和土建結構對管道推力的限定，使設計的管道盡可能經(jīng)濟合理[2]。

1.1 內(nèi)壓作用下管道的應力及管道壁厚的確定

內(nèi)壓作用下管道的應力分為兩種情況：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。當只考慮管道承受內(nèi)壓作用時，在管壁上任何一點的應力狀態(tài)，是由作用于該點三個相互垂直的主應力決定的（如下圖）：環(huán)向應力？啄？茲；軸向應力？啄L；徑向應力？啄r。

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

管道壁厚的確定是基于薄壁管模型的計算理論，使用第三強度理論即最大剪應力強度條件，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 管道應力的校核標準

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

1.2.1 一次應力的校核標準

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

1.2.2 二次應力校核標準

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

若[？滓]h大于？滓L，其查值可以加到上式中的0.25[？滓]h項上，則

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

1.3 使用CAESAR II建立管道應力模型需要注意的幾個問題

1.3.1 端點位移與集中力的模擬

在用CAESAR模擬端點位移與集中力時，要注意各自缺省的含義。對于端點位移，如果缺省不填，則表示該自由度沒有限制位移，尤其對于轉角位移，如果沒有一定要輸“零”；而對于集中力，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問題

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，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，當圓筒上設有補強圈時，則需要輸入補強圈的厚度。

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自動選出的，但有時需要自己來定義彈簧。根據(jù)實際情況，可以在CAESAR選出的彈簧荷載基礎上進行調整，一般調整彈簧的操作荷載，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定義數(shù)據(jù)表中。

1.3.4 使用WRC107/297進行管口局部應力校核需要注意的問題

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

2 管架設計

管道應力分析的應用主要就是管架設計。

2.1 管線上支吊架的設計

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

2.2 管架選型

管架選型就是在選擇合適的架型來支撐管道。設計單位一般都有自己的管架標準圖冊，其中列出各種類型的管架，在管架選型時盡量選擇標準管架，很多時候需要組合多個標準架才能實現(xiàn)某一個管架的設計目的。如果在設計中管架標準圖冊不能滿足需要，則需設計特殊架。管架選型時需注意管架的統(tǒng)一性，可以方便施工，達到整體統(tǒng)一的美觀效果。

2.3 管架自身的結構和形式

在選用管架時除了要滿足管架形式的要求，還要使管架自身的結構能夠滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求。管架自身結構設計主要考慮在軸向力、剪力及彎矩作用下的強度、剛度及穩(wěn)定性校核。對于不能夠滿足的管架應該設計特殊架，可以用材料力學的知識手算或者利用結構設計類軟件進行管架設計。

參考文獻

[1]姜威.管道應力分析軟件在化工設計中的應用[J].山西化工，2004.8（4）.

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

[3]唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2010.

作者簡介：郭艷，女，工程師，碩士，畢業(yè)于鄭州大學，現(xiàn)從事石油化工設計工作。