管道应力分析及管架设计

摘 要：介绍管道应力分析及管架设计，提出使用CAESAR II建立管道应力模型需要注意的几个问题。

关键词：管道应力分析；管架设计；CAESAR II

随着现代石化项目规模的不断扩大，管道应力分析及管架设计越来越重要，目前国内主要采用CAESAR II[1]进行管道应力分析，根据分析结果进行管架设计，最终应用于实际工程设计中。

1 管道应力分析

压力管道的应力，主要是由于管道承受内压、外部荷载、热膨胀以及位移受约束而引起的。对管道进行应力分析和计算，就是研究管道在各种荷载作用下产生的力、力矩和应力，从而对管道做出安全性评价，并满足所连设备、支吊架和土建结构对管道推力的限定，使设计的管道尽可能经济合理[2]。

1.1 内压作用下管道的应力及管道壁厚的确定

内压作用下管道的应力分为两种情况：薄壁管和厚壁管。薄壁管和厚壁管的划分一般以K=DO/Di=1.2为界，其中DO和Di分别是管道的外径和内径。当只考虑管道承受内压作用时，在管壁上任何一点的应力状态，是由作用于该点三个相互垂直的主应力决定的（如下图）：环向应力？啄？兹；轴向应力？啄L；径向应力？啄r。

对于薄壁管的应力分布，？啄r=0；轴向应力？啄L=■，其中P为内压，D为管子平均直径，t为壁厚。环向应力？啄？兹=■，可见？啄？兹=2？啄L。对于厚壁管的应力分布，则认为应力沿壁厚是变化的，而且径向应力也不恒等于零。可由Lame公式得到。

管道壁厚的确定是基于薄壁管模型的计算理论，使用第三强度理论即最大剪应力强度条件，综合考虑焊接接头系数及温度影响系数得出的，即

式中：P为内压，D0为管子外径，[？滓]t为材料在最高温度下的许用应力，Ej为焊接接头系数，Y为温度影响系数。

ASME B31.3指出该公式的适用条件为t

1.2 管道应力的校核标准

根据管道应力的性质可分为一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力是由管线的内压和持续外载产生的应力。二次应力是由于管系变形受阻而引起的正应力和剪切应力。峰值应力是指由于局部应力集中或局部热应力等所产生的较高的应力。管道应力的校核主要是核算一次应力和二次应力。

1.2.1 一次应力的校核标准

管道组成件的厚度及补强计算满足要求时，由于内压、外压所产生的应力是安全的，这是进行一次应力校核的前提条件。一次应力即由压力、重力和其他持续荷载所产生的纵向应力之和？滓L，不应超过材料在预计最高温度下的许用应力[？滓]h。前面讨论了管道壁厚的确定，可知由内压产生的轴向应力为环向应力的一半，也就是说在一次应力校核中，管道壁厚一半用于承受管道内压，另一半可用来承受外载荷。在一次应力校核中，最好控制应力百分比在80%以下，而且一次应力百分比与弹簧荷载变化率的和应该小于100%。

1.2.2 二次应力校核标准

二次应力校核实际上是控制一个应力范围，防止管道发生疲劳破坏。根据ASME B31.3，二次应力的校核如下：

若[？滓]h大于？滓L，其查值可以加到上式中的0.25[？滓]h项上，则

其中，[？滓]E为计算的二次应力范围，[？滓]A为许用应力，[？滓]c、[？滓]h分别为材料在冷态和热态下的许用应力，？滓L为一次应力。

1.3 使用CAESAR II建立管道应力模型需要注意的几个问题

1.3.1 端点位移与集中力的模拟

在用CAESAR模拟端点位移与集中力时，要注意各自缺省的含义。对于端点位移，如果缺省不填，则表示该自由度没有限制位移，尤其对于转角位移，如果没有一定要输“零”；而对于集中力，如果缺省不填，则表示该方向的力或弯矩为零。

1.3.2 使用柔性管嘴需要注意的几个问题

在CAESAR中使用WRC297是基于薄壁圆柱壳的线弹性理论（斯蒂尔理论）为基础，适用范围为：d/D<0.5，20？燮D/T？燮2500，205（其中，D、d、T、t分别表示圆筒和接管的直径和壁厚）

另外，当圆筒上设有补强圈时，则需要输入补强圈的厚度。

1.3.3 弹簧选型的几种方法

一般情况下我们采用的弹簧都是CAESAR自动选出的，但有时需要自己来定义弹簧。根据实际情况，可以在CAESAR选出的弹簧荷载基础上进行调整，一般调整弹簧的操作荷载，但一定要注意弹簧荷载变化率[3]。LINDE选择弹簧的方法是：建立一个不考虑摩擦力的文件，用此文件选出弹簧，然后把安装荷载及刚度输入到考虑摩擦力文件的弹簧预定义数据表中。

1.3.4 使用WRC107/297进行管口局部应力校核需要注意的问题

CAESAR自带的几个分析模块中，用WRC107/297进行管口局部应力校核的条件为：d/D<1/3，DM/T>50（其中，D、d分别表示设备和管子的外径，T表示设备的壁厚，DM表示设备的平均直径DM=D-T）

2 管架设计

管道应力分析的应用主要就是管架设计。

2.1 管线上支吊架的设计

管线上的支吊架大体可以分为：承重架、限位架、导向架、固定架以及减振架等等。为了保证整个管系的强度、刚度及稳定性，需要对管道进行管架设计，即在合适的位置设置合适的管架。承重架就是在保证管道允许跨距的前提下，使得整个管系有足够的支撑；限位架和导向架就是限制管道的位移，使得管道的运动方向按照自己设定的方式进行，以保证满足设备的管口受力和整个管系的稳定性。

2.2 管架选型

管架选型就是在选择合适的架型来支撑管道。设计单位一般都有自己的管架标准图册，其中列出各种类型的管架，在管架选型时尽量选择标准管架，很多时候需要组合多个标准架才能实现某一个管架的设计目的。如果在设计中管架標准图册不能满足需要，则需设计特殊架。管架选型时需注意管架的统一性，可以方便施工，达到整体统一的美观效果。

2.3 管架自身的结构和形式

在选用管架时除了要满足管架形式的要求，还要使管架自身的结构能够满足强度、刚度和稳定性的要求。管架自身结构设计主要考虑在轴向力、剪力及弯矩作用下的强度、刚度及稳定性校核。对于不能够满足的管架应该设计特殊架，可以用材料力学的知识手算或者利用结构设计类软件进行管架设计。

参考文献

[1]姜威.管道应力分析软件在化工设计中的应用[J].山西化工，2004.8（4）.

[2]宋苛苛.工业管道应力分析与工程应用[M].北京：中国石化出版社，2011.

[3]唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2010.

作者简介：郭艳，女，工程师，硕士，毕业于郑州大学，现从事石油化工设计工作。