管道应力分析常规问题的探讨

周小兵

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)



设 计 技 术

管道应力分析常规问题的探讨

周小兵

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

在进行管道设计时，首先要考虑满足工艺要求，还应使管道的设计既经济合理又安全可靠，管道应力分析是实现这一目标的手段和方法。根据对相关规范的理解和支架设计技巧，结合长期的设计经验和应力分析理论，提出了管道应力分析时需要注意的问题，包括安装温度、弹簧设计、汽缸位移、再沸器及偶然工况等。

管道应力；安装温度；弹簧设计；汽轮机；再沸器；偶然工况

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.004

1 管道应力分析中如何定义安装温度

国内工程公司的管道应力分析专业通常规定：管道应力分析的安装温度，依据建设项目所在地的气象环境和安装时间及业主的特殊要求来确定，如无特殊规定，则管道安装温度取21℃。但也有人提出，关于管道应力分析的安装温度，热管应以最冷月平均气温为基准，冷管应以最热月平均气温为基准，认为这样计算结果才是最安全的。

二次应力是由热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用所产生的应力，是个位移应力变化范围。ASME B31．3明确指出，在进行位移应力范围计算时，应基于分析热循环内金属的最高温度与最低温度；在进行约束反力计算时，应基于金属最高(或最低)温度与预期安装温度。

举个例子，如某管道有两种操作工况，T1=300℃，T2=-50℃，安装环境温度为21℃，CAESAR Ⅱ软件会默认建立以下工况：

L1：W+T1+P1(OPE)

L2：W+T2+P1(OPE)

L3：W+P1(SUS)

L4：L1-L3(EXP)

L5：L2-L3(EXP)

显然，以上L4及L5都没有代表温度循环内极限的位移应力范围，不是规范上定义的二次应力，为了校核规范应力，设计者需要另外增加一个工况：

L6：L1-L2(EXP)

根据规范，应以L6来校核二次应力，L1及L2来提热态的约束反力条件。

安装好的管道受环境温度影响，上述例子中的T1也可能是冷管停车期间管道的环境温度，T2也可能是热管停车期间管道的环境温度。设计者修改软件模型中的安装环境温度，主要会对操作工况下的约束反力、操作工况与安装工况之间的应力变化范围产生影响。如按照热管以最冷月平均气温为基准，冷管以最热月平均气温为基准来修改安装环境温度，位移应力范围的校核将变得更加准确和安全，但约束反力会变得比较保守而偏大，这样对敏感设备管口受力校核往往很不利，增加了设计难度。

综上所述，准确的做法是在输入管道安装完毕时将当地的实际温度作为安装温度，另外，增加一种极限环境温度，安装温度用来计算约束反力，操作工况与极限环境温度之间的应力变化范围用来校核二次应力。因每根管道的实际安装温度很难准确得到，且空冷器、动设备等厂家给出的端点位移条件通常也是以21℃为基准，所以一般不建议更改软件安装环境温度，除非项目和业主有明确规定。

所以，常规做法是：如不另增极限环境温度工况，建议设计者进行二次应力校核时适当考虑裕量；如不修改安装温度，建议结构荷载条件适当放大。

2 弹簧设计注意事项

细心的管道设计者在接到应力报告后，会发现约束力报告弹簧点的位移及载荷与弹簧数据表中的不一致，有时差别还很大，不明白是什么原因。整个弹簧支吊架设计的步骤如下所述。

(1)利用标准跨距原理来选择管架位置。假设在这点有一个刚性Y向约束，然后进行质量载荷分析。这种分析称为“约束-质量”分析。在这一分析中，分布在每个约束上的质量载荷将被默认作为弹簧选型时的热态载荷。当管口操作载荷不是主要因素，而法兰配合是主要问题时，CAESARⅡ可以提供冷态载荷设计，其中在冷态工况，而不是在热态工况下平衡质量载荷。

(2)其次，从管架位置除去约束，进行热膨胀分析，这种分析称为“自由-热态”分析。每个支架位置的热态位移将被作为弹簧选择时的热位移。

(3)利用从“约束-质量”计算得出的热态载荷和“自由-热态”得到的位移，从上述弹簧表中选择一个弹簧对应每个点，利用弹簧刚度来确定安装所需冷态载荷(厂家预置的弹簧载荷)。

(4)通过在每个弹簧作用点增加一个刚度等于弹簧刚度的约束，并且通过增加弹簧预置载荷(冷态载荷)作为在持续载荷工况下起作用的力，来调整模型以反映弹簧的存在，再重新分析所有载荷工况以获得弹簧真实存在时的效应。

只要用户在管系中指定弹簧，上述4个步骤(除了确定弹簧支吊架的位置)将由CAESARⅡ自动完成。应力计算报告中，弹簧数据表上的位移为上述第2步骤计算得到，载荷由第1步骤得到，只是用来供弹簧选型，而约束力结果中该点的位移及载荷值才是较真实的弹簧位移，SUS工况的位移表示弹簧拔除定位销后的位移，通常不为零，OPE工况的位移表示操作状态下的位移。

举例说明：某管道弹簧支撑点热位移向下，设计时如采用热态工况平衡质量载荷，那么弹簧拔除定位销后，因冷态载荷不足会有向下位移Amm，热态下的位移刚好载荷平衡，约束力报告OPE工况中该点的位移即是弹簧数据表中的位移；如采用冷态工况平衡质量载荷，那么弹簧拔除定位销后，因冷态载荷平衡，几乎不会有垂直方向位移，在升温的过程中弹簧载荷逐渐变大，由于管道刚性的抑制，会让弹簧支撑点实际热位移无法达到设计值，那么约束力报告OPE工况中该点的位移值会比弹簧数据表中的位移值小Bmm。A、B值的大小取决于弹簧附近的管系柔性和弹簧的刚度。

当然，A、B值还和设计误差有关系，如附加零部件的预期质量，且这些质量很重要时，如没有考虑由大管卡或型钢制成的吊架组件的情况。某项目现场曾出现过管道上弹簧拔除定位销后，管道下沉，弹簧全部压死的现象。

通过以上分析，在弹簧使用较多，且热位移向下、设计原则采用热态工况平衡制动量载荷的场合，如果忽略这些质量，容易发生弹簧压死的现象。

在管道设计中常常会用到弹簧支吊架，其能够解决支架托空或支架受力过大的问题，可减小局部应力，文献1和2介绍了更多的弹簧设计技巧，正确合理地设计弹簧支吊架是一项重要的工作。

3 汽轮机开车时汽缸移位问题

常见的转动机器主要有汽轮机、离心式压缩机和离心泵，当管道受到热胀冷缩的影响时，对其所连接的转动机器将产生作用力。管道作用于转动机器的荷载(力和力矩)过大时，将造成转动轴的不对中、转子与定子之间的间隙改变，引起机器磨损和振动，影响机器正常运行。因此，必须对管道作用于转动机器的荷载加以限制。由于汽轮机管线操作温度较高，受力要求更为严格，因此汽轮机管道的柔性设计是管道应力分析中较为困难的问题之一。

由于背压式汽轮机与凝汽式汽轮机相比，结构更简单，机体更单薄，受应力作用容易变形，整体受力控制应引起注意。近几年来，国内外某几个项目现场连续出现过背压式汽轮机开车时汽缸移位的现象。笔者从以下几个方面分析消除管道方面的隐患的方法。

(1)设计上，首先应保证能冷态调零，为实现无应力安装、校核热态管口受力做好准备，也就是SUS工况下进汽口、排汽口受力几乎为零。实现这一点并不难，一般在汽轮机管口附近均匀地设置支架，通常采用弹簧架，以减小因垂直管道的热膨胀引起的管口热态作用力，第一个弹簧支吊架与管口的水平距离宜控制在4DN以内，使压缩机管道的自重及热胀推力和力矩尽可能不作用到压缩机管口上。

(2)依据厂家资料或者NEMA SM23，进行OPE工况下管口受力校核。根据参考文献3和其他资料，建议围绕机器固定点布置管道，并在管道与机器固定点处坐标轴的交点位置设置限位支架，从而使机器管口的热膨胀与管道热膨胀基本相当，减小管道对机器管口的作用力。为了减小摩擦力带来的不利影响，通常要求设置刚性吊杆和吊弹簧，限制性支架采用拉杆限位。计算时应考虑与主管相连支管的影响，一般情况下，汽轮机进汽口管线上会有暖管放空管线，排汽口管线上会接有安全阀管线，这些管线在满足工艺要求的前提下口径不宜过大。

(3)在刚性支撑的情况下(即弹簧定位销没有拔出之前)，依据相关标准规范检查管道法兰与机器法兰之间的间距、平行度和同轴度，刚性状态下管口无应力安装的质量应由施工方严格控制。此步骤建议由经验较丰富的施工人员进行安装，如果一次性安装没有通过厂家验收，再割开重新焊接会增加施工成本。

(4)依次取下弹簧支架的锁定装置，使弹簧发生作用。此时检查相关支架是否符合设计要求，如果出现偏离问题，则需要调整弹簧来满足管口对中要求。如果偏离过大，可能需要根据管道实际壁厚重新核算弹簧载荷。需要注意的是，第3步如果没有达标，想在第4步最终满足管口无应力安装的要求，几乎是不可能。

4 再沸器的双支撑设计

在化工装置中，经常会遇到塔与再沸器直接相连的情况，针对设备管口所受竖直方向和管线轴向的热膨胀力，文献1中已经指出了工程中常用再沸器的两种支撑型式和一些比较适用的措施，如找一合适的支撑标高设置刚性支架，或者在支耳处设置弹簧支架。但如果单独将这些做法实施在某些场合，其实并不合适，如再沸器质量过大、空重和操作重差距过大等，再沸器质量过大会导致接管轴向推力超标，管板法兰连接处拉力过大可能导致泄漏，空重和操作重差距过大会导致弹簧设计困难。

某国外项目上出现的再沸器EA201，分上(2/2)段、下(1/2)段，中间用管板法兰连接，下(1/2)段，操作液质12 300kg，设备净重47 000kg；上(2/2)段，操作液质量6 600kg，设备净重17 100kg。经管道应力分析专业初步研究，在再沸器上找一合适的支撑标高设置刚性支架，或者在支耳处设置弹簧支架，均无法同时满足设备接管及管板法兰的受力要求。

经研究，最终确定采用双支撑方案，支撑结构型式见图1，大致方案如下。

图1 再沸器的双支撑模型

(1)在(2/2)段，上根据2台设备的温度、材质等来确定再沸器第1组支耳位置，使塔与再沸器在接管处的膨胀量相等或相近，设计为刚性滑动承重支架，接触面采用不锈钢对聚四氟乙烯板，通过降低摩擦系数来进一步减小接管水平方向的力，支耳处的螺栓孔开成沿热位移方向的长圆形孔。

(2)在(1/2)段，上设置第2组支耳，标高可以根据设备、结构专业需要适当调整，采用4个吊弹簧承重，吊弹簧几乎不用考虑摩擦力，4个弹簧的总操作载荷约为50t，建议该载荷取值范围介于(1/2)段净重和两段总净重之间，要能保证接管轴向推力、管板法兰连接处拉力在允许的范围内。

5 偶然工况设计

随着工程公司国际化的发展，海外项目对管道应力分析专业的工作要求也越来越高，如在合同中明确提出管道设计中要考虑地震和风作用。这些地震和风作用对管道设计的影响有以下几点。

在实际工程中，考虑风和地震荷载时，管道应力分析中均推荐采用等效静力法来完成。对于偶然荷载作用下一次应力的校核条件，GB 50316参照了ASME B31.1和ASME B31.3的规定，采用了放大的许用应力系数[4]。关于荷载条件，因结构专业也已经做了整体的地震和风载荷分析，所以管道专业提给结构专业的荷载条件不要再考虑这2种偶然载荷，一般只考虑水压试验HYD、安装SUS、操作工况OPE，设备管口受力一般也无需按照这2种偶然载荷工况校核，但设计管道支吊架的附属件，如设备预焊件、管卡、管托、拉杆、挡块等时，应考虑能承受偶然工况下的载荷。

管道应力分析中包含的偶然荷载主要有风荷载、地震荷载、安全阀泄放载荷和水锤力，这些临时荷载无需同时构成组合工况。

与塔、反应器等设备相比，管道的直径较小，风荷载仅对大直径、位置较高的管道存在一定影响，只要按照常规设计要求，适当设置限制性支架，通常风荷载的防振要求均能满足。同理，因管道相对较小，地震发生时管道自身受地震作用造成应力过大而破坏的可能性并不大，通常是由于设备或管架倒塌或管道从支撑物上滑落，造成管道的破坏，只要适当设置限制性支架，根据SH 3039《石油化工非埋地管道抗震设计通则》，在绝大多数情况下，不需要进行管道的地震分析计算。

关于管道应力分析中的偶然工况设计，处理原则一般如下。

(1)根据规范校核管道在压力、重力、其他持续荷载和偶然荷载所产生的纵向应力之和。

(2)如果结构专业已经考虑风荷载、地震荷载，管道专业提给结构专业的荷载条件不要再包含此2种偶然荷载，但安全阀泄放载荷和水锤力应单独提出，管道支吊架的附属件，应考虑能承受偶然工况下的载荷。

(3)偶然工况下设备接管处局部应力校核准则可参考ASME Ⅷ Div.2，但一般情况下，设备管口允许受力可不考虑偶然工况下的受力。

6 结语

随着工艺技术的发展、装置规模逐渐大型化、海外项目比例增加，给管道设计人员带来诸多挑战，也对管道应力分析专业提出了更高的要求。正确地理解相关规范，使用合适的管道应力分析方法，才能设计既经济合理又安全可靠的管道布置方案。

[1]周小兵.塔与再沸器的配管及应力分析[J].化肥设计，2009(1)：32-34.

[2]周小兵，蔡晓峰，阳东升，等.弹簧支吊架在管道布置和应力分析中的相关注意事项[J].化肥设计，2010(6)：29-31.

[3]周小兵，蔡晓峰.关于几种典型化工装置管道支吊架的设计[J].化肥设计，2010(3)：14-17.

[4]唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2003.

[5]孙焕春，袁本旺，王兵槐.高压抽注凝汽式汽轮机主蒸汽管道的应力分析[J].化肥设计，2016，54(1)：25-28.

修改稿日期： 2017-03-01

Discussion on the General Issues about the Piping Stress Analysis

ZHOU Xiao-bing

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223，China)

In the pipeline design，we must first consider meeting the technological requirements，but the design of the pipeline should also be economically reasonable and safe and reliable. Pipeline stress analysis is the means to achieve this goal. Based on the understanding of the relevant norms and the design techniques of brackets，combined with long-term design experience and stress analysis theory，this paper puts forward the problems deserving attention in pipeline stress analysis，including installation temperature，spring design，cylinder displacement，reboiler，accidental conditions and so on.

pipe stress；installation temperature；spring design；steam turbine；reboiler；accidental conditions

周小兵(1983年—)，男，湖北武汉人，2007年毕业于武汉工程大学化工过程机械专业，硕士，高级工程师，现从事管道材料控制与应力分析工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.004

TQ086

A

1004-8901(2017)03-0013-04