压力管道低温低应力工况判定方法及应用
2017-09-04刘洪佳田德永吴广增
刘洪佳， 田德永 ，吴广增
(中海油山东化学工程有限责任公司， 山东 济南 250101)
压力管道低温低应力工况判定方法及应用
刘洪佳， 田德永 ，吴广增
(中海油山东化学工程有限责任公司， 山东 济南 250101)
阐述了压力管道低温低应力工况的确定方法，并结合工程实例说明压力管道低温低应力工况应用的要点。
低温低应力；压力管道；判定方法
压力管道设计中低温材料的脆性开裂问题时有发生，金属材料随着温度的下降，将由延性转变为脆性，在应力的作用下产生低应力脆性断裂。针对金属材料低温脆性问题，国内外相关规范都规定了金属材料的最低使用温度及低温冲击试验要求[1]。压力管道规范(GB/T20801.2)规定了碳钢低温低应力工况免除冲击试验的最低使用温度-101℃[2]。冷库设计规范(GB50072)将制冷系统作为低温低应力工况[3]，规定制冷系统20#碳钢管道的最低工作温度至-48℃。
低温低应力工况运行的管道除了温度不得低于规范要求最低温度外，管道内最大应力要求不得高于规范要求最低应力水平，而决定管道最高应力水平的因素除了压力、重力外，还有管道柔性。因此，低温低应力工况判定应经过应力分析确定。
1 低温低应力工况
低温低应力概念源于压力容器规范(GB150.3)附录E[4]：“低温低应力工况系指壳体或其受压元件的设计温度虽然低于-20℃，但设计应力小于或等于钢材标准常温屈服强度的1/6，且不大于50MPa时的工况”。压力管道规范(GB/T20801)将同时满足下列三个条件的工况定义为低温低应力工况：
(1)低温下的最大工作压力不大于常温下最大允许工作压力的30%。
(2)管道由压力、重量及位移产生的轴向(拉)应力总和不大于10%材料标准规定最小抗拉强度值。
(3)仅限于GC2级管道，且最低设计温度不低于-101℃。
低温低应力工况下管道或其管道元件的设计温度虽然低于或等于规范规定的材料低温界限，但其总体应力小于或等于规定的低应力水平。此时管道不会发生脆性断裂。在工程实践和科学试验中，确实存在这种情况。
2 低温低应力工况判定方法
2.1 判定方法
低温低应力管道的判定是应用低温低应力工况的前提，低温低应力工况与温度压力、重量及位移产生的轴向应力相关，即管道位移应力跟管道布置有关。低温低应力管道判定步骤如图1所示。
图1 低温低应力管道判定步骤
2.2 直管常温最大允许压力计算
直管外压设计应按照压力容器规范(GB150等)计算最大允许压力，压力管道多为内压管道，本文仅讨论内压直管最大允许压力计算。内压直管最大允许压力计算按式(1.1)。
(1.1)
式中：PL——最大允许压力，MPa；t——管道壁厚，mm；S——管道材料常温许用应力，MPa；Φ——纵向焊接接头系数，无缝钢管取1.0；Do——管道外径，mm；Y——计算系数，低温管道且t 2.3 弯管弯头常温最大允许压力[5] 内压弯头或弯管常温最大允许压力PE按式(1.2)计算。 (1.2) 2.4 法兰、阀门最大允许工作压力 法兰最大允许工作压力按照钢制管法兰标准(HG/T20592)规定的法兰常温压力额定值选取。阀门常温最大允许工作压力按供货商或国家规范执行。 2.5 管道轴向拉应力计算 管道轴向拉应力源于轴向载荷和冷缩位移。管道低温低应力工况判定应计算二者的综合拉应力。 (1)内压及轴向力引起的轴向拉应力σL (1.3) 式中：Pd——设计压力，Mpag；Di——管道内径，mm；Fax——作用在管道横截面的轴向力，N；A——管道横截面积，mm2。 (2)重量荷载引起轴向应力σZ 重力可按均布荷载作用产生的弯曲正应力计算，有集中荷载时，应考虑集中荷载对管道弯矩的影响。 (1.4) 式中：M——均布荷载引起最大弯矩，N.m，直连管道M=qL2/12，L型布管时最大弯矩M= M=qL2/8；Z-截面模量，mm3；q——管道重量，N/m； (3)管道冷缩位移引起的轴向应力 冷缩位移引起的轴向应力与管道材料、操作温度及管道布置有关。复杂管系冷缩导致轴向应力应借助应力分析软件详细计算得出，简单管系冷缩轴向应力可采用经验公式计算。 图2(a)所示，直连管道冷缩位移引起的轴向应力： (1.5) 图2(b)所示，L型管道布置冷缩位移引起的轴向应力： (1.6) 其中，E——操作温度下材料弹性模量，MPa；α——操作温度至室温的材料平均线膨胀系数；R——管道半径，mm；To-Ta——操作温度与安装温度的差值，℃。 图2 直连及L型布管示图 某低温甲醇洗管道，介质为CO2，无缝管道外径Φ219.1mm，壁厚8mm，设计温度-45℃，设计压力0.4MPag，法兰等级Class 150，管道布置为直连或者L型(如图2)，管道重量408.17N/m，长度L、L1、L2为3m，安装温度21℃。根据低温低应力工况判定方法确定该管道是否可选用20#碳钢材料。 3.1 根据压力管道分级，该管道属于GC2级压力管道。 3.2 直管常温最大允许工作压力按式(1.1)计算，PL= 9.706MPa；弯头常温最大允许压力按式(1.2)计算，代入数据得弯头内外侧最大允许压力为PEi=9.1MPa、PEo=6.37MPa。因此，该管道常温最大允许压力应为6.37MPa，从而管道低温最大工作压力(0.4MPag)小于0.3倍管道常温最大允许压力(1.91MPa)。 3.3 根据HG20615法兰温压表，低碳钢法兰常温最大允许压力1.96MPa，管道低温最大工作压力(0.4MPag)小于法兰常温许用压力的30%(0.588MPa)。 3.4 内压引起的轴向拉应力按式(1.3)计算，σL= 2.44MPa。 3.5 直连管道重量引起拉应力按式(1.4)计算：σZ=1.134MPa；L型管道重量引起拉应力按式(1.4)计算：σZ=1.7MPa。 3.6 位移产生的轴向拉应力按式(1.5)、(1.6)计算，直连布管时最大拉应力σAx=131MPa，L型布管时最大拉应力σEx=28.7MPa。 3.7 查GB/T20801表A.1： 碳钢20#标准规定最小抗拉强度值为410MPa。综合以上计算结果得出： (1)直连布管时管道由于位移产生的拉应力(131MPa)达到材料最小抗拉强度值(41MPa)的3.2倍。 (2)L型布管时最大拉应力(σL+σZ+σEx)为32.85MPa，小于10%材料最小抗拉强度值(41MPa)。 (3)该管道在L型布管时满足低温低应力工况要求，可以采用20#材料。 低温低应力工况是保证低温碳钢管道不发生脆性断裂的最低要求，应该根据管道介质、压力及布置情况综合评定以确定是否满足低温低应力工况。 低温低应力工况应用注意事项： (1)低温低应力工况的判定与管道布置相关，应避免低温管道直连布管。 (2)复杂布置管道应经过详细应力分析以保证管道综合轴向应力小于10%材料最小抗拉强度。 (3)管道存在如压力波动、流体冲击等冲击工况，即使满足低温低应力工况要求，也不建议采用，避免外部冲击荷载造成的脆断风险。 (4)极冷地区常温操作的GC3级管道(如氮气管)，项目建设地冬天极端温度低于-20℃，若满足低温低应力条件也可参照低温低应力工况。 (5)低温低应力工况是GC2管道免除冲击试验的条件之一，理论基础是最大应力满足规范要求的低应力水平，不适用于GC1级和剧烈循环工况。 [1] 尹 侠.压力管道设计中低温低应力工况及其应用[J].化工机械,2001 (1):30-31. [2] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB/T20801.2-2006压力管道规范-工业管道[S].北京：中国标准出版社，2007. [3] 中华人民共和国住房和城乡建设部 国家质量监督检验检疫总局.GB50072-2010冷库设计规范[S].北京：中国计划出版社,2010. [4] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB150-2011压力容器[S].北京：中国标准出版社，2011. [5] 黄兴军.低温低应力工况的认识和应用[J].化工设备与管道,2005 (2):13-14. (本文文献格式：刘洪佳， 田德永 ，吴广增.压力管道低温低应力工况判定方法及应用[J].山东化工，2017，46(08)：190-120，122.) Decision Method and its Application of Low Temperature and Low Stress Condition in Pressure Pipline Design LiuHongjia,TianDeyong,WuGuangzeng (CNOOC Shandong Chemical Engineering Co.，Ltd.,Jinan 250101,China) The decision method of low temperature and low stress condition in pressure pipline design is elaborated in this paper，and the application key points of low temperature and low stress conditi- -on are illustrated combining with project cases. low temperature and low stress；pressure pipline；decision mathod 2017-03-03 刘洪佳(1984—)，山东济南人，工程师，现主要从事工程设计及应力分析相关工作。 TQ05 A 1008-021X(2017)08-0119-02
3 工程应用
4 结论
