Auto PIPE在架空蒸汽管道应力分析中的应用

安晓晓

摘 要：以某企业架空中压蒸汽管道（自然补偿）为例，基于Bentley AutoPIPE软件的中压蒸汽管线系统进行建模，管架选取以及应力分析，结合理论应力验算方法，采用Auto PIPE软件对计算管系在自然补偿条件下进行应力分析验算。结果表明，合理的管道走向以及正确的管道支吊架选取可以增加管道的自然补偿能力，避免整个管系因应力过大而引起管道疲劳的现象。

关键词：AutoPIPE 应力分析 管道支吊架

中图分类号：TK28 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（a）-0-02

Bentley AutoPIPE 是一套全Windows界面的管道分析软件，当管道系统受到静态及动态荷载时，计算分析系统所承受的一次应力、二次应力，荷载力及变形量[1]。

1 案例背景

某精细化工厂反应釜需要操作温度180℃，操作压力1.0Mpa的中压蒸汽，该蒸汽自工业园区，管材采用20#，管径是DN200、DN150和DN40，厚度分别为8.5mm、7.5mm和4.0mm，管道采用架空敷设的方式。管道保温层选用硅酸铝纤维棉，厚度100mm。该管道为GC2级压力管道。本文对该中压蒸汽管道进行应力分析的目的在于确定其管架设置的合理性，同时，也结合工程实例介绍如何运用 AutoPIPE进行中压蒸汽管道的应力分析。

2 模型建立

2.1 管道及管件壁厚的确定

直管（以主管DN200为例）计算根据《工业金属管道设计规范》GB 50316-2000（2008版）第6.2.1条直管厚度计算如下：

ts=PD0/2（[σ]tEj+PY）；tsd= ts+C；C=C1+C2

设计压力：P=1.2MPa；设计温度220℃下管材许用应力：[σ]t=124MPa；当设计温度小于200℃时，温度对直管壁厚的修正系数：Y=0.4；管道壁厚负偏差C1=1.5mm；管子壁厚腐蚀附加量C2=1.0mm；系数焊接接头系数：Ej =1，根据壁厚公式计算的管道壁厚6.8mm，结合常用管道壁厚，取管道壁厚为8.5mm可满足工艺要求。弯头的曲率半径为1.5倍的管公称直径。弯头、三通管壁厚的增大系数取1.25[2]，即弯头、三通管的最小壁厚为直管最小壁厚与壁厚增大系数的乘积，仍考虑管子壁厚负偏差附加量C1、管子壁厚腐蚀附加量C2经过验算，弯头、三通的取用壁厚取8.5 mm。

2.2 输入相关参数

将已知的管径、管壁厚、温度、压力等参数输入相应的缺省项内，本案例满足ASME B31.3标准的要求。

2.3 支吊架的设置

管道支吊架的功能主要可概括为承受管道荷载、限制管道位移和控制管道振动3个方面[3]。根据支吊装置各自的主要性能和用途；可将其分为以承受管系重量为目的的装置，即承重支吊架（包含恒力支吊架、弹簧支吊架、刚性支吊架以及限位装置）、以限制和约束因热胀引起管系自由位移为目的的装置，即限位支吊装置（包含导向支架、固定支架 ）和用于制止管道摆动振动或冲击的控制装置，即振动控制装置（减振器和阻尼器）三大类。

根据验算结果，计算管段采用3处方形自然补偿，11处L形自然补偿。计算中压蒸汽管道模型见如图1所示。

3 模拟结果与分析

3.1 应力分析依据

管道应力分为一次应力和二次应力。管道承受的介质内压、自重、介质重量等持续外荷载而产生的应力属于一次应力。由于管道变形受到约束而产生的应力，不直接与外力平衡，属于二次应力；二次应力一般由热胀冷缩和端点位移引起。

一次应力的评定采用弹性理论进行，即限定一次应力不超过材料的屈服极限。引入安全系数，工程上一般限定管道的一次应力不得超过设计温度下管道材料的许用应力。即[σ]1≤[σ]t。

二次应力的评定采用的是安定性理论进行[4，5]，即结构在热荷载反复变化的过程中，不发生塑性变形的连续循环；反之，如果一个结构在反复加载和卸载时（随着管道的启、停而产生多次的冷热交换），不断出现新的塑性变形，即该结构的变形趋于不稳定，则认为它是不安定的。

其中，σE为热胀用力范围，MPa；f为热胀应力范围的减小系数；σall，20为钢材在20时的许用应力，MPa。热胀应力范围的缩小系数 可按管道全温度周期性的交变次数N确定：f=1，N≤2500；=4.78N-0.2，N>2500，N为管道全温度周期性的交变次数。

3.2 模拟结果分析

经模拟计算得到管系和管件处热位移，约束力以及各节点处的应力最大数值。由模拟结果可知，整个管系中最大位移出现在节点B15处，x方向位移为12.38mm，y方向位移为0.00mm，z方向位移为85.23mm。

在架空蒸汽管道设计中，支架承受的约束反力是结构专业进行蒸汽管道支架设计的基本依据。由模拟结果可知，固定支架承受约束反力最大处为节点C13，约束反力为9411N。滑动支架约束反力最大处为节点B17，约束反力为25909N。

通过运行比率查看标准应力结果，发现应力最大的节点是C13，一次应力占许用应力的比率是0.12，二次应力占许用应力的比率是0.665，环应力占许用应力的比率是0.24，满足应力允许范围。

整个管系分析结果中，查看标准应力项得到管系计算应力与许用应力比率数据，其中包括一次应力，二次应力和环应力；当计算管系中所有节点的应力比率 均小于1 时，则认为计算管系设计合理、安全可靠。

参考文献

[1] 许强，黄坤，卢泓方，等.Auto PIPE在天然气增压站中的应用[A].CICP 2013中国国际管道会议[C].2013：127-129.

[2] 赵国强，彭文玲.直埋蒸汽管道应力计算与分析[J].煤气与热力，2015，35（5）：14.

[3] 刘豪杰.AUTOPIPE在立管系统建模分析中的应用研究[D].天津：天津大学，2010.

[4] 唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2003：57-59.

[5] 王瑩，郭莉辉，田再强，等.蒸汽管道应力验算与自然补偿条件下应力分析[J].煤气与热力，2017，37（3）：32-34.