几种偶然荷载对管道应力的影响

尹君东,朱 峰

(中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071)

管道所受偶然荷载的定义及校核原则：偶然荷载是指在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值较大且持续时间较短的荷载，如风载、地震载荷，安全阀起跳载荷等。对于管道来讲偶然荷载可以产生一次应力也可以产生二次应力，例如风和地震产生的荷载是一次应力，由于事故工况等非正常工况引起的温度大幅度变化产生的应力是二次应力。

1 偶然荷载一次应力校核原则

对于偶然荷载，许用应力可以适当放宽，其原因是基于材料的特性和偶然荷载的特点决定的，偶然荷载虽然产生的力较大，但作用时间较短，而管道材料的蠕变是由力和时间两个因素来决定的，在荷载作用时间很短的情况下，管道材料的蠕变基本可以忽略不计。

对于偶然荷载的一次应力校核，GB50316给出了如下规定：

Kt：许用应力系数，当偶然荷载最红时间每次不超过10h，每年累计不超过100h时：KT=1.33；当偶然荷载最红时间每次不超过50h，每年累计不超过500h时： KT=1.2；MA：由于自重和其他持续外载作用在管道横截面上的合成力矩(N·mm)；MB：安全阀的反作用力、风力或地震等产生的偶然荷载作用于管道横截面上的合成力矩(N·mm)；W ：管道抗弯界面模量(mm3)；P ：设计压力(MPa)；i：应力增大系数；D0：管道外径(mm)；Di：管道内径(mm)。

2 风载

2.1 风载的计算方法

按风荷载的计算GB50316并没有给出具体的公式，可以按照《石油化工装置工艺管道安装设计手册》推荐的方法进行计算，基本原理就是力=压强 受力面积，即:

F=W×K2×K2×D×sinθ

式中：F：风荷载(N/m )；W：基本风压 ( N/m2)；K1：风型系数；K2：迎风面积(m2)；D：管道外径(包括保温)；sinθ：风向与管道轴线之间的夹角(度)。

2.2 风载对管道系统的影响及解决方案

风载对于管道最直接的影响就是增加了管道的侧面受力，如果管道直径较粗管道所在位置风压值较大的情况下，可能会影响管道系统的整体的应力情况。

下面举例说明风载对管系的影响：某地风压值为600 ，某减压装置中的减压转油线管道直径达到DN1800,材料为Q245R+317L,T=16mm+3mm,操作温度402℃，压力-10KPa,风型系数0.7，地面粗糙度类别为A类，风荷载见图1，管形及约束见图2，风荷载方向考虑+X向,模型中10点为减压塔入口，转油线低速段有两个支点为20点和40点。

图1 管道系统风荷载

方案一：20点与40点仅加弹簧支架，计算结果见表1。

根据表格可以看出当考虑+X向风载时，由于转油线低速段管径较大，迎风面积就大，导致减压塔管嘴处会多承受很大的力和力矩，对减压塔管嘴的安全是一个很大的考验。在40点增加一个X向限位，再进行计算得到结果见表2。

表1 20点与40点仅加弹簧支架，计算结果

表2 在40点增加一个X向限位计算得到结果

通过计算结果我们可以看到，40点的限位支架有效的分担了风载，关键是大幅度减小了管嘴的弯矩，通过这种在关键位置增加导向架的方式可以有效的减小风载对管系应力的影响。

3 安全阀排放反力荷载

3.1 安全阀排放反力荷载的计算方法

3.1.1 开式系统的反作用力

在稳态流动的条件下，安全阀开启时的反力F包括动量效益和应力效应两部分。如图2所示。

F=GW+(P-Pa)·106(N)

式中：F——点1的反作用力，N；

G——质量流速，Kg/s，按安全阀开启时最大流率的1.1倍；

W——点1的出口流速m/s；

P——点1的静压，MPa；

Pa——大气压力MPa；

图2 安全阀开启时的反力

3.1.2 反作用力的动力放大特性(动载因子)

管系在瞬态载荷作用下受到的力和弯矩一般大于静态值，这种动力放大特征可用动载因子DLF来表征。DLF定义为动挠度与静挠度的最大比值。

DLF可按下述方法确定：

(1) 安全阀系统的振动周期 (s)。

式中:W——安全阀、入口管、出口管及法兰等的总质量，Kg；(与前面公式中的指代意义不同)；

h——主管道至出口管中心线的距离，cm；

E——设计温度下，入口管材料的弹性模量，MPa；

I——入口管的惯性矩，cm4。

(2) 计算安全阀开启时间t0与周期T的比值t0/T，t0为安全阀从全闭到全开的时间。

(3)由t0/T从图3中查得动载因子。

图3 开式排气系统的动载因子

3.2 安全阀排放反力对管道系统的影响及解决方案

安全阀排放反力对于管道最直接的影响就是增加了管道的水平和竖立方向的推力，根据上节公式可以看出，此力的大小与压差、流速和管径有关，在管径一定的情况下，压差越大流速越快对管道造成的力也就越大，管道的响应也就越大，如果不对管道进行特殊的设计，任由这个力作用于管道是非常危险的，轻则会引起管道系统的振动，严重的时侯有甚至会影响管道本身的安全。

在实际工作中安全阀的排放反作用力通常是由安全阀制造厂提出，值得注意的安全阀制造厂提出的力是稳定流动状态下的作用力，而我们评价管道应力时要考虑安全阀起跳瞬间的瞬态荷载，一般来说瞬态荷载取稳定流动状态下的作用力的两倍。

下面举例说明安全阀起跳荷载对管系的影响：某项目汽轮机出口管道有安全阀放空管线，如图4所示，安全阀制造厂提供的稳定状态下的反作用力为1000N，所以我们在如图段考虑反作用力管系的影响。通过计算我们可以看出，如果不对管道加以限制，安全阀起跳载荷会引起管道应力的超标,见表3。

图4 汽轮机出口管道有安全阀放空管线表3 安全阀起跳荷载对管系的影响

通过在管道上面增加限位支架，则管道的应力水平满足要求，见表4。

表4 增加限位支架管道的应力水平

4 结论

对于存在偶然荷载的管道，在设计时应充分考虑其影响，通过修改管系走向，增加限位支架等方式增加管道的刚度，降低偶然荷载对管道的影响，保证管道的安全平稳运行。