三类压力管道组成件强度计算分析

2019-10-28

化肥设计 2019年5期

关键词：内压外径薄壁

(武汉江汉化工设计有限公司，湖北武汉 430223)

当运用强度理论对压力管道进行壁厚计算时，首先对不同的管道进行分类，然后运用相应的强度理论分析计算相应的管道，再结合项目使用年限、环境工况、偏差规定等，确定合理有效的管道壁厚值。

1 三类管道的定义及适用的强度理论

1.1 普通薄壁管道

管道模型可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒两种，两者的划分一般以K=D0/Di=1.2为界(其中，D0、Di分别为管道外径和内径)，当K≤1.2时为薄壁圆筒，当K>1.2时为厚壁圆筒。

计算壁厚若仅考虑压力的作用，没有考虑管道的布置形式和操作运行条件造成的强度减弱因素，力学上的简化模型不同，所得到的计算公式也不相同。在压力作用下管道组成件的强度设计中，所采用的强度理论是最大剪应力理论，也就是通常所说的第三强度理论。

最大剪应力理论的强度条件为：σ1-σ3≤[σ]t；

其中：σ1为第一主应力，σ3为第三主应力，[σ]t为许用应力。

1.2 高压管道

根据ASME B31.3的规定，当公称压力高于ASME B16.5规定的压力要求，也就是PN420(CLASS2500，42MPa)时，其属于高压管道的范畴。对于高压管道，由于管道壁厚较大，薄壁模型已不适用。

对于高压管道，在确定其失效条件时，就不能像非高压管道那样，认为只要管道中有一点达到屈服，整个管道即失效。高压管道的壁厚较大，在确定壁厚时必须考虑管道的极限承载能力，只有当荷载增大到使整个截面完全屈服，管道才会失去进一步承载能力，否则将造成很大的浪费。

根据塑性极限分析理论得出，在塑性区内，内压圆筒的径向应力σr和环向应力σθ须满足下列屈服条件：σr-σθ=σs

其中，σs为屈服应力。

1.3 火力发电厂汽水管道

火力发电厂汽水管道是指火力发电厂范围内的汽水金属管道，不包括给排水管道、消防水管道和直接空冷机组大口径薄壁排汽管道。

汽水管道同样采用第三强度理论来进行强度计算。第三强度理论的强度条件为：σ1-σ3≤[σ]t

其中：σ1为第一主应力，σ3为第三主应力，[σ]t为许用应力。

2 强度计算方法

不同的管道类型对应不同的强度理论，不同的强度理论对应不同的强度计算方法。每种强度理论都以一定的模型为基础，并作出相应的假设条件，在满足假定条件下得出计算结果，再以计算结果进行反向验证，以此来确保计算结果的准确性。

2.1 内压薄壁管道的应力分布及强度计算

2.1.1薄壁圆筒的简化模型

薄壁圆筒的简化应力分布模型见图1。

图1 薄壁圆筒的简化应力分布模型

内压作用下的模型，其应力分布主要为径向应力σr、环向应力σθ和轴向应力σL，由此模型提出以下假设：①对于薄壁管，假设应力沿壁厚方向均匀分布；②径向应力相比其他应力较小，忽略不计，即σr=0。

根据以上假设条件，由材料力学中的薄壁圆筒应力计算公式，可得出内压薄壁圆筒的壁厚。计算公式为：

而对于压力管道，需要考虑温度影响系数Y，对上式修正后得到内压管道的壁厚计算公式为：

适用条件：S0

其中：S0为内压直管计算壁厚，mm；P为设计压力，MPa；D0为管道外径，mm；[σ]t为管道在设计温度下的许用应力，MPa；Ej为焊接接头系数；Y为温度影响系数，其数值参见表1。

表1 温度影响系数

2.1.2管公称壁厚Sn的选取方法

Sn=S0+C+Sn×A+B

其中，C为总附加裕量，A为壁厚负偏差，B为根据标准的向上圆整值。

由上式得出：Sn=(S0+C+B)/(1-A)

考虑到B/(1-A)是一个小量，则可令：

Sn=Sx+B

Sx=(S0+C)/(1-A)

计算出Sx后，根据相应标准向上圆整后即可得到公称壁厚Sn。

2.1.3影响壁厚的因素剖析

由计算公式

2.2 高压管道的应力分布及计算方法

2.2.1高压管道内压直管设计壁厚的应力分布

高压管道内压直管设计壁厚的应力分布模型见图2。

图2 高压管道内压直管设计壁厚的应力分布

根据应力分布模型和塑性极限理论分析得出平衡方程：

其中，S0为内压直管设计壁厚，mm；D0为管道外径，mm；P为设计内压力，MPa；

[σ]t为管道在设计温度下的许用应力，按ASME B31.3附录K选取，MPa；C0为外壁裕量的总和，mm。

(2)对于上述(1)以外的金属管道，内压直管的设计壁厚计算为：

各参数同(1)。

2.2.2高压管道所需最小壁厚

高压管道所需最小壁厚：Sm=S0+C

其中，Sm为直管所需最小壁厚，mm；S0为设计壁厚，mm；C为机械裕量加腐蚀和冲蚀裕量的总和，mm。

2.3 火力发电厂汽水管道

(1)对于火力发电厂汽水管道，其强度设计按照第三强度理论计算，同时假定K=D0/Di≤1.7，可按外径进行计算，也可按内径进行计算，本文以外径来确定其所需的最小壁厚。

按管道外径确定的最小壁厚计算如下：

适用条件：D0/Di≤1.7

其中，Sm为内压直管最小壁厚，mm；P为设计压力，MPa；D0为管道外径，mm；[σ]t为管道在设计温度下的许用应力，MPa；φ为许用应力的修正系数(见表3)；w为蠕变条件下纵向焊缝钢管焊接强度降低系数(见表4)；Y为修正系数，其数值见表5；C为腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度，对于一般的蒸汽和水管道，可不计腐蚀和磨损的影响；对于具有两相流的管道，都应计附加厚度，腐蚀和磨损裕度可取2mm；对于设计温度≥600℃的主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道，不宜小于1.6mm；对于腐蚀性介质管道，按腐蚀特性确定。

表3 许用应力修正系数

注：电阻焊纵缝钢管管子和管件不允许通过增加无损检验提高纵向焊缝系数。

表4 蠕变条件下纵向焊缝钢管焊接强度降低系数

表5 修正系数

(2)钢管的壁厚计算如下：

Sc=Sm+C1

C1=m×Sm/(100-m)

其中，Sc为钢管的计算壁厚，mm；C1为钢管壁厚负偏差的附加值，mm；m为厚度允许负偏差，取百分数，按相应钢管标准的规定来确定。

(3)对于采用外径控制的钢管，选取壁厚宜大于或等于计算壁厚加50%的外径正偏差值。

然而，在实际项目工程中，对于汽水管道，一般会按照《火力发电厂汽水管道零件及部件典型设计(GD2000版)》来设计压力、温度以及材质，选取相应的壁厚。在这种情况下，壁厚计算就变成了核算，即核算所选取的壁厚是否满足强度计算的要求。不过，由于规范化要求，现在的典型设计手册在某些行业已经不能作为标准出现在设计文件中。

2.4 工程运用中的合理壁厚

在工程运用中，要想确定符合工程实际的合理壁厚，除了有准确的强度计算作为支撑外，还要满足一些通用的工程规定以及借鉴以往项目的在线管线运行情况、现场安装焊接方式等。

(1)通过近几年的项目设计来看，一般对于小口径钢管(DN40及以下)，如果仅依据壁厚计算来选用壁厚，则壁厚值过小。那么，现场安装焊接时，焊缝连接处容易出现穿孔的情况，不利于保证焊接质量。此时，在设计中会有一个约定俗成的规定，即：①碳钢和低合金钢管不小于SCH80；②奥氏体不锈钢管不小于SCH40S。

(2)对于一些腐蚀性较强的介质，如污水，会根据其腐蚀性选取较大的腐蚀裕量，如3.0mm或5.0mm，但这样得出的壁厚不一定准确，主要是因为污水的成分复杂，难以得到准确的年腐蚀速率。这时就需要借鉴以往类似项目的现场运行情况的反馈，评估设计壁厚值在N年后的剩余厚度，然后根据项目的设计年限来合理选用一个较准确的壁厚值，当然，前提是这个数值必须满足强度计算。

(3)当在确定钢管材质时，其材质对应的标准会有一个最小壁厚的规定，比如GB/T 9711—2017《石油天然气工业管线输送系统用钢管》就规定了一定外径下的最小壁厚，分为特薄规格和普通规格，在没有特殊要求下按普通规格执行。

(4)另外，石油化工管道设计中有要求，钢管壁厚不得小于D0/150(其中D0为钢管外径)。

在众多项目的壁厚计算中，满足以上4条规定所得出的钢管壁厚即为合理、经济、准确的壁厚值。

(5)本文中的强度计算均是针对钢管直管强度设计，对于管件如三通、弯头、异径管等，是指其管件的端部壁厚，不包含管件本体的强度设计。严格意义上来讲，一条直管管线，任一截面上的壁厚值都应是均匀一致的或是在允许的偏差范围内，允许偏差应符合相应钢管的标准要求。如果出现外径的偏差导致钢管对焊需要打磨钢管厚度时，打磨后的壁厚需满足保证相应工况下的最小壁厚。

一般而言，钢管到货的最小壁厚不应小于公称壁厚减去厚度负偏差之后的数值，比如，对于GB/T 8163中的20号钢，取其厚度负偏差为12.5%，则实际到货钢管厚度值不应小于87.5%×S0(S0为钢管设计的公称壁厚)。

3 工程实例

在实际工程中，每一根管道都需要经过强度计算来确定钢管的壁厚，这是设计安全的基本保障。同时，合理的壁厚也会带来一定的经济效益，壁厚过大会造成不必要的成本增加，壁厚过小则难以保证一定压力下的管道强度。因此，如何运用理论计算并结合实际应用选用正确合理的管道壁厚，则显得尤其重要。

3.1 液氯气化装置管道的强度计算

3.1.1用简洁完整的计算表来计算并核算

设计条件：由管道数据表可得，BHHA1等级管线的设计温度/压力有以下3组：80℃/1.75MPa、60℃/1.90MPa、50℃/1.84MPa，由GB/T 20801.2可知压力与许用应力耦合最苛刻工况(见表6)。

表6 温度与压力相耦合最苛刻工况

从表6可以看出，60℃/1.90MPa为最苛刻工况，工况条件及说明如下：装置名称为液氯气化装置；介质为无水液氯；根据GB 6479—2013，材质选Q345E；设计温度/压力为60℃/1.9MPa(g)；C为腐蚀附加量，取1.5mm；tm为设计厚度；S0为计算厚度；Ej为焊接接头系数，取1.0；[σ]t为设计温度下的许用应力，取163MPa；Y为温度系数，取0.4；D0为钢管外径；Sn为名义厚度。

壁厚计算公式为：

壁厚计算结果见表7。