架空蒸汽管道系统应力分析研究

浦 哲 任 彬 石生芳 赵 番 王洁璐 李 玮

上海市特种设备监督检验技术研究院 （上海 200062）

上海压力管道智能检测工程技术研究中心 （上海 200062）

蒸汽是工业生产公用工程中的一种专用介质。利用煤、天然气等化石燃料燃烧产生的热量对锅炉进行加热，通过控制压力，使水蒸发得到饱和蒸汽、过热蒸汽。因此，蒸汽管道一般均承受压力和温度的影响。蒸汽管道由于长期运行容易产生受热膨胀和支吊架失稳：蒸汽管托产生热位移造成支架脱空,引起整个系统受力的变化，造成局部应力过大，产生破坏；而高温蒸汽管道使用的材料一般为合金钢，运行时的高温容易使其产生蠕变、内部球化、石墨化等材料劣化现象，造成疲劳破坏。

近些年，蒸汽管道事故严重威胁人民的财产和生命安全。2016年8月11日，湖北省当阳市马店矸石发电有限责任公司高压蒸汽管道发生爆管事故，导致22人死亡、4人受伤，属重大安全事故[1]。2017年12月23日13时45分左右，位于嘉兴市南湖区新丰镇的嘉兴市富欣热电有限公司的蒸汽管道旁通蒸汽回收支管发生爆裂事故，造成6人死亡、3人重伤[2]。蒸汽管道爆炸会产生巨大的物理冲击波，还有高温烫伤的风险。由此可见，蒸汽管道爆炸的危害性极大。因而，对蒸汽管道进行柔性设计和应力分析具有极其重要的意义：对管道系统的整体应力状况进行分析[3]，确定出应力载荷较大的危险点，有助于检验人员发现应力腐蚀开裂等缺陷，保障不停输全面检验的准确性和可靠性。

1 工程概况

某化工厂蒸汽管道通过气化装置余热锅炉送出，沿全场管廊送至脱硫装置、空分装置、罐区等装置。总管廊为5.5，7.5及10.0 m三层，蒸汽管道布置在顶层，二层为电气、仪表桥架以及检修通道；管道多处采用“π”型自然补偿器、经过马路时的管道升高“n”型补偿器以及改变走向的“Z”型补偿器。蒸汽管道的设计参数如表1所述。

表1 蒸汽管道设计参数

2 简易判别方式

蒸汽管道受热产生的膨胀应力将对管线及设备产生重要的破坏，GB 50316—2000《工业金属管道设计规范》（2008年版）9.2.1.1规定：管道的设计温度小于或等于-50℃或者大于或等于100℃，均为柔性计算的范围。柔性设计的目的[4]是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因膨胀、冷缩、端点附加位移、管道支撑设置不当等原因出现问题。增加管道柔性的方法有：

（1）选用专用补偿器，如波纹补偿器、旋转补偿器等。专用补偿器制造较为复杂，造价高，一般采用法兰与管道进行连接，存在一定的寿命；补偿器均需要根据工况定制，当管道内工况发生波动或者补偿器出现质量问题，容易出现不可预测的泄漏。（2）选用自然补偿结构。自然补偿器可以采用管道具体走向呈现多种图形，如“L”、“Z”、“π”等平面结构，也可以是基于空间结构的自然补偿器[5]。自然补偿器具有结构简单、运行可靠、投资少等优点，现场管道如图1所示。

图1 蒸汽管道布置图

本项目中的蒸汽管道采用自然补偿器，蒸汽管道以固定点为分割点，将两个固定架之间的管道看作一个独立的管系进行计算，当每段管系计算合格后，再进行整个管系的合成。据此可以将管系分成4段，每段两端均为固定支架。分割好的几个独立管线如表2所示。

表2 管系分割情况一览表

如果管道内介质满足非极度危害或者高度危害，且满足同一管道规格、无分支管、两端固定的条件下，可以采用SHT 3041—2016《石油化工管道柔性设计规范》经验判别式，即管道热应力在许可范围内，管道不会因热应力而造成破坏，可以不进行详细的计算，也就是说，管道可以通过自身补偿来满足热膨胀产生的应力，不需要额外设置补偿器。公式（1）～公式（5）如下：

式中：Δx为管道沿坐标轴x方向的线位移全补偿值，mm；Δy为管道沿坐标轴y方向的线位移全补偿值，mm；Δz为管道沿坐标轴z方向的线位移全补偿值，mm；α为管道材料在安装温度与计算温度间的平均线膨胀系数；T2为管道设计温度，℃；T1为管道安装温度，℃；Lx为两固定点之间x轴方向坐标差值，mm；Ly为两固定点之间y轴方向坐标差值，mm；Lz为两固定点之间z轴方向坐标差值，mm；D为管道外径，mm；y为由管道系统吸收的全部位移应变的总和，mm；L为管道固定点间的展开长度，m；U为固定点间的距离，m。所有值均满足该判别式，所以该管系柔性合适，通过自然补偿即可，无需采用专用补偿器。

这种简单的判别方式对于现场检验时快速判断管道二次应力是否超标具有重要的实际意义，相较于软件计算，可以大大节省建立模型的时间，但是该方法不能作为判断一次应力是否超标的条件，也无法计算各个节点的位移量。

3 应力分析

CAESARⅡ软件是美国COADE公司研制开发的专业管道应力分析软件，被广泛应用于石油、化工、电力等领域。CAESARⅡ是以梁单元模型为基础把管道模拟为刚性杆的有限元分析软件，它可以按照ASME B31-2016系列进行应力校核。利用CAESARⅡ软件进行分析的主要内容包括:数据输入、设定边界条件、设定工况、模型检查、分析计算、问题处理等环节。

一般来说，蒸汽管道的工况包含了设计、安装、试压、运行等，每种工况的压力、温度等均有差别。软件工况中各字母符号含义如下：T1为操作温度，℃；T2为设计温度，℃；P1为设计压力；W为管道及介质质量；WW为冲水质量；HP为水压试验压力。为了校验管道应力情况，按照表3进行了工况选定。

表3 工况选取一栏表

根据表3对各种工况进行划分，计算所有工况的应力值。L4，L5工况下的最大一次应力均在节点1190#处，其中综合应力所占许用应力比例分别为57.3%，54.7%；L6，L7工况下的最大二次应力均在节点510#处，综合应力所占许用应力比例分别为25.4%，20.0%。1190#以及510#节点均为90°弯头，因此弯头是二次应力分析的关键点。综上所述，一次、二次应力校验合格，满足ASME B31.3-2016的要求。通过软件计算所得各工况最大应力所在节点位置以及所占需用应力的百分比如表4所示。

表4 各工况最大应力一览表

同时计算L2及L3两种工况下各节点x轴、z轴的位移量，其中位移方向与坐标轴方向一致时为“+”，位移方向与坐标轴方向相反时为“-”。L2工况下，x轴方向最大位移在节点510#处，最大位移量为+112.30 mm；z轴方向最大位移在节点495#处，最大位移量为-91.57 mm。L3工况下，x轴方向最大位移量亦发生在节点510#处，最大位移量为+139.30 mm；z轴方向最大位移亦在节点495#处，最大位移量为-114.01 mm。将L3工况管道x，z向的位移量进行整理，如图2所示。

图2 L3工况下各节点的位移量

4 检验方案的定制

压力管道常见的损伤形式主要包括壁厚减薄、表面开裂、内部开裂、微观组织变化、内部微裂纹、材质脆化、几何形状变化等。常用的检验检测方法主要有宏观检查、超声波测厚、磁粉检测、渗透检测、超声波检测、射线探伤、涡流检测、金相检查、硬度测试等。应力是产生应力腐蚀破坏的必要条件，因此，可根据应力分析评估结果，有针对性地制定管道检验策略，避免盲目性。

以一次应力、二次应力较高的部位作为重点，对应力较高部位的焊缝进行无损检测、壁厚测定等。由于材料在高温情况下发生蠕变，容易使材料发生退化。因此对于工作温度大于370℃的碳素钢和铁素体不锈钢管道，或者工作温度大于450℃的钼钢和铬钼钢管道，需要对金相和硬度进行抽查检验。

针对位移量较大的部位，重点进行宏观检测，观察管道支架是否出现卡涩、倾斜、大范围移位甚至滑落管廊的情况，是否出现支架与管廊脱空现象，以及管道是否由于x轴方向位移过大，导致与管廊周边管道发生挤压、膨胀等情况。

对于宏观检查中发现的保温层破坏情况 （在保温材料和基体金属间局部区域形成腐蚀环境，导致保温层下腐蚀的发生），可以通过测厚方式来检查腐蚀程度，对管道剩余强度进行评价，并对管道腐蚀剩余寿命进行预测。对于保温层、油漆或涂层完好的情况，在工艺条件允许的前提下，使管道外表面温度尽可能避开层下腐蚀敏感温度区间，定期做好目视检测及腐蚀部位的壁厚测定。

5 结语

利用CAESARⅡ软件来计算一次应力以及二次应力、管道位移情况，该蒸汽管道的计算结果符合ASME B31.3-2016的要求。计算结果中一次应力以及二次应力均位于弯头等管件处。相关文献[6]均认为弯头管件等处是薄弱环节，因此，对于该类管件应加强日常监督管理。

蒸汽管道是工业生产中不可或缺的一种压力管道，但是随着近几年蒸汽事故的多发，蒸汽管道的安全性越来越受到人们的重视。本文介绍了一种简单判断管道柔性的经验判别式，该方法计算量小，可以借助Excel等软件简单处理，适合对现场检验管道的初步判断，但是需要注意该方法的适用条件。利用CAESAR II软件建模后可以对整个管系进行较精准的计算，根据计算结果，及时发现管道中存在的风险隐患，并有针对性地制定检验方法，克服随机抽查的弊端，对压力管道检验具有重要的意义。同时，该方法为TSG D7005—2018中2.4.2.7规定的必须进行应力分析的几种情况提供了一种可靠的实施方法，希望其能够为管道定期检验提供一些借鉴意义。