基于CAESARⅡ的应力超标管道应力分析及优化

2021-10-28唐夏焘蔡刚毅

化工机械 2021年5期

刘静唐夏焘蔡刚毅徐峰

（浙江省特种设备科学研究院浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室）

压力管道在运行状态下不仅会受到各种载荷（重力、风载及地震等）的作用，而且还承受自身的热胀冷缩和相连设备的附加位移作用。当整个管系柔性不足时，管系应力就有超标的可能性。管道应力分析的主要目的就是分析管道系统在多种载荷作用下承受的应力及其力矩，确定管道部件应力超标位置，进而对整个管道系统进行优化，防止管道发生过度挠曲而造成失效。

1 应力校核准则

按照应力对管道的破坏作用，应力可分为一次应力和二次应力。一次应力是在压力、重力等载荷作用下产生的应力，具有非自限性，与载荷呈正相关，当其值超过材料的屈服强度时，管道产生塑性变形而被破坏；二次应力是管道变形受到约束时产生的应力，具有自限性，管道发生局部屈服或少量变形时，可通过变形降低应力值。

管道应力分析的主要难点在于当应力分析结果不满足安全需求时，对整个管道系统进行优化与调整的过程，主要有调整支吊架的方式/位置、优化/修改管道线路和增加补偿装置3种方式。

采用CAESARⅡ软件进行管道系统的静态和动态分析，计算一次应力和二次应力，可以得到设备管口受力、约束点受力及约束点位移等。管道应力分析的关键步骤包括建立管道基础模型、设置约束类型、工况选择、显示计算结果及分析计算结果的正确性等。目前，我国没有相关的管道应力分析标准，通常参照国际上工业管道行业中的ASME B31系列标准［1］。 ASME B31.3《工艺管道》是石油化工、煤化工等引用频率最高的规范［2］。

一次应力校核准则为：由持续载荷导致的应力之和σ1不能超过管道热态许用应力σh［3］。一次应力校核公式为：

式中 Am——管壁横截面积，mm2；

D——管道外径，mm；

Fax——持续载荷产生的轴向力，N；

ii——平面内应力增强系数；

io——平面外应力增强系数；

Mi——持续载荷所产生的平面内弯矩，N·mm；

Mo——持续载荷所产生的平面外弯矩，N·mm；

p——管道设计压力，MPa；

Z——抗弯截面模量，mm3；

δ——管道壁厚，mm。

二次应力校核准则为：由温度载荷引起的应力之和σ2不能超过许用值σA［3］。二次应力校核公式为：

式中 f——应力减小系数；

Mi，t——由温度载荷所引起平的面内弯矩，N·mm；

Mo，t——由温度载荷所引起的平面外弯矩，N·mm；

Mt——由温度载荷所引起的扭转力矩，N·mm；

σc——管道冷态许用应力，MPa。

2 应力分析及优化

2.1 醋酸乙烯管系

某工厂醋酸乙烯生产装置，一管段发生少许变形。为保障装置的安全运行，通过对设计、安装和竣工资料的审查，结合实地勘测，使用CAESARⅡ软件对该装置管线三维建模并进行应力分析计算。该管系设计温度60 ℃，设计压力0.84 MPa，主体材料SUS304，介质密度为930 kg/m3，管道无保温层。建模完成后，利用软件推荐的状况进行计算，具体有3种：运行状况——正常运行时，管道的自重、温度和压力；安装状况——用于校核一次应力是否达标；纯热胀状况——用来进行二次应力的校核。

通过计算，各醋酸乙烯管系节点的二次应力均小于校核用许用应力的50%，应力校核合格。如图1所示，大多数节点的一次应力小于校核用许用应力的50%，而1050#节点（三通）处的一次应力为168.8 MPa，管材许用应力为137.9 MPa，一次应力比率122.4%，应力校核不合格。

图1 醋酸乙烯管系一次应力分布云图

现场发现1050#节点附近存在多个较重的闸阀，说明重力对管系的一次应力影响较大，而且发生变形管段位于一次应力超标节点右侧。管道在长期运行状态下，由于此节点附近刚性件的存在降低了管道的柔性，同时缺乏支架的支撑，从而导致管道发生向下挠曲变形。优化举措为：在三通处增加一承重支架。加装支架后，重新对管系进行应力计算（图2），管系的一次应力和二次应力均校核合格，1050#节点的一次应力比率为25.6%。

图2 醋酸乙烯管系加装支架后一次应力分布云图

上述分析表明，管道自重和介质重量对管系一次应力的影响较大，当管系存在一次应力超标的情况时，可以通过增加支架的方式改善应力超标问题，从而确保整个管系在安全裕度内运行。

2.2 主蒸汽管线

某公司生产用主蒸汽管线，有约190 m管段发生挠曲变形，该管段自东向西间隔设有A、B、C 3个Π形膨胀弯，在首次试车时发现膨胀弯横跨段均不同程度地向上拱起，其中A膨胀弯横跨段导向支架处管道向上偏移约90 mm，B膨胀弯横跨段向上偏移约60 mm。该管线设计压力1.05 MPa，设计温度260 ℃，公称直径DN350 mm，主体材料为20#，介质为饱和蒸汽，管道外包覆保温层（材料为岩棉，厚度约150 mm）。另外，膨胀弯的设计高度应为4 000 mm，但因厂房条件所限，实际膨胀弯高度仅有2 600 mm左右。

采用CAESARⅡ对挠曲管段建模和应力分析计算。该管段的一次应力均通过校核，承受的二次应力均超过校核用许用应力，二次应力校核不合格。如图3所示，二次应力超标部位主要分布于3个Π形膨胀弯处，二次应力的超标说明该管段在当前的管系结构下，无法吸收自身的热胀冷缩，进而发生向上拱起，管段局部可能因屈服而导致塑性变形甚至失效。另外，还模拟出管段的挠曲变形（图3），A膨胀弯导向支架处的管段向上偏移量YA=74.7 mm，B膨胀弯两个导向支架处的管段向上偏移量分别为YB1=56.9 mm、YB2=57.9 mm，模拟结果与现场测量结果基本相符，这也验证了利用CAESARⅡ对管道建模进行应力分析的可行性。

图3 挠曲管段二次应力分布及变形模拟

分析可知，3个Π形膨胀弯的建造高度达不到设计值，无法满足管道自身的热胀冷缩，导致管道二次应力超标严重。考虑厂房条件的限制，尝试增加Π形膨胀弯水平段深度来提高其补偿能力。改进Π形膨胀弯后管段模型如图4所示。

图4 改进Π形膨胀弯后管段模型

一般情况下长管道的弯管越多柔性越好，但管道刚性会降低且不符合经济性原则。因此，对Π形膨胀弯的水平深度进行多次调整，当3个Π形膨胀弯的水平深度均为4 000 mm时，对调整过的管线进行应力分析计算，一次应力和二次应力校核合格：一次应力值均小于许用值的30%，大多数节点的二次应力值小于校核用许用值的50%，最大二次应力值为许用值的69%（图5）。此时，调整后的管段挠曲变形量得到了较大改善，其中A膨胀弯导向支架处y方向位移为25.8 mm，B膨胀弯两导向支架处y方向位移几乎为0，即管道系统具有足够的柔性保障其安全运行。