管道位移应力与反作用力计算中温度变化范围取值的探讨

康晟峰 孙行之 中石化上海工程公司 上海 200120

1 位移应力与反作用力计算中温度取值区别

在管道应力计算中，管道运行时的金属壁温是最重要的参数之一,它用于计算管道的热位移、位移应力以及对于动、静设备及支架的反作用力。管道的温度变化范围则决定了管道热位移的大小、位移应力水平及反作用力大小。然而对于位移应力和位移反力来说，二者的温度范围取值是有区别的，在应力计算中往往被忽略。本文主要阐述评估金属管道位移应力及反作用力计算中对温度范围取值的区别以及在CAESAR II中的实际运用。

关于管道温度范围，在ASME B31.3章节319.3.1中有两个定义，释义如下：

(1)定义了位移应力计算中温度取值的范围，主要强调了在计算管道位移应力时，温度变化的取值范围是金属最大温度和最低温度的代数差值。

(2)定义了由于热位移引起的反作用力(包括支架载荷，管口载荷)，主要强调了管道安装温度这个概念，即管道最高(最低)温度与安装温度之间的代数差值用以评估管道对支架或设备的反作用力。

释义(1)中的最大热位移应力的计算，对于高温热管道而言，温度变化范围的取值应该是管道最大金属壁温与年最低环境温度的差值；对于低温冷管道而言，温度变化范围的取值应该是管道最低金属壁温与年最高环境温度的差值。对于同时存在热工况和冷工况的管道，温度变化范围则为管道最高金属壁温与最低金属壁温的差值。

对释义(2)中对安装温度的定义则比较模糊，考虑到现场管道施工周期较长，安装温度一般取年平均气温。但在实际工程中，一些业主或工程公司对于安装温度有自己的规定，对安装温度的取值往往要求考虑最严苛的情况。位移应力与反作用力及安装温度取值见下文详细阐述。

2 位移应力与反作应力计算中温度范围取值及在CAESAR II 中的运用

在管道安装温度TI取年平均气温情况下，管道位移应力和反作用力温度取值范围如表1、表2所示(相关符号说明见文末):

表1 管道位移应力计算中温度取值范围(TI取年平均气温)

表2 管道反作用力计算中温度取值范围(TI取年平均气温)

对于表1、2中的工况1，在CAESARII工况编辑器中表述如下：

DefinitonNameStresstypeCombinationMethodL1W+T1+P1T1=TdOPEL2W+T2+P1T2=Tamin(环境最低气温)OPEL3W+P1SUSL4L1-L3管道最大反作用力范围EXPAlgebraicL5L2-L3EXPAlgebraicL6L4+L5管道最大位移应力范围EXPAbs

对于表1、2中的工况2，在CAESARII工况编辑器中表述如下：

DefinitonNameStresstypeCombinationMethodL1W+T1+P1T1=TdOPEL2W+T2+P1T2=Tamax(环境最高气温)OPEL3W+P1SUSL4L1-L3管道最大反作用力范围EXPAlgebraicL5L2-L3EXPAlgebraicL6L4+L5管道最大位移应力范围EXPAbs

对于表1、2中的工况3，在CAESARII工况编辑器中表述如下：

DefinitonNameStresstypeCombinationMethodL1W+T1+P1T1=TdOPEL2W+T2+P1T2=Tamax(环境最高气温)OPEL3W+T3+P1T3=Tamin(环境最低气温)L4W+P1SUSL5L1-L4EXPAlgebraicL6L2-L4EXPAlgebraicL7L3-L4EXPAlgebraicL8L6+L7管道最大位移应力范围EXPAbsL9L5,L6,L7管道最大反作用力范围EXPMax

对于表1、2中的工况4，在CAESARII工况编辑器中表述如下：

DefinitonNameStresstypeCombinationMethodL1W+T1+P1T1=Tdmax(最高金属壁温)OPEL2W+T2+P1T2=Tdmin(最低金属壁温)OPEL3W+P1SUSL4L1-L3Tdmax-TIEXPAlgebraicL5L2-L3Tdmin-TIEXPAlgebraicL6L4+L5管道最大位移应力范围EXPAbsL7L4,L5管道最大反作用力范围EXPMax

当安装温度TI的取值需要考虑最严苛的环境温度工况时，即管道在最高环境温度或最低环境温度完成安装时，位移应力温度取值范围参见表1，而管道安装温度取值及反作用力温度取值范围则见表3、表4。

表3 管道安装温度取值

表4 管道反作用力计算中温度取值范围(TI取最严苛环境温度)

由于CAESAR II 对单个计算模型无法同时设置2个不同的安装温度，对于上述表4工况3、4的情况，需要在不同安装温度取值下进行两次计算，然后进行比较，挑选出最极端的工况。

3 结语

在管道应力计算中，计算评估管道的应力水平关系到管道本体的安全。在实际工程中，对于位移应力最大范围的计算是考虑管道从极端寒冷或炎热的环境气温下升温或降温达到最大或最低金属壁温，或者从低温工况转变为高温工况时产生的最大应力范围。计算因温度变化引起的反作用力则关系到支架及管道连接的动静设备的安全，而最苛刻的工况则是考虑管道在极端环境气温下完成安装连接，用以计算出最大温差带来的最保守的支架及设备的反作用力。

管道金属壁温变化引起的位移应力和管道反作用力两者有联系但计算方法又有不同，特别是对于一些需要应力计算但操作温度较低的管道，不同的安装温度及位移应力温度范围取值对计算结果有着较大的影响。

符 号 说 明

Td-管道金属壁温(最大操作温度)

Tdmax-管道最高金属壁温

Tdmin-管道最低金属壁温

Ta-年平均环境温度

Tamax-年最高环境温度

Tamin-年最低环境温度

TI-管道安装温度