浅析管道推力对塔式容器接管法兰的影响

高莉丽 ， 韩恩远

(河南应用技术职业学院 ， 河南 郑州 450042)

压力容器是通过管道与其他过程装备相连通的承压载体，受流体推动力、管道热效应、设备管口连接处管道的附加位移与设备本身的附加位移等因素的影响，设备管口处将会存在一定的管道推力。管道推力在设备管口引起的反作用力是压力容器设计中必须考虑的重要因素。立式设备在考虑动载荷情况下，按塔式容器标准中的计算模型进行设计时，管道推力是否合理是一个值得探讨的问题。以某炼油厂石脑油深加工联合装置齐聚反应器为例，探讨设备在管道载荷作用下的应力校核。

1 设备设计条件及相关要求

某炼油厂石脑油深加工联合装置中核心设备齐聚反应器为高温高压大型厚壁立式反应器。设备主体板材为ASME牌号材料SA-516 Gr.60，设计标准GB 150.1～4—2011和NB/T 47041—2014[1-2]。两台反应器单台质量约310 t，制造厂整体制造和整体运输交货。因为齐聚反应器设计条件苛刻，管道推力的作用会对设备的接管法兰、接管壁厚、接管根部上的局部应力及地脚螺栓座有很大的影响。

1.1 设备设计参数

齐聚反应器主要设计参数见表1。最低设计金属温度-40 ℃；主体材料：壳体SA-516 Gr.60，锻件SA-350 Gr.LF2 CL.1。

表1 设备主要设计参数

1.2 管道推力条件

上封头处管口O1，下封头处管口I1有非常大的管道推力，力及弯矩的作用面为法兰密封面，管道推力值如表2所示。

表2 管道推力值

2 管道推力影响因素分析

根据以上设计条件可知，该反应器设计条件为高温高压工况，在高温工况下材料的许用应力非常低(530 ℃时，SA-350 Gr.LF2 CL.1许用应力为19.62 MPa)，一旦巨大的管道推力作用在管口上时，将会对法兰产生一系列影响。由于管口I1与管口O1在管道推力作用下对设备的影响类似，因此以下管道推力对法兰、接管和壳体局部应力等的影响，只选取管口I1进行讨论。

2.1 管道推力对管口法兰的影响

根据HG/T 20582—2011《钢制化工容器强度计算规定》，当法兰除内压外，还承受较大的轴向力(如塔设备的质量等)和外力矩(如由风载荷、载荷或管道所引起的力矩等)时，法兰可按当量设计压力来选用标准法兰[3]。

管口I1法兰为WN500-1500 RJ 连接，标准按照HG/T 20615—2009，材料为SA-350 Gr.LF2 CL.C。根据HG/T 20615—2009《钢制管法兰(CLASS系列)》和ASME B16.5—2009《管法兰和法兰配件》查得SA-350 Gr.LF2 CL.C材料组别为1.1，法兰最大允许工作压力见表3[4-5]。

表3 管口I1法兰最大允许工作压力

管口载荷：

径向载荷F=-Fx= -60.00 kN(压缩力不计)

其中，管道推力Fy、Fz和弯矩Mx对法兰的密封没有影响。

①设计工况一：

设计压力为p=8.25 MPa，设计温度T=250 ℃

力争防灾减灾再有新贡献。抓好重点防洪工程建设，加快实施“六江一干”治理工程，推进140个中小河流治理项目和防汛抗旱指挥系统二期工程，确保2014年汛前全面完成1046座一般小（2）型病险水库除险加固任务。抓好抗旱应急水源建设，因地制宜新建一批小型蓄水、引水、提水、集雨等抗旱应急工程，千方百计增加抗旱水源，确保城乡生活生产用水。

垫片载荷作用位置处：DG=584.2 mm

法兰当量设计压力：

②设计工况二：

设计压力：p=-0.1 MPa，设计温度T=515 ℃

垫片载荷作用位置处：DG=584.2 mm

法兰当量设计压力：

③设计工况三：

设计压力：p=1.01 MPa，设计温度T=530 ℃

垫片载荷作用位置处：DG=584.2 mm

法兰当量设计压力：

以上法兰当量设计压力计算结果如表4所示。

表4 管口I1法兰当量设计压力值

由以上计算结果可知，弯矩作用在法兰密封面将产生很大的法兰当量设计压力，对法兰的密封性有很大的影响。在原设计条件下，原来采用CLASS 600的法兰可以满足设计要求，增加管道推力作用后，需要采用CLASS 1500的法兰，特别是在设计工况三下，当量设计压力为原设计压力的3倍多，即使采用最高等级CLASS 1500，其设计余量并不多。因此，当法兰上作用有很大的管道推力时，应特别注意集中载荷对法兰压力等级选择是否得当，如果法兰选用不当，会影响设备管口的密封性能，导致设备无法正常运行。

2.2 管道推力对接管的影响

管口I1管道推力对接管的影响只需对接管的危险截面进行计算，如图1中A-A、B-B截面，以此来判断接管计算壁厚是否合格。由于设计工况一压力很高，设计工况二和设计工况三温度很高，而设计工况三与设计工况二在温度相差不大的情况下，其设计压力和设计温度更高，因此只需校核在设计工况一和设计工况三时作用于接管的集中载荷对截面A-A、B-B的影响。

图1 接管截面图

计算结果汇总比较见表5。由计算结果可知内压和管道推力对接管壁厚的影响比较大，特别是在设计工况三时，高温下材料SA-350 Gr.LF2 CL.1许用应力非常低(19.62 MPa)，在此工况下接管应力的计算决定了接管的最终壁厚。由于低合金钢无缝钢管的公称接管壁厚已经无法满足，有两种方案可解决此问题：①材料不变继续增加接管壁厚；②为改用高温性能更好的不锈钢或铬钼钢材料。最终，由于考虑到不锈钢或铬钼钢与设备母材间异种钢焊接对材料性能的影响比较大，而增加接管壁厚。

表5 管口I1接管壁厚核算结果汇总

2.3 管道推力对接管根部壳体局部应力的影响

管口I1法兰密封面端面管道推力通过力转换至接管与封头接触端面后，其载荷值见表6。

表6 管口I1接管与封头接触端面集中载荷值

管道推力对接管根部壳体局部应力的影响计算根据HG/T 20582—2011《钢制化工容器强度计算规定》中“27外载荷通过接管或实心附件对球壳引起的局部应力计算”，其局部应力计算结果见表7。

由表7计算结果可知，管道推力将在接管根部壳体上产生很大的局部应力。在设计过程中，可采取增加接管根部外径和增加壳体壁厚的方式来降低局部应力，以使球壳上局部应力满足要求。但是增加接管壁厚对局部应力的降低影响有限，增加壳体壁厚则会大大增加制造成本，因此，需综合考虑各因素选取最合理的方案。本设计中，由于封头壁厚已确定，且封头板材已经订货，只有增加接管壁厚。

表7 接管I1根部球壳局部应力计算结果

2.4 管道推力对地脚螺栓的影响

根据NB/T 47041—2014《塔式容器》，地脚螺栓的计算是选取在地脚螺栓座底环板底截面处各种载荷作用下的最大弯矩，再校核地脚螺栓座及地脚螺栓强度是否符合要求。因此，管道推力对地脚螺栓的影响只需把管道推力通过力系转换为在地脚螺栓座底环板底截面处的弯矩，并加入到最大弯矩中即可。管口推力非常大时，地脚螺栓座底环板底截面处的最大弯矩将会有显著增加，特别是当管口标高较高时，由于力臂较长，转换后弯矩将很大。因此，当塔式设备存在较大的管道推力时，其对地脚螺栓的校核将产生一定的影响，在塔式设备设计时，不能忽略对管道推力的核算。由于本文篇幅所限，软件计算结果再此不再赘述。

3 管道推力对立式设备计算影响的讨论

综上所述，管道推力对设备的接管法兰、接管壁厚、接管根部壳体局部应力及地脚螺栓等会产生很大的影响，在设备设计过程中需引起重视并采取特殊处理措施，否则将对设备的安全运行留下隐患。

当管道推力非常大时，如果作用在立式设备上，特别是高塔上是否合理是一个值得深入讨论的问题。塔式容器属于直立、高耸结构，因此，塔式容器应考虑的载荷与一般压力容器不尽相同，它不仅承受压力、温度和重力等静载荷，同时又承受风与地震等动力载荷。动力载荷计算与结构的自振特性，如自振周期、振型、阻尼有关。按NB/T 47041—2014《塔式容器》设计塔器时，是把塔式容器简化为底端固定，上端自由的悬臂梁作平面弯曲振动。较大的管道推力作用于塔式容器时，分以下两种情况进行讨论。①若在悬臂梁的非固定处增加一个足够大的外载荷，就相当于在悬臂梁的自由处增加了一个拉牵装置，则塔式容器的力学计算模型与标准中的将不一致，其实际自振周期也与按标准计算的自振周期不一样。错误的自振同期，将导致地震载荷计算时地震影响系数和风载荷计算时的脉动增加系数均为错误值。最终，计算出的水平地震力和水平风力也是错误的，影响塔式容器组合应力计算。②若在悬臂梁的非固定处增加的外载荷很大，但不足以作为拉牵装置，则外载荷作为限制悬臂梁振动力量，将增大悬臂梁的阻尼比。塔式容器标准中规定，阻尼比应根据实测值确定，无实测数据时，一阶振型阻尼比可取0.01～0.03。高阶振型阻尼比，可参照第一振型阻尼比选取。在地震载荷计算时，不同的阻尼比对地震影响系数也将产生比较大的影响，最终影响塔式容器组合应力计算[6]。

基于以上两点讨论，较大的管道推力对塔式容器在地震载荷和风载荷计算时，会改变水平地震力和水平风力，影响设备的组合应力校核。若再加上管道推力本身在塔式容器各计算截面引起的弯曲应力和拉(压)应力，基于标准的塔式容器组合应力校核将存在安全风险。

在国内主要塔式容器设计计算软件SW6和PV Desktop中，关于在塔式容器上加载管道推力采用不一样的处理方法。在PV Desktop中可以直接作为外载输入管道推力，而在SW6中却没有此项输入。在PV Desktop中，增加外载后，外载将转换成地脚螺栓座底环板处的弯矩校核地脚螺栓。但塔式容器主体(壳体、裙座等)计算时，却未考虑管道推力的影响。在SW6中，由于没有外载的输入项，若要校核管道推力对地脚螺栓的影响，可将管道推力换算成设备上的偏心质量。但这样一来，塔式容器主体(壳体、裙座等)进行组合应力计算时也会考虑偏心质量的影响，不单计入偏心质量在塔式容器各计算截面处引起的弯曲应力和重力引起的压缩应力，还对塔式容器的自振周期产生影响而改变地震载荷和风载荷引起的弯曲应力。若管道推力非常大，换算成的偏心质量也将非常大，原有塔式容器主体(壳体、裙座等)强度将很有可能不合格。因此如果按偏心质量考虑，其与管道推力作用在塔式容器上的作用效果也是有本质区别的。

4 结语

综上所述，当立式设备上存在非常大的管道推力时，在设备的设计过程中，应当全面考虑其对设备的接管法兰、接管壁厚、接管根部壳体上局部应力及地脚螺栓等的影响。同时考虑是否需要增大接管法兰压力等级，增加接管壁厚，增加壳体壁厚，甚至更换强度更高的材料，增加地脚螺栓数量或增大地脚螺栓直径等方式对设备进行局部加强。但是，基于塔式容器设计标准进行设计的立式设备，对整个立式设备的计算而言，存在很大的管道推力是不合理的，应积极与其他相关专业协调，将管道推力降至较低水平。