冷紧比对压力管道固定架轴向载荷影响分析

＊郑 伟

（中航工程集成设备有限公司 北京 102200）

引言

冷紧比[1]影响到管道的冷紧值，进而影响管道上的应力和载荷，是一个非常重要的参数，对此，工程师对此进行了讨论和研究。成明涛等[2]在高温高压的蒸汽管道上，用冷紧降低了管道热态局部应力，保证了管道安全；王志中[3]在烟机入口管道设置了0.6～0.7的冷紧，并对附近支架进行了特殊设计，有效的降低了热态时，管道入口受力；杨帆等[4]用ANSYS软件，以从0～2的不同冷紧比值和管道工况为变量，计算了管道接管载荷和管道应力计算结果进行了差异性分析，并最终给出了优化后的冷紧比值。司景山等[5]讨论了管道冷紧施工的问题。

本文以某GC2级压力管道为对象，用CAESAR Ⅱ软件建立管道模型，计算了3种温度（400℃，450℃，500℃）下，冷紧比为0～0.8，管道上固定架的轴向冷态载荷和热态载荷，分析选择出不同温度下，固定架载荷最合理的冷紧比，为选择最优管道冷紧比提供参考。

1.理论基础

(1)管道固定架上作用载荷

CAESAR Ⅱ软件是一款管道应力分析的软件，应用B31.3工艺管道规范来对GC级压力管道进行应力分析。对于简单系统，支架上反作用力[6]可以用以下公式进行计算。

式中，

Ea-在21℃时弹性模量；

Em-最高或最低温度下的弹性模量；

R-与全位移应力范围相对应，并以Ea为基础的反作用力或力矩范围；

Rm-在最高或最低金属温度下估算出的瞬时最大反作用力或力矩。

②冷态反作用力

Ra=CR或ClR中较大值

Ra-安装温度估算出的瞬时反作用力或力矩；

SE=计算出的位移应力范围；

Sh-预计最高金属温度下基本许用应力。

(2)冷紧比计算

冷紧比是冷紧值与全补偿量的比值，全补偿量是从冷态到热态总变形量，包括管道的热涨，接口段的热位移，膨胀节预处理等。本管道只包括管道的热涨和接口热位移。

管道热膨胀长度：△L=αL△T

式中，△L-管道受热膨胀长度值（mm）；

α-线膨胀系数（10-6/℃）；

L-计算方向管道投影长度；

△T-介质温度与安装时环境温度差值（℃）。

冷紧值计算：

式中，b-冷紧值；

a1-管道入口处，计算方向热涨值；

a2-管道出口处，计算方向热涨值；

C-冷紧比。

管道设计温度分别为400℃、450℃和500℃，最高压力2MPa，设计压力2.2MPa，管道材质选用304不锈钢，外径和壁厚为D630×10mm，介质是空气，管道处于室内，环境温度21℃。管道平面布置图如图1所示，一端设置固定点，热位移是0，承担管道的载荷，另一端是一个设备，接口热位移如表1所示。冷紧段位于管道固定点第一个弯头处。

表1 管道接口热位移

图1 管道平面图

2.管道应力分析结果

在CAESAR Ⅱ中输入管道参数，其中冷紧管道设置为材料CUT SHORT（COLD SPRING），其余管道材料设置为304不锈钢。管道模型如下所示，支架载荷查看以下两种工况：（1）冷态工况SUS=W+P+CS，（2）热态工况OPE=W+P+T+D+CS。

图2 CAESAR Ⅱ管道计算模型

(1)设计温度400℃计算结果

管道内介质是400℃，环境温度取20℃，奥氏体304不锈钢线膨胀系数17.99×10-6/℃，X方向管道投影长度3000mm，根据公式，计算出管道受热膨胀长度值△L400=20.5mm，管道入口是固定架，X方向热位移是0mm，管道出口热位移2.1mm，总体热位移（△L-a1+a2）是22.6，对应不同冷紧比，固定架轴向载荷计算结果如表2、图3所示。

表2 400℃管道计算结果

图3 400℃管道固定架横向载荷曲线图

(2)设计温度450℃计算结果

管道内介质是450℃，环境温度取20℃，奥氏体304不锈钢线膨胀系数18.17×10-6/℃，X方向管道投影长度3000mm，根据公式，计算出管道受热膨胀长度值△L450=23.4mm，管道入口是固定架，X方向热位移是0mm，管道出口热位移2.1mm，总体热位移（△L-a1+a2）是25.5，对应不同冷紧比，固定架轴向载荷计算结果如表3、图4所示。

表3 450℃管道计算结果

图4 450℃管道固定架横向载荷曲线图

(3)设计温度500℃计算结果

管道内介质是500℃，环境温度取20℃，奥氏体304不锈钢线膨胀系数18.36×10-6/℃，X方向管道投影长度3000mm，根据公式，计算出管道受热膨胀长度值△L500=26.4mm，管道入口是固定架，X方向热位移是0mm，管道出口热位移2.1mm，总体热位移（△L-a1+a2）500是28.5，对应不同冷紧比，固定架轴向载荷计算结果如表4、图5所示。

表4 500℃管道计算结果

图5 500℃管道固定架横向载荷曲线图

3.计算结果分析

（1）从图3可以看出来，当冷紧比取0时，管道固定架横向热态载荷最大是-62359N，冷态载荷最小是1481N。随着冷紧比的增加，热态载荷的绝对值呈现线性降低，冷态载荷的绝对值呈现线性增加。当冷紧比取0.8时，热态载荷绝对值最小是-12996N，冷态载荷最大是50865N。图4和图5中，管道固定架横向热态载荷和冷态载荷趋势一样。

（2）从图3、图4和图5中曲线可以看出来，冷紧比相同时，温度越高，固定架热态载荷越大，冷态载荷基本不变。冷态载荷只跟冷紧比正相关，冷紧比越大，冷态载荷越大。

（3）当管道温度是400℃时，固定架冷态载荷和热态载荷绝对值的和均为63.84kN，与冷紧比无关。说明冷紧只是将部分热态载荷转移到了冷态载荷。管道温度是450℃和500℃，也可以得出类似的结论。这样，保证管道支吊架冷态和热态载荷均匀，该冷紧比是合适的冷紧比。

4.总结

冷紧不改变管道所受的应力范围，将部分热态载荷“转移到”冷态载荷，当温度相同时，管道的冷紧比越高（从0～0.8），管道固定架横向热态载荷越小，冷态载荷越大。冷紧比不易选择过大，过大冷态载荷较大，反而导致整个管道受力不好。当GC级压力管道在400～500℃时，冷紧比选择0.5～0.6，固定架载荷均匀，较为合适。本文为高温压力管道的冷紧比选择提供了参考依据，