Auto PIPE在架空蒸汽管道應力分析中的應用

安曉曉

摘 要：以某企業架空中壓蒸汽管道（自然補償）為例，基于Bentley AutoPIPE軟件的中壓蒸汽管線系統進行建模，管架選取以及應力分析，結合理論應力驗算方法，采用Auto PIPE軟件對計算管系在自然補償條件下進行應力分析驗算。結果表明，合理的管道走向以及正確的管道支吊架選取可以增加管道的自然補償能力，避免整個管系因應力過大而引起管道疲勞的現象。

關鍵詞：AutoPIPE 應力分析 管道支吊架

中圖分類號：TK28 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（a）-0-02

Bentley AutoPIPE 是一套全Windows界面的管道分析軟件，當管道系統受到靜態及動態荷載時，計算分析系統所承受的一次應力、二次應力，荷載力及變形量[1]。

1 案例背景

某精細化工廠反應釜需要操作溫度180℃，操作壓力1.0Mpa的中壓蒸汽，該蒸汽自工業園區，管材采用20#，管徑是DN200、DN150和DN40，厚度分別為8.5mm、7.5mm和4.0mm，管道采用架空敷設的方式。管道保溫層選用硅酸鋁纖維棉，厚度100mm。該管道為GC2級壓力管道。本文對該中壓蒸汽管道進行應力分析的目的在于確定其管架設置的合理性，同時，也結合工程實例介紹如何運用 AutoPIPE進行中壓蒸汽管道的應力分析。

2 模型建立

2.1 管道及管件壁厚的確定

直管（以主管DN200為例）計算根據《工業金屬管道設計規范》GB 50316-2000（2008版）第6.2.1條直管厚度計算如下：

ts=PD0/2（[σ]tEj+PY）；tsd= ts+C；C=C1+C2

設計壓力：P=1.2MPa；設計溫度220℃下管材許用應力：[σ]t=124MPa；當設計溫度小于200℃時，溫度對直管壁厚的修正系數：Y=0.4；管道壁厚負偏差C1=1.5mm；管子壁厚腐蝕附加量C2=1.0mm；系數焊接接頭系數：Ej =1，根據壁厚公式計算的管道壁厚6.8mm，結合常用管道壁厚，取管道壁厚為8.5mm可滿足工藝要求。彎頭的曲率半徑為1.5倍的管公稱直徑。彎頭、三通管壁厚的增大系數取1.25[2]，即彎頭、三通管的最小壁厚為直管最小壁厚與壁厚增大系數的乘積，仍考慮管子壁厚負偏差附加量C1、管子壁厚腐蝕附加量C2經過驗算，彎頭、三通的取用壁厚取8.5 mm。

2.2 輸入相關參數

將已知的管徑、管壁厚、溫度、壓力等參數輸入相應的缺省項內，本案例滿足ASME B31.3標準的要求。

2.3 支吊架的設置

管道支吊架的功能主要可概括為承受管道荷載、限制管道位移和控制管道振動3個方面[3]。根據支吊裝置各自的主要性能和用途；可將其分為以承受管系重量為目的的裝置，即承重支吊架（包含恒力支吊架、彈簧支吊架、剛性支吊架以及限位裝置）、以限制和約束因熱脹引起管系自由位移為目的的裝置，即限位支吊裝置（包含導向支架、固定支架 ）和用于制止管道擺動振動或沖擊的控制裝置，即振動控制裝置（減振器和阻尼器）三大類。

根據驗算結果，計算管段采用3處方形自然補償，11處L形自然補償。計算中壓蒸汽管道模型見如圖1所示。

3 模擬結果與分析

3.1 應力分析依據

管道應力分為一次應力和二次應力。管道承受的介質內壓、自重、介質重量等持續外荷載而產生的應力屬于一次應力。由于管道變形受到約束而產生的應力，不直接與外力平衡，屬于二次應力；二次應力一般由熱脹冷縮和端點位移引起。

一次應力的評定采用彈性理論進行，即限定一次應力不超過材料的屈服極限。引入安全系數，工程上一般限定管道的一次應力不得超過設計溫度下管道材料的許用應力。即[σ]1≤[σ]t。

二次應力的評定采用的是安定性理論進行[4，5]，即結構在熱荷載反復變化的過程中，不發生塑性變形的連續循環；反之，如果一個結構在反復加載和卸載時（隨著管道的啟、停而產生多次的冷熱交換），不斷出現新的塑性變形，即該結構的變形趨于不穩定，則認為它是不安定的。

其中，σE為熱脹用力范圍，MPa；f為熱脹應力范圍的減小系數；σall，20為鋼材在20時的許用應力，MPa。熱脹應力范圍的縮小系數 可按管道全溫度周期性的交變次數N確定：f=1，N≤2500；=4.78N-0.2，N>2500，N為管道全溫度周期性的交變次數。

3.2 模擬結果分析

經模擬計算得到管系和管件處熱位移，約束力以及各節點處的應力最大數值。由模擬結果可知，整個管系中最大位移出現在節點B15處，x方向位移為12.38mm，y方向位移為0.00mm，z方向位移為85.23mm。

在架空蒸汽管道設計中，支架承受的約束反力是結構專業進行蒸汽管道支架設計的基本依據。由模擬結果可知，固定支架承受約束反力最大處為節點C13，約束反力為9411N。滑動支架約束反力最大處為節點B17，約束反力為25909N。

通過運行比率查看標準應力結果，發現應力最大的節點是C13，一次應力占許用應力的比率是0.12，二次應力占許用應力的比率是0.665，環應力占許用應力的比率是0.24，滿足應力允許范圍。

整個管系分析結果中，查看標準應力項得到管系計算應力與許用應力比率數據，其中包括一次應力，二次應力和環應力；當計算管系中所有節點的應力比率 均小于1 時，則認為計算管系設計合理、安全可靠。

參考文獻

[1] 許強，黃坤，盧泓方，等.Auto PIPE在天然氣增壓站中的應用[A].CICP 2013中國國際管道會議[C].2013：127-129.

[2] 趙國強，彭文玲.直埋蒸汽管道應力計算與分析[J].煤氣與熱力，2015，35（5）：14.

[3] 劉豪杰.AUTOPIPE在立管系統建模分析中的應用研究[D].天津：天津大學，2010.

[4] 唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2003：57-59.

[5] 王瑩，郭莉輝，田再強，等.蒸汽管道應力驗算與自然補償條件下應力分析[J].煤氣與熱力，2017，37（3）：32-34.