幾種偶然荷載對(duì)管道應(yīng)力的影響

尹君東,朱 峰

(中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071)

管道所受偶然荷載的定義及校核原則：偶然荷載是指在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量值較大且持續(xù)時(shí)間較短的荷載，如風(fēng)載、地震載荷，安全閥起跳載荷等。對(duì)于管道來(lái)講偶然荷載可以產(chǎn)生一次應(yīng)力也可以產(chǎn)生二次應(yīng)力，例如風(fēng)和地震產(chǎn)生的荷載是一次應(yīng)力，由于事故工況等非正常工況引起的溫度大幅度變化產(chǎn)生的應(yīng)力是二次應(yīng)力。

1 偶然荷載一次應(yīng)力校核原則

對(duì)于偶然荷載，許用應(yīng)力可以適當(dāng)放寬，其原因是基于材料的特性和偶然荷載的特點(diǎn)決定的，偶然荷載雖然產(chǎn)生的力較大，但作用時(shí)間較短，而管道材料的蠕變是由力和時(shí)間兩個(gè)因素來(lái)決定的，在荷載作用時(shí)間很短的情況下，管道材料的蠕變基本可以忽略不計(jì)。

對(duì)于偶然荷載的一次應(yīng)力校核，GB50316給出了如下規(guī)定：

Kt：許用應(yīng)力系數(shù)，當(dāng)偶然荷載最紅時(shí)間每次不超過(guò)10h，每年累計(jì)不超過(guò)100h時(shí)：KT=1.33；當(dāng)偶然荷載最紅時(shí)間每次不超過(guò)50h，每年累計(jì)不超過(guò)500h時(shí)： KT=1.2；MA：由于自重和其他持續(xù)外載作用在管道橫截面上的合成力矩(N·mm)；MB：安全閥的反作用力、風(fēng)力或地震等產(chǎn)生的偶然荷載作用于管道橫截面上的合成力矩(N·mm)；W ：管道抗彎界面模量(mm3)；P ：設(shè)計(jì)壓力(MPa)；i：應(yīng)力增大系數(shù)；D0：管道外徑(mm)；Di：管道內(nèi)徑(mm)。

2 風(fēng)載

2.1 風(fēng)載的計(jì)算方法

按風(fēng)荷載的計(jì)算GB50316并沒(méi)有給出具體的公式，可以按照《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)》推薦的方法進(jìn)行計(jì)算，基本原理就是力=壓強(qiáng) 受力面積，即:

F=W×K2×K2×D×sinθ

式中：F：風(fēng)荷載(N/m )；W：基本風(fēng)壓 ( N/m2)；K1：風(fēng)型系數(shù)；K2：迎風(fēng)面積(m2)；D：管道外徑(包括保溫)；sinθ：風(fēng)向與管道軸線之間的夾角(度)。

2.2 風(fēng)載對(duì)管道系統(tǒng)的影響及解決方案

風(fēng)載對(duì)于管道最直接的影響就是增加了管道的側(cè)面受力，如果管道直徑較粗管道所在位置風(fēng)壓值較大的情況下，可能會(huì)影響管道系統(tǒng)的整體的應(yīng)力情況。

下面舉例說(shuō)明風(fēng)載對(duì)管系的影響：某地風(fēng)壓值為600 ，某減壓裝置中的減壓轉(zhuǎn)油線管道直徑達(dá)到DN1800,材料為Q245R+317L,T=16mm+3mm,操作溫度402℃，壓力-10KPa,風(fēng)型系數(shù)0.7，地面粗糙度類別為A類，風(fēng)荷載見(jiàn)圖1，管形及約束見(jiàn)圖2，風(fēng)荷載方向考慮+X向,模型中10點(diǎn)為減壓塔入口，轉(zhuǎn)油線低速段有兩個(gè)支點(diǎn)為20點(diǎn)和40點(diǎn)。

圖1 管道系統(tǒng)風(fēng)荷載

方案一：20點(diǎn)與40點(diǎn)僅加彈簧支架，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)表格可以看出當(dāng)考慮+X向風(fēng)載時(shí)，由于轉(zhuǎn)油線低速段管徑較大，迎風(fēng)面積就大，導(dǎo)致減壓塔管嘴處會(huì)多承受很大的力和力矩，對(duì)減壓塔管嘴的安全是一個(gè)很大的考驗(yàn)。在40點(diǎn)增加一個(gè)X向限位，再進(jìn)行計(jì)算得到結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 20點(diǎn)與40點(diǎn)僅加彈簧支架，計(jì)算結(jié)果

表2 在40點(diǎn)增加一個(gè)X向限位計(jì)算得到結(jié)果

通過(guò)計(jì)算結(jié)果我們可以看到，40點(diǎn)的限位支架有效的分擔(dān)了風(fēng)載，關(guān)鍵是大幅度減小了管嘴的彎矩，通過(guò)這種在關(guān)鍵位置增加導(dǎo)向架的方式可以有效的減小風(fēng)載對(duì)管系應(yīng)力的影響。

3 安全閥排放反力荷載

3.1 安全閥排放反力荷載的計(jì)算方法

3.1.1 開式系統(tǒng)的反作用力

在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的條件下，安全閥開啟時(shí)的反力F包括動(dòng)量效益和應(yīng)力效應(yīng)兩部分。如圖2所示。

F=GW+(P-Pa)·106(N)

式中：F——點(diǎn)1的反作用力，N；

G——質(zhì)量流速，Kg/s，按安全閥開啟時(shí)最大流率的1.1倍；

W——點(diǎn)1的出口流速m/s；

P——點(diǎn)1的靜壓，MPa；

Pa——大氣壓力MPa；

圖2 安全閥開啟時(shí)的反力

3.1.2 反作用力的動(dòng)力放大特性(動(dòng)載因子)

管系在瞬態(tài)載荷作用下受到的力和彎矩一般大于靜態(tài)值，這種動(dòng)力放大特征可用動(dòng)載因子DLF來(lái)表征。DLF定義為動(dòng)撓度與靜撓度的最大比值。

DLF可按下述方法確定：

(1) 安全閥系統(tǒng)的振動(dòng)周期 (s)。

式中:W——安全閥、入口管、出口管及法蘭等的總質(zhì)量，Kg；(與前面公式中的指代意義不同)；

h——主管道至出口管中心線的距離，cm；

E——設(shè)計(jì)溫度下，入口管材料的彈性模量，MPa；

I——入口管的慣性矩，cm4。

(2) 計(jì)算安全閥開啟時(shí)間t0與周期T的比值t0/T，t0為安全閥從全閉到全開的時(shí)間。

(3)由t0/T從圖3中查得動(dòng)載因子。

圖3 開式排氣系統(tǒng)的動(dòng)載因子

3.2 安全閥排放反力對(duì)管道系統(tǒng)的影響及解決方案

安全閥排放反力對(duì)于管道最直接的影響就是增加了管道的水平和豎立方向的推力，根據(jù)上節(jié)公式可以看出，此力的大小與壓差、流速和管徑有關(guān)，在管徑一定的情況下，壓差越大流速越快對(duì)管道造成的力也就越大，管道的響應(yīng)也就越大，如果不對(duì)管道進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)，任由這個(gè)力作用于管道是非常危險(xiǎn)的，輕則會(huì)引起管道系統(tǒng)的振動(dòng)，嚴(yán)重的時(shí)侯有甚至?xí)绊懝艿辣旧淼陌踩?/p>

在實(shí)際工作中安全閥的排放反作用力通常是由安全閥制造廠提出，值得注意的安全閥制造廠提出的力是穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下的作用力，而我們?cè)u(píng)價(jià)管道應(yīng)力時(shí)要考慮安全閥起跳瞬間的瞬態(tài)荷載，一般來(lái)說(shuō)瞬態(tài)荷載取穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下的作用力的兩倍。

下面舉例說(shuō)明安全閥起跳荷載對(duì)管系的影響：某項(xiàng)目汽輪機(jī)出口管道有安全閥放空管線，如圖4所示，安全閥制造廠提供的穩(wěn)定狀態(tài)下的反作用力為1000N，所以我們?cè)谌鐖D段考慮反作用力管系的影響。通過(guò)計(jì)算我們可以看出，如果不對(duì)管道加以限制，安全閥起跳載荷會(huì)引起管道應(yīng)力的超標(biāo),見(jiàn)表3。

圖4 汽輪機(jī)出口管道有安全閥放空管線表3 安全閥起跳荷載對(duì)管系的影響

通過(guò)在管道上面增加限位支架，則管道的應(yīng)力水平滿足要求，見(jiàn)表4。

表4 增加限位支架管道的應(yīng)力水平

4 結(jié)論

對(duì)于存在偶然荷載的管道，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其影響，通過(guò)修改管系走向，增加限位支架等方式增加管道的剛度，降低偶然荷載對(duì)管道的影響，保證管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行。