管道应力分析在橇块中的应用

管道应力分析在橇块中的应用孙晓飞大庆油田水务工程技术有限公司摘要：为保证橇块内管道及相连设备管口的安全，以某分离器橇块为例，采用计算软件建立模型进行管道应力分析和规范校核。通过分析，阐述了橇块内管道应力分析中的注意事项和难点。结果表明，合理布置管道支撑能够减小管道内的一次应力、二次应力，且由于橇内自然补偿空间不足，调整支架形式及位置成为减小设备管口载荷的重要方法。关键词：橇块，管道系统，应力，管口载荷，管支撑ApplicationofPipingStressAnalysisinPackageAbstract：Oneseparatorpackagewastakeasanexampletoensurethesecurityofpipelineandequipmentnozzle.Themodelwasestablishedbycalculatesoftwaretoconductpipingstressanalysisandcodecheck.Throughtheanalysis,considerationsanddifficultiesinpackagepipingstressanalysiswereelaborated.Accordingtotheresults,reasonablepipingsupportscandecreasetheprimarystressanddisplacementstress.Inaddition,duetolackofnaturalcompensationspace,modifyingtheformandpositionofpipingsupportsisthemajormethodtoweakenthenozzleloads.Keywords：package,pipingsystem,stress,nozzleloads,pipingsupports1.引言管道应力分析是指为保证管道自身和与其相连的机器、设备及支吊架和土建结构的安全进行的管道应力计算及评定[1]。管道应力分析是为压力管道设计服务的，压力管道设计主要是压力设计和柔性设计。通常，通过选择合适的壁厚就可以满足压力设计，因此如何使管道系统具有足够柔性成为管道设计中的关键。橇块，是将机械设备、仪表、电气及相关阀门、管线安装在钢结构框架上，在工厂进行制造的小型模块。作为一个整体模块，橇块是一个功能完整的工艺系统集成，涉及到设备、管道、仪表、电气、结构等多个专业[2-5]。对橇块内的管道进行应力分析及评定，是保证橇块安全工作的重要环节。2.橇块内管道应力分析的特点由于尺寸限制严格，因此管道的设计往往是橇块设计的难点。区别于工厂的整体管道设计和长输管道设计，橇内管道布置空间小，仪表、阀门多，难以实现“U”形弯等形式的自然补偿。因此合理的设置管道支撑形式，成为了调整管道柔性的主要手段。此外，橇块边缘与外部管线连接处往往要求设置成固定点，不利于橇内管道热胀力的释放，因此对橇内管道的支撑布置与形式提出了更加严苛的要求。但并不是所有的管道都需要进行详细应力分析。详细应力分析是指利用可靠的管道应力分析计算程序或软件，对管道系统进行分析计算。GB50316《工业金属管道设计规范》中规定了必须进行详细应力分析的管道类型[6]。橇块内管道应力分析应包含以下内容[1,7-9]：(1)计算管道自身的应力水平并使之满足标准规范的要求，保证管道的安全；(2)计算管道对与其相连的设备的作用力，即管口载荷，并使之满足标准规范的要求，保证设备安全；(3)计算管道对管道支撑的作用力，为管道支撑的设计提供依据；(4)计算管道位移，防止位移过大造成支架脱空或管道碰撞，为弹簧支吊架的选用提供依据。(5)对特殊管道进行水锤分析、振动分析及安全阀泄放载荷分析等动力分析。现以某工程项目中的生产分离器橇块为例，采用CAESARII软件，说明如何进行橇块内管道应力分析。CAESARII是国际上应用最多的管道应力分析软件之一，广泛应用于石油、化工、电力等行业。3.橇块管道应力分析实例3.1建立模型某油田地面集输工程项目中生产分离器橇，橇内需要进行详细分析的管道的基本设计参数见表1。橇块服役地区基本风速为58.2m/s，抗震级别为8度。表1管道基本设计参数名称设计压力/MPa设计温度/操作温度(℃)试验压力/MPa管径(mm)壁厚(mm)材料介质入口Ⅰ1.8128/982.7711.228SA-106Gr.B介质入口Ⅱ1.8128/982.7168.37.11SA-106Gr.B水出口1.8128/982.75089.53SA-106Gr.B油出口1.8128/982.7406.49.53SA-106Gr.B根据图纸要求，建立模型，如图1所示。由于容器自身的热胀冷缩，管道与容器连接的管口位置存在初始位移，为准确获取管口初始位移，采用管单元模拟设备。初步设定管道支撑位置与形式，橇块边缘与外部管道相接处设置为固定点，其他部位相应设置承重支架和导向支架。支架位置可根据计算结果调整，以获取最佳布置。法兰、阀门等采用具有一定重量的刚体单元模拟。图1管道应力分析模型3.2工况设置管道系统承受的载荷主要有以下几种：(1)内压，应根据最不利的压力-温度组合确定管道的计算压力；(2)持续外载，包括管道及内部流体自重、仪表阀门重量等；(3)温度载荷，由于热胀冷缩导致的载荷；(4)偶然载荷，风、地震等偶然性载荷。不同载荷引起不同类型的应力，对管道损伤破坏的影响也各不相同。如果根据综合应力进行校核会导致过于保守的结果。因此管道应力的校核采用了将应力分类的方法。管道校核中，将应力划分为一次应力和二次应力。一次应力是由于压力、重力和其他外力载荷所产生的应力，随载荷增加而增大；二次应力是由于热胀冷缩、端点位移等位移载荷作用产生的应力，具有自限性[10]。两者具有不同的许用应力。根据ASMEB31.3，两者的校核公式如下[11]：一次应力校核公式：SL≤Sh二次应力校核公式：SE≤f(1.25Sc+1.25Sh-SL)式中：SL——管道的一次应力；SE——管道的二次应力；f——许用应力减小系数，对非循环工况，取f=1；Sh——管道材料在设计温度下的许用应力；Sc——管道材料在安装温度下的许用应力；为准确校核不同类型应力，需要对工况进行设置。表2为该项目中的工况设置。表中HYD和SUS分别表示水压试验工况和冷态工况，用来校核一次应力；EXP表示热态工况，用来校核二次应力；OPE表示操作工况，用来进行法兰泄露校核、管口校核及查看管道位移和支撑反力[12]。表2工况设置序号工况类型工况设置序号工况类型工况设置L1HYDWW+HPL14SUSL6-L2L2OPEW+T1+PL15SUSL7-L2L3OPEW+T2+PL16SUSL8-L2L4OPEW+T3+PL17SUSL9-L2L5SUSW+PL18SUSL10-L2L6OPEW+T1+P+WIN1L19SUSL11-L2L7OPEW+T1+P-WIN1L20SUSL12-L2L8OPEW+T1+P+WIN2L21SUSL13-L2L9OPEW+T1+P-WIN2L22SUSMAX(L14,L15,L16,L17,L18,L19,L20,L21)L10OPEW+T1+P+U1L23EXPL2-L5L11OPEW+T1+P-U1L24EXPL3-L5L12OPEW+T1+P+U2L25EXPL4-L5L13OPEW+T1+P-U2L26OPEMAX(L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10,L11,L12,L13)表中：W——管道自重；WW——管道充水重；P——设计压力；HP——水压试验压力；T1，T2，T3——分别为操作温度，安装温度，设计温度；WIN1，WIN2——X方向和Y方向的风载荷；U1，U2——X方向和Y方向的地震载荷。设置好工况后，进行计算。3.3结果分析表3最大应力节点应力类型节点号工况实际应力(MPa)许用应力(MPa)应力比SL460L5310.8202.1153.8%SE1540L2597.2405.823.0%表3显示了SUS工况管道系统的最大应力及所在节点。图3和图4分别显示了最大一次应力和最大二次应力所在位置(为方便显示，图中隐藏了设备模型)。图中红色管道部分为应力超标区域。可见在该种支撑布置下，局部管道的一次应力超出标准要求，管道支撑布置不合理。图3最大SL位置及应力超标位置图4最大SE位置表4管口载荷管口号管口载荷Fx(kN)Fy(kN)Fz(kN)Mx(kN·m)My(kN·m)Mz(kN·m)N1-20.4(45)2.1(45)2.0(45)3.3(86.4)15.5(86.4)-1.7(108)N2-64.5(20)0.5(20)6.2(20)13.9(25.6)-5.3(25.6)98.9(32)N3-60.1(30)43.2(30)1.6(30)58.0(57.6)55.4(57.6)-19.8(72)表4为工况L26下的管口载荷，括号内的数值是标准要求的载荷许用值。在现有支撑条件下，管口载荷超出标准要求。值得注意的是，对于水出口管线，虽然管道自身的一次应力和二次应力满足要求，但与设备相连的管口受到的载荷过大，超出标准要求。对于一般橇块，管口载荷往往是管道柔性分析的制约环节。在空间足够的情况下，可以在水出口管线上设置“U”形弯来改善管道在X方向的柔性，但对橇内空间不足的情况，则只能通过调整管支撑来减小管口载荷。3.3结果分析图5调整后管道分析模型根据以上结果，管道系统的一次应力和连接设备的管口载荷均超出标准要求。一次应力超标一般是支撑不足导致的[1]，而管口载荷超标则是管系柔性不足。由于管道自身没有调整空间，在此需要合理设置管道支架以减小管口载荷。针对油出口管线一次应力超标、N2、N3管口载荷超标问题，应分别在水出口管线和油出口管线上添加了相应支撑，靠支撑分担管口的受力。图5为调整后的管道模型，为了显示添加的支撑，在此显示线框模型。表5最大应力节点应力类型节点号工况实际应力(MPa)许用应力(MPa)应力比SL1300L588.0202.143.5%SE1540L2598.1497.019.7%表6管口载荷管口号管口载荷Fx(kN)Fy(kN)Fz(kN)Mx(kN·m)My(kN·m)Mz(kN·m)N1-20.9(45)1.6(45)2.3(45)2.9(86.4)16.6(86.4)-1.3(108)N2-5.0(20)3.1(20)-1.2(20)-1.6(25.6)0.4(25.6)-4.6(32)N3-8.7(30)-13.3(30)-4.0(30)-20.3(57.6)7.2(57.6)-9.8(72)表5和表6分别显示了调整后管道系统的最大应力状况及管口受力状况。对比初次分析结果可知，添加支撑后管道系统的应力和连接设备的管口载荷均在标准范围之内。值得注意的是，添加支撑后管道系统的SL明显减小，但管道系统的SE有所增加。由于SL的减小，SE的许用值会相应增加。此外，两次分析中管道系统的初阶固有频率分别为3.01Hz和3.45Hz，一般来说，支撑越少，管道柔性越好，但一次应力和管口载荷却可能增大，也更容易引起振动[1]，因此，需要权衡计算结果得出最优方案。4.结论设备橇块化具有节省布置空间、减少现场安装调试工作量、缩短工程周期等优点。如今，设备橇块化已成为确保油气田高效开发的重要手段，越来越多的应用在油气田地面集输工程中。橇块内的管道应力分析也越来越引起业主和工程人员的重视。本文通过对工程实际项目的分析，阐述了橇块的管道应力分析的特点，对从事橇块设计工作的人员具有参考意义。参考文献[1]唐永进.压力管道应力分析[M].第2版.北京：中国石化出版社，2009:1-11,51-94.[2]陈艳,安慕华,张闯.橇装设备仪表自控系统设计原则[J].化工自动化及仪表,2013,40(12):1561-1564.[3]吴伟,李献尧.橇装化设备在普光气田技术工程中的应用[J].化工时刊,2012,26(8):41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