1、长距离输送天然气管道典型阀室应力分析浅谈摘 要：本文同过对某天然气长输管道典型阀室应力分析，根据实际设计参数，压力等参数建立模型，采用美国“ CAESAR II “软件进行了应力分析。通过对于各种载荷下管道应力分析计算，确定出管道应力分析状况、可能位移等信息，经过与国内外规范相关要求的对比，为下一步的工艺设计和配管安装提供了重要的理论基础。 关键词：工艺管道 典型阀室 应力分析 载荷 模型 一、引言 一套完整的工艺装置，只有通过管道按照流程需要将工艺过程所必须的各种机械装备加以连接才能进行正常的生产。工艺装置能否长期安全生产和具有足够的使用寿命也与管道设计的好坏密切相关。因此，管道设计是工业生
2、产装置不可缺少的重要组成部分，我们必须给予高度的重视。我们所讨论的压力管道是指压力管道安全管理与监察规定限定范围内的管道，管道中通常都是高温（或超低温） 、高压、易燃、易爆、有毒等危险性较大的介质。因此，压力管道一旦发生安全事故，都会造成严重的经济损失和人员的伤亡，这些在国内外都一有了大量的经验和教训。保障压力管道的安全运行，首先要通过合理的设计保障管道的强度，这里对于长距离输送天然气管道应力分析进行简单的交流。 二、管道应力分析 1. 作用于管道的载荷有： 1.1 管内介质产生的压力 介质产生的压力主要在管子中产生环向的使管子直径增大或缩小的变形，这也是管子本身发生破裂的主要影响因素。同时，
3、介质的压力在远端轴向还会在管子中产生轴向拉（压）应力而引起某些附加载荷。对于厚壁管，还会产生沿半径方向的载荷。 1.2 管子重量（自身、介质、保温层） 高压、大直径钢管的重量（自身、介质、保温层）不容忽视。 管子重量在水平布置的接管中产生类似于梁的变形，而在竖直布置的接管中产生压应力，困难造成失稳破坏。 1.3 零部件的重量 1.4 支吊架产生的支反力 1.5 风力、地震产生的载荷 1.6 管道温度变化所产生的温差应力 1.7 管道安装所产生的约束力 1.8 设备的变形或位移在管道上产生的附加载荷 1.9 此外，还有介质在管内的流动所引起的各种动载荷 2.不同性质的载荷对管道安全的影响有很大差
4、别 2.1 随着管内介质压力的增加，管壁的应力水平会不断加大，直至破坏，这种状态称为应力没有自限性。 2.2 随着管内温度增加，由于有约束存在，管壁的应力水平也会加大，但当达到一定程度时，如材料屈服，由温差产生的应力会逐渐降下来，这种性质成为应力具有自限性。 不同性质的载荷，在管道中所产生的应力对管道安全的影响不同，因此，要根据不同类型的载荷采用不同的强度条件，才能在保障安全的前提下，尽可能的提高管道运行的经济性。对于压力管道，介质的内压是最主要的载荷，也是管道强度计算的主要依据。 3.压力管道应力分析的目的 压力管道的设计应能够适应介质的压力、温度和介质的操作条件，设计的核心问题是研究压力管
5、道在外载荷作用下，有效地抵抗变形和破坏的能力，即处理强度、刚度和稳定性问题，保证压力管道的安全性和经济性。 因此，对压力管道进行较为充分的载荷和应力、应力与变形分析，构成了压力管道设计的重要理论基础。 4.应力 4.1 应力的概念及管道的破坏 应力的基本定义是指构件单位面积上所承受的内力。一般来说，应力的值随外载荷增大而增大，而各种材料对应力的承受能力有一个极限，称为强度极限，当应力的值达到或超过材料的极限时，材料就可能发生诸如过度变形、开裂、断裂、失稳等现象，称为失效或破坏。 4.2 应力分类 压力管道应力分类的依据是应力对管道强度破坏所起作用的大小。这种作用又取决于下列两个因素：应力产生的
6、原因，即应力是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的，外载荷是机械载荷还是热载荷；应力的作用区域和分布形式，即应力的作用是总体范围还是局部范围的，沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性的。目前，比较通用的应力分类方法是将压力管道中的应力分为三大类：一次应力、二次应力和峰值应力；承压管道中的应力分布，在承受内（外）压力作用的管道器壁中，由于管道几何形状的轴对称性质，可能产生的主应力有 、z 、r 。 当管壁的厚度与管直径相比较小时，在半径方向的挤压应力r 可以忽略不计，管壁内只有两个方向的主应力，称为两向应力状态或平面应力状态，反之，称为三向应力状态或平面应力状态。 5.柔性设计 温度变化时
7、管道系统热胀的可能性称为管系的柔性。管道的柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念，表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩及其他位移变形的能力。 管系的柔性越大，所产生的热应力就越小。工程上增大管道柔性的几种措施（GB 50316） 5.1 在条件允许的情况下， 应首先考虑采用改变管道走向以增加管道的柔性， 如将管道根据工艺需要布置成 L 型或 Z 型 （称为自然补偿器） ； 5.2 增加管系的长度可以增加管道的柔性， 增加与其垂直的管道的长度可以减小管系的刚性； 5.3 选用弹簧支吊架， 在吊架处存在的垂直位移， 可以将约束放松，增加管道的柔性. 5.4 选用人工补偿器：设置 型弯或设置波纹管膨
8、胀节 6. 管道支吊架的类型和选用 管道支吊架的主要类型包括以下几种： 6.1 承重类 恒力吊架、变力支吊架、刚性支吊架。 6.2 限位支吊装置，限位、导向。 6.3 振动控制装置。 管道支吊架的选用原则： 6.3.1 按照支撑点载荷大小、位移情况、操作温度、安装空间、管道材质来选用 6.3.2 尽量选用标准支吊架 6.3.3 在下列情况下应考虑设置导向支架：管道横向位移过大，固定支架距离过长，可能产生横向不稳定，管道内因冲击载荷或两相流产生振动时，设计时只允许轴向位移时。 6.3.4 当架空的管道热膨胀量较大时，应使用加长管托支撑。 7.应力分析注意事项。 应用计算机程序进行详细的局部应力分
9、析确定应力增大系数，有限元法是最为有效的一种方法。一般步骤如下：采用有限元法对特殊管件进行分析，得到应力集中系数；应力增大系数等于应力集中系数的一半。根据 GB 50316、ASME B31.1 和 ASME B31.3 的规定，计算二次应力时应采用应力增大系数。这是由于采用应力增大系数的目的，是考虑局部应力集中的影响，而局部应力集中主要对管件的疲劳破坏产生作用。因为局部的高应力循环，将使材料产生裂纹并不断扩展，最终导致破坏。校核二次应力的目的正是为了防止疲劳破坏，因此在计算二次应力时必须考虑应力集中的影响，应该采用应力增大系数。另外，根据 ASME B31.3 的标准释义，计算一次应力可不考
10、虑应力增大系数。这主要是因为校核一次应力是为了控制管道的整体破坏，局部的应力集中对管道的整体破坏影响不大。另外一次应力采用弹性分析方法，认为某一点达到屈服管道失效，已经非常保守，如果在考虑应力集中的影响将导致过分保守。 三、实例解析（长输天然气管道典型阀室应力分析） 1. 分析目标：通过建模计算，分析在各种应力作用情况下的管道中典型阀室受力情况，用来指导下一步的工艺及其配管安装。分析方法：管道系统的计算将通过软件“ CAESAR II ”来进行 。通过管道系统的建模，模拟正常情况下和考虑到相当严峻的情况 1.1 建立管道系统的模型。 2.进行计算。估计负载，根据标准 ASME B31.8 和工
11、程师经验，来设定管道应力和位移。 3.若计算应力值通过规范要求，计算完成。如果不是，请调整管道的约束或管道布局，以重新检查整个模型，直到通过规范要求。 2.相关解释 正常运行模式（ OPE ） ，考虑到由重力，内压力和温度产生的负载。维持负载模式（ SUS ） ，考虑到由重力，内压力所产生的负载。 热膨胀模式（ EXP ） ，考虑到创建的管道系统由于温度变化引起热膨胀的负载。 水力模式（HYD） ，考虑到水和管道的重力，引起的负载。 偶然负载模式（ OCC ） ，考虑到其他重力，风（地震等）产生的负载。 3.缩略语 W - 重量，包括管，流体，隔热层等。 T1 - 工作温度#1 P1 - 工作
12、压力#1 WW - 重量，包括管道，装满水时，隔热层等。 HP - 静水压力 WIN1 - 风载荷向量#1 U1 - 地震载荷向量#1 根据 ASME B31.8 中关于应力公式： 持续压力： SL = ST + SLP + SB 0.75S * F * T 热膨胀应力： SE SA SA = 1.25 （ SC + SH ） - SL F = 6N- 0.2 1.0 其中： SL 持续管道应力； SE -热膨胀应力； SH - 基本许用应力 SA - 允许应力范围； S - 材料最小屈服强度； F - 折减系数得到的应力范围； 4.管道数据 表 4-1 阀室管材参数 5.模型建立 图 5-1
13、 典型阀室轴测视图 六、结果分析 根据这个管道的模型，考虑管材重量，介质重量，设计压力和工作条件进行计算。下表是由最极限情况计算出的最大应力和可能位移。 表 6-1 最高压力管道 七、结论及意见 通过应力分析计算软件 CAESAR II （ INTERGRAPH 美国）模拟实际条件下的管道，得到的计算结果是，在此条件下的所有类型的管道的管道应力没有超过规范规定的数值，位移和负载是在允许的范围内。设计管道系统应力在此次计算条件下是合理的，符合国内外规范的相关要求。参考文献 1ASME B31.8-2010.Gas Transmission and Distribution Piping Systems . 2API Spec. 5L-2009.Line Pipe Specifications. 3API 6D-2008.Specification for Piping Valves . 4GB 50316-2000.工业金属管道设计规范. 5 唐永进.压力管道应力分析. 中国石化出版社，2003 年 11月.
