劉洪佳， 田德永 ，吳廣增

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司， 山東 濟(jì)南 250101)

壓力管道低溫低應(yīng)力工況判定方法及應(yīng)用

劉洪佳， 田德永 ，吳廣增

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司， 山東 濟(jì)南 250101)

闡述了壓力管道低溫低應(yīng)力工況的確定方法，并結(jié)合工程實(shí)例說明壓力管道低溫低應(yīng)力工況應(yīng)用的要點(diǎn)。

低溫低應(yīng)力；壓力管道；判定方法

壓力管道設(shè)計(jì)中低溫材料的脆性開裂問題時(shí)有發(fā)生，金屬材料隨著溫度的下降，將由延性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?，在?yīng)力的作用下產(chǎn)生低應(yīng)力脆性斷裂。針對(duì)金屬材料低溫脆性問題，國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范都規(guī)定了金屬材料的最低使用溫度及低溫沖擊試驗(yàn)要求[1]。壓力管道規(guī)范(GB/T20801.2)規(guī)定了碳鋼低溫低應(yīng)力工況免除沖擊試驗(yàn)的最低使用溫度-101℃[2]。冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50072)將制冷系統(tǒng)作為低溫低應(yīng)力工況[3]，規(guī)定制冷系統(tǒng)20#碳鋼管道的最低工作溫度至-48℃。

低溫低應(yīng)力工況運(yùn)行的管道除了溫度不得低于規(guī)范要求最低溫度外，管道內(nèi)最大應(yīng)力要求不得高于規(guī)范要求最低應(yīng)力水平，而決定管道最高應(yīng)力水平的因素除了壓力、重力外，還有管道柔性。因此，低溫低應(yīng)力工況判定應(yīng)經(jīng)過應(yīng)力分析確定。

1 低溫低應(yīng)力工況

低溫低應(yīng)力概念源于壓力容器規(guī)范(GB150.3)附錄E[4]：“低溫低應(yīng)力工況系指殼體或其受壓元件的設(shè)計(jì)溫度雖然低于-20℃，但設(shè)計(jì)應(yīng)力小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強(qiáng)度的1/6，且不大于50MPa時(shí)的工況”。壓力管道規(guī)范(GB/T20801)將同時(shí)滿足下列三個(gè)條件的工況定義為低溫低應(yīng)力工況：

(1)低溫下的最大工作壓力不大于常溫下最大允許工作壓力的30%。

(2)管道由壓力、重量及位移產(chǎn)生的軸向(拉)應(yīng)力總和不大于10%材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度值。

(3)僅限于GC2級(jí)管道，且最低設(shè)計(jì)溫度不低于-101℃。

低溫低應(yīng)力工況下管道或其管道元件的設(shè)計(jì)溫度雖然低于或等于規(guī)范規(guī)定的材料低溫界限，但其總體應(yīng)力小于或等于規(guī)定的低應(yīng)力水平。此時(shí)管道不會(huì)發(fā)生脆性斷裂。在工程實(shí)踐和科學(xué)試驗(yàn)中，確實(shí)存在這種情況。

2 低溫低應(yīng)力工況判定方法

2.1 判定方法

低溫低應(yīng)力管道的判定是應(yīng)用低溫低應(yīng)力工況的前提，低溫低應(yīng)力工況與溫度壓力、重量及位移產(chǎn)生的軸向應(yīng)力相關(guān)，即管道位移應(yīng)力跟管道布置有關(guān)。低溫低應(yīng)力管道判定步驟如圖1所示。

圖1 低溫低應(yīng)力管道判定步驟

2.2 直管常溫最大允許壓力計(jì)算

直管外壓設(shè)計(jì)應(yīng)按照壓力容器規(guī)范(GB150等)計(jì)算最大允許壓力，壓力管道多為內(nèi)壓管道，本文僅討論內(nèi)壓直管最大允許壓力計(jì)算。內(nèi)壓直管最大允許壓力計(jì)算按式(1.1)。

(1.1)

式中：PL——最大允許壓力，MPa；t——管道壁厚，mm；S——管道材料常溫許用應(yīng)力，MPa；Φ——縱向焊接接頭系數(shù)，無縫鋼管取1.0；Do——管道外徑，mm；Y——計(jì)算系數(shù)，低溫管道且t

2.3 彎管彎頭常溫最大允許壓力[5]

內(nèi)壓彎頭或彎管常溫最大允許壓力PE按式(1.2)計(jì)算。

(1.2)

2.4 法蘭、閥門最大允許工作壓力

法蘭最大允許工作壓力按照鋼制管法蘭標(biāo)準(zhǔn)(HG/T20592)規(guī)定的法蘭常溫壓力額定值選取。閥門常溫最大允許工作壓力按供貨商或國家規(guī)范執(zhí)行。

2.5 管道軸向拉應(yīng)力計(jì)算

管道軸向拉應(yīng)力源于軸向載荷和冷縮位移。管道低溫低應(yīng)力工況判定應(yīng)計(jì)算二者的綜合拉應(yīng)力。

(1)內(nèi)壓及軸向力引起的軸向拉應(yīng)力σL

(1.3)

式中：Pd——設(shè)計(jì)壓力，Mpag；Di——管道內(nèi)徑，mm；Fax——作用在管道橫截面的軸向力，N；A——管道橫截面積，mm2。

(2)重量荷載引起軸向應(yīng)力σZ

重力可按均布荷載作用產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力計(jì)算，有集中荷載時(shí)，應(yīng)考慮集中荷載對(duì)管道彎矩的影響。

(1.4)

式中：M——均布荷載引起最大彎矩，N.m，直連管道M=qL2/12，L型布管時(shí)最大彎矩M= M=qL2/8；Z-截面模量，mm3；q——管道重量，N/m；

(3)管道冷縮位移引起的軸向應(yīng)力

冷縮位移引起的軸向應(yīng)力與管道材料、操作溫度及管道布置有關(guān)。復(fù)雜管系冷縮導(dǎo)致軸向應(yīng)力應(yīng)借助應(yīng)力分析軟件詳細(xì)計(jì)算得出，簡單管系冷縮軸向應(yīng)力可采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

圖2(a)所示，直連管道冷縮位移引起的軸向應(yīng)力：

(1.5)

圖2(b)所示，L型管道布置冷縮位移引起的軸向應(yīng)力：

(1.6)

其中，E——操作溫度下材料彈性模量，MPa；α——操作溫度至室溫的材料平均線膨脹系數(shù)；R——管道半徑，mm；To-Ta——操作溫度與安裝溫度的差值，℃。

圖2 直連及L型布管示圖

3 工程應(yīng)用

某低溫甲醇洗管道，介質(zhì)為CO2，無縫管道外徑Φ219.1mm，壁厚8mm，設(shè)計(jì)溫度-45℃，設(shè)計(jì)壓力0.4MPag，法蘭等級(jí)Class 150，管道布置為直連或者L型(如圖2)，管道重量408.17N/m，長度L、L1、L2為3m，安裝溫度21℃。根據(jù)低溫低應(yīng)力工況判定方法確定該管道是否可選用20#碳鋼材料。

3.1 根據(jù)壓力管道分級(jí)，該管道屬于GC2級(jí)壓力管道。

3.2 直管常溫最大允許工作壓力按式(1.1)計(jì)算，PL= 9.706MPa；彎頭常溫最大允許壓力按式(1.2)計(jì)算，代入數(shù)據(jù)得彎頭內(nèi)外側(cè)最大允許壓力為PEi=9.1MPa、PEo=6.37MPa。因此，該管道常溫最大允許壓力應(yīng)為6.37MPa，從而管道低溫最大工作壓力(0.4MPag)小于0.3倍管道常溫最大允許壓力(1.91MPa)。

3.3 根據(jù)HG20615法蘭溫壓表，低碳鋼法蘭常溫最大允許壓力1.96MPa，管道低溫最大工作壓力(0.4MPag)小于法蘭常溫許用壓力的30%(0.588MPa)。

3.4 內(nèi)壓引起的軸向拉應(yīng)力按式(1.3)計(jì)算，σL= 2.44MPa。

3.5 直連管道重量引起拉應(yīng)力按式(1.4)計(jì)算：σZ=1.134MPa；L型管道重量引起拉應(yīng)力按式(1.4)計(jì)算：σZ=1.7MPa。

3.6 位移產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力按式(1.5)、(1.6)計(jì)算，直連布管時(shí)最大拉應(yīng)力σAx=131MPa，L型布管時(shí)最大拉應(yīng)力σEx=28.7MPa。

3.7 查GB/T20801表A.1：

碳鋼20#標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度值為410MPa。綜合以上計(jì)算結(jié)果得出：

(1)直連布管時(shí)管道由于位移產(chǎn)生的拉應(yīng)力(131MPa)達(dá)到材料最小抗拉強(qiáng)度值(41MPa)的3.2倍。

(2)L型布管時(shí)最大拉應(yīng)力(σL+σZ+σEx)為32.85MPa，小于10%材料最小抗拉強(qiáng)度值(41MPa)。

(3)該管道在L型布管時(shí)滿足低溫低應(yīng)力工況要求，可以采用20#材料。

4 結(jié)論

低溫低應(yīng)力工況是保證低溫碳鋼管道不發(fā)生脆性斷裂的最低要求，應(yīng)該根據(jù)管道介質(zhì)、壓力及布置情況綜合評(píng)定以確定是否滿足低溫低應(yīng)力工況。

低溫低應(yīng)力工況應(yīng)用注意事項(xiàng)：

(1)低溫低應(yīng)力工況的判定與管道布置相關(guān)，應(yīng)避免低溫管道直連布管。

(2)復(fù)雜布置管道應(yīng)經(jīng)過詳細(xì)應(yīng)力分析以保證管道綜合軸向應(yīng)力小于10%材料最小抗拉強(qiáng)度。

(3)管道存在如壓力波動(dòng)、流體沖擊等沖擊工況，即使?jié)M足低溫低應(yīng)力工況要求，也不建議采用，避免外部沖擊荷載造成的脆斷風(fēng)險(xiǎn)。

(4)極冷地區(qū)常溫操作的GC3級(jí)管道(如氮?dú)夤?，項(xiàng)目建設(shè)地冬天極端溫度低于-20℃，若滿足低溫低應(yīng)力條件也可參照低溫低應(yīng)力工況。

(5)低溫低應(yīng)力工況是GC2管道免除沖擊試驗(yàn)的條件之一，理論基礎(chǔ)是最大應(yīng)力滿足規(guī)范要求的低應(yīng)力水平，不適用于GC1級(jí)和劇烈循環(huán)工況。

[1] 尹 俠.壓力管道設(shè)計(jì)中低溫低應(yīng)力工況及其應(yīng)用[J].化工機(jī)械,2001 (1):30-31.

[2] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T20801.2-2006壓力管道規(guī)范-工業(yè)管道[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50072-2010冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社,2010.

[4] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB150-2011壓力容器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[5] 黃興軍.低溫低應(yīng)力工況的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用[J].化工設(shè)備與管道,2005 (2):13-14.

(本文文獻(xiàn)格式：劉洪佳， 田德永 ，吳廣增.壓力管道低溫低應(yīng)力工況判定方法及應(yīng)用[J].山東化工，2017，46(08)：190-120，122.)

Decision Method and its Application of Low Temperature and Low Stress Condition in Pressure Pipline Design

LiuHongjia,TianDeyong,WuGuangzeng

(CNOOC Shandong Chemical Engineering Co.，Ltd.,Jinan 250101,China)

The decision method of low temperature and low stress condition in pressure pipline design is elaborated in this paper，and the application key points of low temperature and low stress conditi- -on are illustrated combining with project cases.

low temperature and low stress；pressure pipline；decision mathod

2017-03-03

劉洪佳(1984—)，山東濟(jì)南人，工程師，現(xiàn)主要從事工程設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析相關(guān)工作。

TQ05

A

1008-021X(2017)08-0119-02