王 勛

(天津博邁科海洋工程股份有限公司，天津300452)

在石油化工、海洋油氣等行業(yè)，管道作為流體輸送的主要承載體應(yīng)用廣泛，而作為保證管道系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的管道支架也同樣必不可少。管道應(yīng)力分析是指為保證管道自身和與其相連的機(jī)器、設(shè)備及支吊架和土建結(jié)構(gòu)的安全，而進(jìn)行的管道應(yīng)力計(jì)算及評(píng)定[1]。因此，對(duì)支架進(jìn)行分析校核在工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)常見且必要的過程。

1 假管支托的特點(diǎn)

管道支架分為一次支架和二次支架[2]。一次支架指與管道直接連接或接觸的管支架，如U型螺栓、焊接管鞋、管夾式管鞋等；二次支架指生根于結(jié)構(gòu)或設(shè)備(如混凝土或鋼結(jié)構(gòu)梁、柱)、用于承載一次管支架的支架，如三腳架、懸臂梁、簡(jiǎn)支梁等。工程公司和設(shè)計(jì)院都有一套自己的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，甚至是項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)支架的選型設(shè)計(jì)。

在眾多的支架中，假管支托作為一種特殊的支架型式，因其安裝建造比較方便而被廣泛使用，假管支托的安裝只需要將一段管子直接焊接在輸送流體的母管上(通常假管比焊接的母管小1～2個(gè)NPS管徑)。但是假管支托相對(duì)于上面所說的通用支架，對(duì)管道的載荷承載能力相對(duì)較弱，這就導(dǎo)致應(yīng)力工程師需要校核假管支托與母管焊接點(diǎn)的可靠性以及假管支托承受管道載荷的能力[3]。

假管支托一般應(yīng)用在水平管道上，有時(shí)也應(yīng)用在彎頭處，但是彎頭處的假管會(huì)降低管道的柔性，通常要求盡量避免使用。假管支托與母管直接焊接時(shí)，假管支托的校核通常會(huì)失敗，常用的解決方法是焊接加強(qiáng)板，加強(qiáng)板只允許使用在直管段上，而不允許在彎頭處。如果管道的材料不是碳鋼，加強(qiáng)板的材料一般與母管材料保持一致，假管支托的材料選用碳鋼。

2 影響因素

假管支托的影響因素和影響結(jié)果見表1。

表1 假管支托的影響因素及影響結(jié)果

3 假管支托校核實(shí)例分析

假管支托的校核方法有多種，M.W.Kellogg方法在海內(nèi)外工程公司的應(yīng)用較為廣泛，有些工程公司也使用WRC的方法校核假管支托。這里主要介紹如何使用M.W.Kellogg方法校核假管支托，此方法通常會(huì)被編制成Excel表格在工程公司中應(yīng)用。

管道應(yīng)力分析主要包括正確建立模型、真實(shí)地描述邊界條件、正確地分析計(jì)算結(jié)果[4]。只有假管在CAESAR II中正確地建模、真實(shí)地描述邊界條件，才能取得正確的受力分析結(jié)果，進(jìn)而確保假管支托校核的準(zhǔn)確性。

3.1 計(jì)算案例

4”(101.6 mm)的無(wú)縫鋼管用3”(76.2 mm)的假管支托支撐。無(wú)縫鋼管選用標(biāo)準(zhǔn)ASME B36.10，壁厚STD，材料ASTM A106 GR B；假管支托無(wú)縫鋼管選用標(biāo)準(zhǔn)ASME B36.10，壁厚STD，材料ASTM A106 GR B，管道的設(shè)計(jì)壓力為2.2MPa，管道與假管支托間的加強(qiáng)板厚6mm，假管支托長(zhǎng)度200mm，查閱ASME相關(guān)規(guī)范后獲取的設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)見表2。

表2 假管支托計(jì)算設(shè)計(jì)輸入值

3.2 計(jì)算步驟

(1)首先使用CAESAR II模擬分析管系，假管支托需要在軟件中正確建模，進(jìn)行靜態(tài)分析。獲取三個(gè)方向假管支托處的載荷，一般取HYD/SUS/OPE工況下的最大載荷，以上案例應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果歸納見圖1。

圖1 假管支托受力圖示

(2)假管支托由于受力FA，及力矩MC和ML的作用，被支撐管生根部位產(chǎn)生局部應(yīng)力，其計(jì)算方法如下[5]：

因縱向力矩(Longitudinal Bending)ML產(chǎn)生的線載荷：

因環(huán)向力矩(Circumferrential Bending)MC產(chǎn)生的線載荷：

因軸向力(Axial Force)FA引起的線載荷：

(3)使用M.W.Kellogg公式計(jì)算生根部位的局部應(yīng)力，Kellogg公式：

其中，Sb為被支撐管生根部位的局部應(yīng)力；R為被支撐管外半徑；TC為被支撐管扣除腐蝕裕量后加上補(bǔ)強(qiáng)板的厚度；f為由力或力矩引起的線載荷。

TC=6.02-3-6.02×0.125+6=8.2675 mm

=8.52MPa(系數(shù)取1.75)

=0.88MPa(系數(shù)取1.75)

(4)計(jì)算由管道設(shè)計(jì)壓力引起的縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力：

(5)將以上計(jì)算的應(yīng)力用如下公式進(jìn)行組合后，與許用應(yīng)力值進(jìn)行比對(duì)，通常取1.5Sh做為許用應(yīng)力值，Sh為ASME標(biāo)準(zhǔn)中的基礎(chǔ)許用應(yīng)力，若3個(gè)公式都滿足要求，即校核通過，否則假管支托不合格，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析調(diào)整，重新核算。

SL+SA+SLP≤1.5Sh

SC+SA+SCP≤1.5Sh

假管支托彎曲應(yīng)力ST

×[d4-(d-1.75t)4]≤1.5Sh

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)比對(duì)，假管支托校核結(jié)果通過。

以上案例校核雖然滿足要求，保證了安全穩(wěn)定性，但是裕量過大，經(jīng)濟(jì)上不合理，此時(shí)可以優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過取消加強(qiáng)板或者減小假管支托的尺寸，重新選用假管后再校核。此優(yōu)化過程是一個(gè)反復(fù)迭代、尋找最優(yōu)解的過程，且結(jié)果不唯一。

首先，取消加強(qiáng)板，Tc=2.2675 mm，校核失敗，結(jié)果見表4：

表4 取消加強(qiáng)板后校核結(jié)果

然后，考慮保留加強(qiáng)板，減小假管支托的尺寸，選用2”(50.8 mm)，壁厚Sch.STD，校核通過仍有較大裕量，結(jié)果見表5。

表5 保留加強(qiáng)板后的校核結(jié)果

最后，在保證焊縫強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，在以上假管支托尺寸減小后，將加強(qiáng)板厚改為3mm，即Tc=5.2675mm，校核通過，計(jì)算的局部應(yīng)力接近許用應(yīng)力值，既滿足了設(shè)計(jì)要求，也減少了材料的浪費(fèi)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)果見表6。

表6 加強(qiáng)板厚改為3 mm后的校核結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

假管支托因其特點(diǎn)而使用廣泛，但在使用假管支托的過程中，需要校核假管的選取是否滿足要求，以上校核方法配合焊縫強(qiáng)度的校核，就可以在工程上確認(rèn)假管支托是否適用。焊縫強(qiáng)度的校核通常包含剪切應(yīng)力的校核和彎曲應(yīng)力的校核。

在校核假管支托的過程中常常會(huì)遇到校核失敗的情況，如果遇到這些情況，需要根據(jù)具體情況分析調(diào)整，常用的解決方案有增加補(bǔ)強(qiáng)板、增大假管支托的尺寸、減小假管支托的長(zhǎng)度，或者調(diào)整假管支托的方向。

以上校核案例不僅提供了假管支托的校核方法，還提供了優(yōu)化假管支托設(shè)計(jì)的思路，這樣既可以保證工程運(yùn)行上的安全穩(wěn)定性，同時(shí)又可以減少不必要的浪費(fèi)，節(jié)省材料，保證經(jīng)濟(jì)性，有利于設(shè)計(jì)時(shí)選出最經(jīng)濟(jì)合理的假管支托。