肖偉俊

(福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,福建 福州 350000)

隨著國(guó)家工業(yè)發(fā)展越來越快,壓力管道數(shù)量越來越多,因此保證壓力管道安全運(yùn)行至關(guān)重要。2014年國(guó)家頒布《特種設(shè)備安全法》,將壓力管道納入監(jiān)管范圍。由于歷史問題,早期的壓力管道很多沒有監(jiān)督檢驗(yàn)并且辦理使用登記證,存在很多安全隱患,國(guó)家通過管道整治將其納入監(jiān)管。對(duì)早期管道整治檢驗(yàn)過程中,特別是高溫高壓的管道,檢驗(yàn)人員在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)問題時(shí),根據(jù)規(guī)范有些情況需要對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析,確保管道符合規(guī)范要求。本文通過對(duì)檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題管道,運(yùn)用CAESAR II對(duì)管道應(yīng)力分析,進(jìn)而讓企業(yè)整改,降低管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

1 整治檢驗(yàn)容易忽略問題

在管道定期檢驗(yàn)過程中,檢驗(yàn)員會(huì)注重對(duì)管道壁厚的減薄情況,管道本身幾何尺寸還有管道本身宏觀檢驗(yàn)。根據(jù)TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則》第2.4.2.1條的第一點(diǎn),在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)管道結(jié)構(gòu)檢驗(yàn),包括管道布置、支吊架、膨脹節(jié)、開孔補(bǔ)強(qiáng)、排放裝置設(shè)置等進(jìn)行檢驗(yàn)。而有監(jiān)督檢驗(yàn)的管道,都經(jīng)過設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)都比較合理,結(jié)構(gòu)不容易出現(xiàn)問題。在管道整治檢驗(yàn)老舊管道時(shí),檢驗(yàn)員容易忽略對(duì)于管道本身結(jié)構(gòu)的問題,或者發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)有某些問題,按規(guī)范需要進(jìn)行應(yīng)力分析,不會(huì)進(jìn)行應(yīng)力分析,導(dǎo)致沒有說服力而不了了之。

而壓力管道存在損傷或者發(fā)生失效主要是由于管系膨脹、自重等引起的熱應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力不是主要因素,而熱應(yīng)力和彎曲應(yīng)力與管道結(jié)構(gòu)布置、支吊架布置等因素有關(guān)。所以忽略結(jié)構(gòu)問題可能會(huì)導(dǎo)致支吊架脫落或者損壞,支吊架基礎(chǔ)下沉或被損壞,管道變形較大,管道異常撓曲或下沉,管道焊縫處出現(xiàn)裂紋等問題,出現(xiàn)極大的安全隱患。

2 規(guī)范要求進(jìn)行應(yīng)力分析的情況

據(jù)TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則》第2.4.2.7條,應(yīng)對(duì)以下幾種情況進(jìn)行應(yīng)力分析:

(1)無強(qiáng)度計(jì)算書,并且管道設(shè)計(jì)壁厚大于等于1/6管道外徑或者設(shè)計(jì)壓力大于0.385倍設(shè)計(jì)溫度下需用應(yīng)力;

(2)有較大變形,撓曲的;

(3)由管系應(yīng)力引起密封結(jié)構(gòu)泄露、破壞的;

(4)要求設(shè)置而未設(shè)置補(bǔ)償或補(bǔ)償器失效的;

(5)支吊架異常損壞的;

(6)結(jié)構(gòu)不合理并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷的;

(7)壁厚存在全面嚴(yán)重減薄。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)案例分析

檢驗(yàn)人員在某化工企業(yè)蒸汽管道整治過程中,發(fā)現(xiàn)該管道為2008年安裝,無監(jiān)督檢驗(yàn)報(bào)告,從鍋爐房分氣缸出來到車間設(shè)備,輸送距離為約180 m,管徑為?219 mm×6 mm,材質(zhì)為20,工作壓力為1.6 MPa,溫度為200 ℃,介質(zhì)為飽和蒸汽,該管道將近170 m直管沒有任何補(bǔ)償,中間有一段管道變形較大,檢驗(yàn)員在現(xiàn)場(chǎng)把各項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄好。根據(jù)上述《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則》第2.4.2.7條,這種情況應(yīng)該進(jìn)行應(yīng)力分析,故檢驗(yàn)人員運(yùn)用CAESAR II對(duì)該管道進(jìn)行應(yīng)力分析。

3.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)置及數(shù)據(jù)輸入

在CAESAR II這個(gè)軟件中通常把管道劃分成單元,管道單元在節(jié)點(diǎn)處相互連接,一般把管件,支吊架處設(shè)置節(jié)點(diǎn),為了便于分析,通常節(jié)點(diǎn)中留有一定間隙,通常相鄰節(jié)點(diǎn)編號(hào)間隔取5或者10,確定好節(jié)點(diǎn)后,就可以打開軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)輸入是從管系的始端到末端沿管道逐個(gè)單元依次進(jìn)行,輸入時(shí)候按屏幕的提示要求輸入即可。管道單元的所有信息占一頁(yè)數(shù)據(jù)表,用戶可以開始到結(jié)尾任意翻看。從下圖一可以看出,輸入數(shù)據(jù)可以分為基本參數(shù)、管道單元結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件。管道具有連續(xù)性,基本參數(shù)往往在很長(zhǎng)一段管道都不會(huì)發(fā)生變化,所以在連續(xù)管道單元輸入的時(shí)候,該部分?jǐn)?shù)據(jù)不需要重新輸入,軟件會(huì)自動(dòng)復(fù)制,如果參數(shù)變化了,就需要重新輸入。這個(gè)案例中蒸汽管道壓力、管徑壁厚等參數(shù)都沒有改變,所以只要?jiǎng)傞_始輸入一個(gè)參數(shù)即可。而管道單元結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件為個(gè)性數(shù)據(jù),一般都有不連續(xù)性,所以每個(gè)單元都不一樣,每個(gè)都需要用戶自己輸入。

檢驗(yàn)員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況繪制了單線圖,根據(jù)單線圖,在軟件中依次輸入實(shí)際參數(shù)。如圖一所示,我們?cè)O(shè)置相鄰節(jié)點(diǎn)編號(hào)10,我們從節(jié)點(diǎn)10到20開始輸入,從鍋爐分氣缸出來后,管道往上走了2 m,在輸入界面位移一欄中,X和Z方向都是0,Y方向輸入2 000 mm,這樣走向就與實(shí)際情況一致。往下就是管徑和壁厚,軟件中要求輸入的是管道的外徑,按實(shí)際把管徑輸入219,壁厚輸入6。再往下就是計(jì)算溫度和計(jì)算壓力,計(jì)算溫度會(huì)影響管道熱脹冷縮的計(jì)算值,是軟件計(jì)算重要的參數(shù),我們根據(jù)實(shí)際工況200 ℃輸入,因?yàn)橹挥幸环N工況,輸入一個(gè)溫度即可,如果有多個(gè)操作工況,可以輸入多個(gè)溫度,軟件最多可以輸入9種工況。計(jì)算壓力軟件單位是kPa,故而輸入1 600 kPa。管道材料選擇A53B等同于國(guó)內(nèi)20#鋼,他們?cè)S用應(yīng)力相同,不影響計(jì)算結(jié)果。軟件設(shè)置了豐富的材料數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存了各種材料和相關(guān)數(shù)據(jù),我們只需要根據(jù)實(shí)際工況選擇相應(yīng)材料即可,相應(yīng)的許用應(yīng)力、彈性模量、線膨脹系數(shù)、泊松比和管道材料密度就會(huì)自動(dòng)被選取。輸入界面如圖1所示。

圖1 參數(shù)輸入

3.2 模型建立

管道單元結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括管系中各個(gè)管道單元的幾何形狀及尺寸,結(jié)構(gòu)特征,例如彎頭、剛性件、膨脹節(jié)、三通等等。我們根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道走向,每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立幾何尺寸,不用單獨(dú)設(shè)置彎頭單元,只是將相應(yīng)直管的末端定位為彎頭,輸入的直管段末端節(jié)點(diǎn)號(hào)實(shí)際上就是彎頭末端。正常彎頭曲率半徑不輸入時(shí)候,軟件就會(huì)取為1.5倍公稱直徑。我們根據(jù)實(shí)際走向在CAESAR II輸入界面中從管系始端到末端沿逐個(gè)單元建立,管道模型就建立完成。

邊界條件可以分為位移邊界條件、力邊界條件和彈簧邊界條件,上述案例分汽缸和設(shè)備都是固定設(shè)備,沒有給管系集中荷載或者分布荷載,現(xiàn)場(chǎng)也沒有彈簧支吊架,故而只存位移邊界條件。管道支架種類繁多,對(duì)管系穩(wěn)定運(yùn)行起到了非常大的作用,因此我們?cè)诮５臅r(shí)候一定要把管道支架形式選對(duì)。上述案例中實(shí)際上只有托架,沒有其他種類支架。我們?cè)诮５臅r(shí)候根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)托架的位置,在模型上依次設(shè)置+Y支架,整個(gè)管系只有這個(gè)方向的約束。軟件有各種類型位移約束,例如G(guide)是管道水平徑向受到約束,而A(Anchor)表示三個(gè)方向的線位移和角位移全部約束,像上述案例中設(shè)備口固定的,我們就把設(shè)備口用A來約束。邊界條件關(guān)系到整個(gè)管系應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確與否,我們?cè)诮r(shí)候一定要按照實(shí)際工況來設(shè)置,當(dāng)然我們也可以通過設(shè)置支架形式,來改善管系應(yīng)力情況,某些情況通過改變支吊架形式或者位置,就可以使本來無法通過計(jì)算的管系而通過計(jì)算。上次模型建立完成后如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

3.3 對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力分析

點(diǎn)擊軟件中運(yùn)行對(duì)管系進(jìn)行應(yīng)力分析[1],程序運(yùn)行由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成,結(jié)果分析中我們選取SUS(持續(xù)荷載工況,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)一次應(yīng)力校核),EXP(純熱態(tài)荷載工況組合,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)二次應(yīng)力校核),結(jié)果如下圖3。

圖3 對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果

3.4 結(jié)果分析

管道應(yīng)力的校核主要是為了防止管壁內(nèi)應(yīng)力過大造成管道自身的破壞。各種不同的荷載引起不同類型的應(yīng)力,不同類型的應(yīng)力對(duì)損傷破壞的影響各不相同。因此,在實(shí)際管道應(yīng)力校核中,劃分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力兩類:

一次應(yīng)力:由于壓力、重力和其他外力荷載的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。它是平衡外力荷載所需的應(yīng)力,隨外力荷載的增加而增加,一次應(yīng)力的特點(diǎn)沒有自限性。一次應(yīng)力往往并不是主要荷載,不是引起管道發(fā)生失效的主要因素。在應(yīng)力計(jì)算中,我們要求管道中壓力、重力和其他持續(xù)載荷所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和,不能超過材料在最高溫度下的許用應(yīng)力,軟件中這個(gè)許用應(yīng)力根據(jù)你選的材料和溫度會(huì)有一個(gè)確定的值,特殊材料數(shù)據(jù)庫(kù)中沒有的我們也可以通過查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)手動(dòng)輸入。

二次應(yīng)力:由于熱脹、冷縮、端點(diǎn)位移等位移荷載的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力,它不直接與外力平衡,而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必須的應(yīng)力,二次應(yīng)力的特點(diǎn)是具有自限性。二次應(yīng)力主要由熱應(yīng)力引起,與管道結(jié)構(gòu),支吊架設(shè)置等都有關(guān)系。二次應(yīng)力往往是引起管道失效的主要因素。所以在管道定期檢驗(yàn)規(guī)則中,要求檢驗(yàn)員在宏觀檢驗(yàn)過程中,要對(duì)管道結(jié)構(gòu)檢驗(yàn),包括管道布置、支吊架、膨脹節(jié)等,這些如果有異常,往往是二次應(yīng)力超標(biāo)的表現(xiàn)。

二次應(yīng)力校核是最基本的強(qiáng)度校核之一,二次應(yīng)力校核條件來源于安定性條件。結(jié)構(gòu)安定性的定義是,當(dāng)荷載在一定范圍內(nèi)反復(fù)變化時(shí),結(jié)構(gòu)內(nèi)不發(fā)生連續(xù)的塑性變形循環(huán),也就是在初始幾個(gè)循環(huán)后,結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變都按線性彈性變化,不再出現(xiàn)塑性變形。為了防止管線出現(xiàn)疲勞,結(jié)構(gòu)必須具有安定性。同樣地,前面參數(shù)輸入后,軟件數(shù)據(jù)庫(kù)就會(huì)有相應(yīng)材料的二次應(yīng)力值。

當(dāng)管系出現(xiàn)彎頭、三通等管件的時(shí)候,受彎后管道出現(xiàn)扁平化,管道抗彎剛度有所減小,就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力增大。因此計(jì)算二次應(yīng)力的時(shí)候需要考慮應(yīng)力增大系數(shù),是指在疲勞循環(huán)次數(shù)相同的情況下,所用于直管的彎曲應(yīng)力與作用于管件的名義彎曲之比。直管的截面形狀和尺寸應(yīng)與管件相應(yīng)部分的截面形狀和尺寸相同。也可以理解為在疲勞破壞循環(huán)次數(shù)相同的情況下,作用于直管的彎矩與作用于管件的彎矩之比。應(yīng)力增大系數(shù)由疲勞試驗(yàn)得出,與材料的疲勞破壞存在直接的關(guān)系。根據(jù)GB50316標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,在二次應(yīng)力計(jì)算的時(shí)候都應(yīng)該引入應(yīng)力增大系數(shù),考慮到了管系應(yīng)力集中的影響。軟件中有詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫(kù),根據(jù)不同的材料,根據(jù)管件詳細(xì)的疲勞試驗(yàn),都有準(zhǔn)確的應(yīng)力增大系數(shù),保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性,這也是軟件計(jì)算的強(qiáng)大之處。

通過圖3結(jié)果可以看出,一次應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力,能夠滿足要求。而二次應(yīng)力明顯超過二次應(yīng)力許用值,在18號(hào)節(jié)點(diǎn)處二次應(yīng)力最大,是許用應(yīng)力的1.366倍,二次應(yīng)力不滿足校核結(jié)果,當(dāng)計(jì)算結(jié)果不滿足校核結(jié)果時(shí),軟件自動(dòng)會(huì)把計(jì)算結(jié)果標(biāo)紅。所以檢驗(yàn)員依據(jù)計(jì)算結(jié)果,認(rèn)為該管道不符合設(shè)計(jì)規(guī)范,在運(yùn)行過程中存在安全隱患。

3.5 整改后模型

發(fā)現(xiàn)問題后,檢驗(yàn)人員及時(shí)下達(dá)意見通知書二讓化工企業(yè)進(jìn)行整改,企業(yè)重新找設(shè)計(jì)院對(duì)管道進(jìn)行設(shè)計(jì),并請(qǐng)有資質(zhì)安裝單位對(duì)該管道進(jìn)行改造。按改造后的管道走向,重新對(duì)管道進(jìn)行建模分析,模型如圖4所示。

圖4 整改后計(jì)算模型

3.6 整改后結(jié)果分析

從模型可以看出,在管道中間,新增加了一個(gè)U彎來補(bǔ)償熱應(yīng)力,對(duì)結(jié)果進(jìn)行重新分析,結(jié)果如圖5所示。

圖5 整改后計(jì)算結(jié)果

重新設(shè)計(jì)后模型分析結(jié)果可以看出,一次應(yīng)力相對(duì)改造之前相差不大,而二次應(yīng)力最大值還是在18號(hào)節(jié)點(diǎn)上,但是只占到了二次許用應(yīng)力的76.2%,通過增加U彎后,大大減少了管線的二次應(yīng)力,滿足二次應(yīng)力校核要求。

通過上述案例可以看到,當(dāng)管線特別是熱力管道,在檢驗(yàn)過程中如果發(fā)現(xiàn)變形較大,管道支吊架異常損壞,管線結(jié)構(gòu)不合理,例如過長(zhǎng)沒有補(bǔ)償結(jié)構(gòu),那么檢驗(yàn)員就要注意是否管線存在二次應(yīng)力超標(biāo),結(jié)構(gòu)不安定的問題。這時(shí)候檢驗(yàn)員如果用CAESAR II進(jìn)行計(jì)算,將結(jié)果一起給企業(yè),就能有理有據(jù)地讓企業(yè)進(jìn)行整改。

4 結(jié)束語

簡(jiǎn)單介紹了CAESAR II使用方法,通過對(duì)檢驗(yàn)案例應(yīng)力分析,發(fā)現(xiàn)早期未經(jīng)過監(jiān)督檢驗(yàn)的管道,存在很多結(jié)構(gòu)不合理的地方。但是如果檢驗(yàn)員僅僅憑借經(jīng)驗(yàn)判斷這些管線不符合要求而讓企業(yè)整改,往往可能不具有說服力。經(jīng)過軟件計(jì)算發(fā)現(xiàn)這些管線二次應(yīng)力超過規(guī)范要求的許用值,能夠很好說明管線存在很大的安全隱患。而且TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則》中明確規(guī)定了有7種情況下需要對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析,那么作為檢驗(yàn)人員如果能夠掌握CAESAR II對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析,對(duì)管道安全狀況等級(jí)評(píng)定和下一使用周期確定更具有說服力,將大大提高檢驗(yàn)員檢驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>