位海強(qiáng)，郭文軍，卓小婧，毛振興

管道應(yīng)力分析及支管設(shè)計(jì)研究

位海強(qiáng)，郭文軍，卓小婧，毛振興

（中國石油長慶油田分公司第十二采油廠，甘肅 慶陽 745000）

承壓管道系統(tǒng)高效和安全的運(yùn)行，保障著各行業(yè)管道運(yùn)輸、工藝流程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。管道系統(tǒng)按照預(yù)期目標(biāo)建設(shè)和安裝前，對(duì)管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)過程不但需要對(duì)管道的應(yīng)力進(jìn)行分析，評(píng)估可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，并制定相應(yīng)的技術(shù)措施，還需要進(jìn)行管道應(yīng)力校核，防止投入運(yùn)行后管道產(chǎn)生破損。因此，項(xiàng)目管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)，分析了管道應(yīng)力對(duì)管道安全產(chǎn)生的影響，討論了管道應(yīng)力的校核標(biāo)準(zhǔn)。并進(jìn)行了支管模型設(shè)計(jì)，論述了ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)中支管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的依據(jù)、適用范圍，通過一個(gè)工程實(shí)例來分析說明如何確定支管表中需要計(jì)算的部分和如何判定補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的正確性。

AutoPIPE；ASME B31.3；應(yīng)力分析；支管設(shè)計(jì)；補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

管道應(yīng)力分析重點(diǎn)研究主要應(yīng)用于管道設(shè)計(jì)和管道運(yùn)行兩大方面［1］。管道設(shè)計(jì)方面應(yīng)用工藝、設(shè)計(jì)、材料機(jī)械、設(shè)備、儀表、計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科綜合，并按照設(shè)計(jì)要求，根據(jù)實(shí)際建設(shè)地地質(zhì)、氣候、人文等條件，在相關(guān)法律法規(guī)的規(guī)定范圍下進(jìn)行構(gòu)建。工程管道的設(shè)計(jì)分為：管道布局規(guī)劃、管道材料優(yōu)選和管道機(jī)械設(shè)計(jì)。工程管道設(shè)計(jì)工作至關(guān)重要，是保障安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)［2］。在設(shè)計(jì)過程需要進(jìn)行管道應(yīng)力分析，以及需要保證管道相連接設(shè)備應(yīng)力滿足運(yùn)行過程設(shè)計(jì)和使用要求。在投入運(yùn)行時(shí)，還需要進(jìn)行安全情況評(píng)價(jià)，主要評(píng)價(jià)管道的安全運(yùn)行狀況、缺陷預(yù)判和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

管道設(shè)計(jì)過程的支管的連接起著非常重要的作用，是整個(gè)管道串連分支的必不可少的工藝。支管連接包括支管直接與主管的焊接連接和通過支管連接管件與主管的連接兩種形式，支管連接管件包括支管座，半管接頭和三通等。在設(shè)計(jì)工藝管道支管連接時(shí)，一般優(yōu)先選擇支管連接管件［3-4］。支管連接管件有對(duì)應(yīng)的管件制做標(biāo)準(zhǔn)，此類標(biāo)準(zhǔn)支管連接管件在結(jié)構(gòu)上有足夠的耐壓強(qiáng)度，一般不需要進(jìn)行強(qiáng)度校核及補(bǔ)強(qiáng)。對(duì)于一些特殊管道，如火炬管道、大口徑管道、公用工程介質(zhì)管道、低壓常溫工藝介質(zhì)管道以及要求支管與主管連接時(shí)支管應(yīng)沿介質(zhì)流向45°斜接在主管頂部的管道，由于標(biāo)準(zhǔn)支管連接管件的尺寸限制及經(jīng)濟(jì)合理性的因素，多數(shù)情況下支管與主管的連接需要采用直接焊接的形式，因此在管道設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)主管上所開支管接孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算［5］。

1 管道應(yīng)力影響

1.1 管道變形基本形式

物體在受力后，其尺寸和形狀將發(fā)生一定的變化，管道的主要受力結(jié)構(gòu)在軸線和橫截面上，因此管道的受力可以由軸線上的線位移和橫截面角位移來進(jìn)行分析。作用在管道上產(chǎn)生形變的外力，主要有拉伸及壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切和彎曲四種形式，其中在運(yùn)轉(zhuǎn)過程拉伸及壓縮和扭轉(zhuǎn)為常見的受力影響類型，管道受這兩種力的影響容易導(dǎo)致接口處刺漏、支管處開裂。

1.2 管道應(yīng)力分析安全評(píng)估

管道安全性分析采用管道應(yīng)力校核，來防止受力影響導(dǎo)致管壁產(chǎn)生破損。在校核過程，管道受自身重力、內(nèi)部壓力和其它外力產(chǎn)生的應(yīng)力為一次應(yīng)力，其特點(diǎn)是無論受到的外力荷載增加與否，都可產(chǎn)生不受限制的塑性流動(dòng)。而由熱脹冷縮、管道位移產(chǎn)生的附加應(yīng)力，其特點(diǎn)是具有自限性，即一般情況下，二次應(yīng)力不會(huì)造成對(duì)管道的破壞。

1.2.1 一次校核

在管道校核過程，一次應(yīng)力的校核參考ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其中規(guī)定內(nèi)容如下：

（1） 管道組成件的壁厚及補(bǔ)強(qiáng)裝置計(jì)算滿足要求時(shí)，會(huì)造成由于內(nèi)壓所產(chǎn)生的應(yīng)力，被認(rèn)為管道是安全的；

（2） 管道組成件的厚度及補(bǔ)強(qiáng)強(qiáng)度計(jì)算滿足要求時(shí)，由于外壓對(duì)管道所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)被認(rèn)為是安全的；

（3） 管道中由于重力、壓力和其他產(chǎn)生持續(xù)荷載所造成的縱向應(yīng)力之和，不得超過材料預(yù)計(jì)最高溫度下的許用應(yīng)力。

1.2.2 二次校核

二次校核參考了ASME B31.1和ASME B31.3相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1） 計(jì)算管道最大位移應(yīng)力的范圍，所得結(jié)果不得超過管道許用的應(yīng)為范圍；

（2） 分析管道的位移循環(huán)時(shí)，管道金屬材料在最低溫度情況下的許可壓力值；

（3） 分析管道的位移循環(huán)時(shí)，管道金屬材料在最高溫度情況下的許可壓力值；

（4） 管道重力、內(nèi)壓力和外部持續(xù)載荷共同產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和；

（5） 受熱脹冷縮影響，考慮管道從最低溫度狀態(tài)到最高溫度狀態(tài)下膨脹收縮所產(chǎn)生的最大位移范圍。

1.3 管道柔韌性

在管道設(shè)計(jì)過程，也必須要考慮管道柔韌性問題，可以極大的防止以下風(fēng)險(xiǎn)：

（1） 由于管道長時(shí)間的運(yùn)行，造成材料疲勞，產(chǎn)生的損害；

（2） 受外部不可控制的應(yīng)力造成管道連接處破損而產(chǎn)生刺漏；

（3） 管道力矩過大而造成管道對(duì)其相連部分，包括分支管、支架和上附設(shè)備的損壞。

2 支管模型設(shè)計(jì)

2.1 補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

支管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算采用的理論是等面積補(bǔ)強(qiáng)法。根據(jù)ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)的第304.1節(jié)進(jìn)行直管段壁厚計(jì)算時(shí)，認(rèn)為該直管段是完整的，如果由于焊接支管或其他原因在該直管段上開一定面積的孔，這就意味著本來設(shè)計(jì)用來承壓的一塊金屬材料被拿掉了，被開孔的直管段作為主管，其承壓能力實(shí)際上就被削弱了。因此在開孔的承壓有效范圍內(nèi)，必須有與之相當(dāng)?shù)亩嘤嘟饘俨牧献鳛檠a(bǔ)償來保證強(qiáng)度。多余的金屬材料一般來自于主管和支管的壁厚設(shè)計(jì)裕量、補(bǔ)強(qiáng)板以及補(bǔ)強(qiáng)焊區(qū)。判定補(bǔ)強(qiáng)足夠的標(biāo)準(zhǔn)為：開孔剖面上所有的有效補(bǔ)強(qiáng)面積之和，不小于開孔所削弱的主管承壓所需最小截面積。等面積補(bǔ)強(qiáng)法理論認(rèn)為，在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)所有的多余金屬材料，都被認(rèn)為可以等效的彌補(bǔ)開孔處的材料削弱，該理論本身沒有考慮任何安全系數(shù)。隨著開孔角度的增加以及主管本身剛性的降低，都會(huì)進(jìn)一步削弱開孔處的強(qiáng)度。所以ASME B31.3中明確指出等面積補(bǔ)強(qiáng)法是計(jì)算支管連接的最低要求，同時(shí)有一定的適用范圍。

ASME B31.3中支管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算適用范圍的限制條件有：

（1）D/T＜100時(shí)，D/D≤1.0；

（2）D/T≥100時(shí)，D/D＜0.5；

（3）≥45°；

（4） 支管軸線與主管軸線相交。

式中：D=主管外徑，T=主管最小壁厚，D=支管外徑，=支管軸線與主管軸線間的夾角。

在工程設(shè)計(jì)時(shí)一定要核對(duì)支管連接是否滿足以上條件，如滿足方可采用ASME B31.3 304.3進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

2.2 工程設(shè)計(jì)實(shí)例

2.2.1 工程設(shè)計(jì)條件

某工程的某一個(gè)管道材料等級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)壓力1.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度：150 ℃，材料：ASTM A106 GR.B SMLS，腐蝕裕量：1.5 mm，管道設(shè)計(jì)壁厚見表1。

表1 管壁厚度

2.2.2 理論分析計(jì)算

（1） 按照ASME B31.3 304.3.2(a)的規(guī)定，等徑三通和異徑三通為標(biāo)準(zhǔn)的支管連接管件，不需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

（2） 按照ASME B31.3 304.3.2(b)的規(guī)定，承插焊半管接頭如滿足ASME B31.3中支管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算適用范圍，則不需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，否則需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。關(guān)于半管接頭的強(qiáng)度核算，在工程設(shè)計(jì)中常被忽略，該部分的限制條件應(yīng)該予以重視。按照ASME B31.3 304.3.1(b)的規(guī)定及表1定義的管道壁厚，對(duì)管焊接和管對(duì)管焊接加補(bǔ)強(qiáng)板的支管連接滿足ASME B31.3 304.3.1(b)的4個(gè)條件，可以通過ASME B31.3 304.3.3進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

（3） 通過上述分析，該支管連接表有三部分需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算：a.粗實(shí)線框內(nèi)的承插焊半管接頭；b.管對(duì)管焊接；c.管對(duì)管焊接加補(bǔ)強(qiáng)板。明確范圍后，可以按照ASME B31.3 304.3.3 計(jì)算需要的補(bǔ)強(qiáng)面積和有效的補(bǔ)強(qiáng)面積。

（4） 通過對(duì)該支管表的逐一核算得出，管對(duì)管焊接和管對(duì)管焊接加補(bǔ)強(qiáng)板可以滿足標(biāo)準(zhǔn)條件，補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算通過。粗實(shí)線框內(nèi)的承插焊半管接頭在原始設(shè)計(jì)時(shí)沒有進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，忽視了ASME B31.3 304.3.2(b)中關(guān)于免除承插焊半管接頭補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的限制條件，這也是設(shè)計(jì)過程中普遍存在的問題。

3 容易忽視的問題

關(guān)于適用范圍，標(biāo)準(zhǔn)中定義了4條要求，第3條角度要求和第4條支管軸線與主管軸線相交，一般都可以滿足。在工程設(shè)計(jì)過程中往往忽視的是第1條和第2條的要求，造成這個(gè)原因最主要的是國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 50316沒有“主管的直徑與壁厚之比（D/T）小于100且支管與主管的直徑之比（D/D）不大于1.0”和“主管的直徑與壁厚之比（D/T）大于等于100且支管直徑D小于主管的直徑D的一半”的限制要求。雖然在GB/T 20801.3 -2006標(biāo)準(zhǔn)中增加了管徑和壁厚比的要求，但由于GB 50316實(shí)施時(shí)間較長，很多設(shè)計(jì)人員會(huì)慣性思維的沿用GB 50316的標(biāo)準(zhǔn)要求，這樣在國際工程的管道支管連接設(shè)計(jì)中就會(huì)出現(xiàn)不滿足ASME B31.3相關(guān)規(guī)定的情況。在工程設(shè)計(jì)中會(huì)存在大口徑碳鋼管道、薄壁不銹鋼管道等，此類管道很可能會(huì)出現(xiàn)D/T≥100，在工程中如忽視該限制條件，則支管連接表設(shè)計(jì)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

（1） 支管連接在每個(gè)項(xiàng)目的管道設(shè)計(jì)中都是不可或缺的組成部分，支管連接的正確與否，不僅關(guān)系到管道設(shè)計(jì)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，更關(guān)系到管道設(shè)計(jì)是否滿足安全要求。在支管連接的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮管道運(yùn)行工況，除壓力荷載之外，還有由于熱膨脹、收縮、管道限位支架等產(chǎn)生的管道位移及其所引起的外力，合理選取支管連接標(biāo)準(zhǔn)管件或采用支管直接與主管焊接的連接型式。

（2） 項(xiàng)目的焊接支管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算執(zhí)行的主要標(biāo)準(zhǔn)為ASME B31.3，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中，一定要注意ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)中補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用范圍，避免出現(xiàn)違背標(biāo)準(zhǔn)要求的支管連接。雖然并非所有違背ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)的支管設(shè)計(jì)都最終會(huì)出現(xiàn)問題或事故，但是高質(zhì)量的設(shè)計(jì)應(yīng)避免一切潛在的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到設(shè)計(jì)的本質(zhì)安全。

［1］張利方. 化管道應(yīng)力分析及支吊架設(shè)計(jì)綜述[J]. 化工設(shè)計(jì)通訊, 2009, 35 (1): 36-41．

［2］董巖. 熱力管道應(yīng)力分析及實(shí)例應(yīng)用[J]. 廣州化工, 2013, 41 (22)：146-149．

［3］彭進(jìn). 管道設(shè)計(jì)中支吊架的正確設(shè)置[J]. 煉油設(shè)計(jì), 1999, 29 (5)：54-58．

［4］李莉. 管道支管連接補(bǔ)強(qiáng)及計(jì)算[J]. 化工設(shè)備與管道, 2015, 52 (1)：67-69.

［5］王浪云. 關(guān)于壓力管道支管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的探討[J]. 化工設(shè)備與管道, 2011, 48 (3): 50-52．

Stress Analysis of Pipeline and Design of Branch Pipe

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(No.12 Oil Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company, Gansu Qingyang 745000, China)

The efficient and safe operation of pressure piping system can ensure the normal operation of pipeline transportation and process flow in all industries. The optimization design of the pipeline system plays an important role in before it is built according to the expected target. The design process not only needs to analyze the stress of pipeline, evaluate the possible risk, and draw up the corresponding technical measures, but also needs to check the stress of pipeline to prevent the pipeline from being damaged after being put into operation. In this paper, the influence of pipe stress on pipeline safety was analyzed, and the checking standard of pipeline stress was discussed. And the branch model was designed, basis and application scope of reinforcement calculation of the branch pipe in ASME B31.3 standard were discussed. Through analysis of a project example, how to determine the part which need be calculatedwas explainedas well as how to judge the correctness of the calculation of reinforcement of the branch table.

AutoPIPE; ASME B31.3; stress analysis; branch pipe design; computation of reinforcement

2017-11-04

位海強(qiáng)（1988-），男，助理工程師，河南省周口市人，研究方向：從事油氣田開發(fā)技術(shù)工作。

TQ 150

A

1004-0935（2017）12-1207-03