張軍文

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

在石化裝置中，壓力容器通過(guò)管道相連接。管道與容器接管相互影響，相互作用，產(chǎn)生相互作用力和力矩。這種力和力矩將在容器接管的連接區(qū)域產(chǎn)生局部應(yīng)力，如果應(yīng)力超過(guò)一定的限值，可能會(huì)引起接管或接管根部殼體發(fā)生破壞。工程實(shí)踐中，通常會(huì)設(shè)定一個(gè)與接管規(guī)格及壓力等級(jí)相對(duì)應(yīng)的接管許用外荷載值，設(shè)備專業(yè)根據(jù)這個(gè)值設(shè)計(jì)容器上的管口，保證這些管口除應(yīng)能夠滿足容器本身的設(shè)計(jì)條件(包括設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力等)外，還能夠承受外部管道產(chǎn)生的限定的外荷載值【1】；配管專業(yè)根據(jù)限定值進(jìn)行配管，將接管外荷載值控制在限定的范圍內(nèi)，只有當(dāng)某個(gè)力或力矩超出限定值較小范圍，且降下來(lái)難度較大時(shí)，才將此受力交予設(shè)備專業(yè)確認(rèn)，如果確認(rèn)通過(guò)則說(shuō)明該設(shè)計(jì)安全可行。這一預(yù)先設(shè)定的接管許用外荷載值大大減小了設(shè)備和管道應(yīng)力兩個(gè)專業(yè)相互的設(shè)計(jì)確認(rèn)工作，但是在接管許用外荷載值的確定、使用及超出規(guī)定值的校核計(jì)算過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。下面將針對(duì)接管許用外荷載值的選用、確定，使用限定條件，超出選用值的核算方法及核算過(guò)程中存在的一些問(wèn)題進(jìn)行闡述，以期能夠幫助設(shè)計(jì)者在避免過(guò)度設(shè)計(jì)的同時(shí)保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的安全。

1 接管許用外荷載值的確定

接管許用外荷載值的確定需要設(shè)備和管道應(yīng)力兩個(gè)專業(yè)共同商定，該值大一些方便配管設(shè)計(jì)，但卻增大了設(shè)備設(shè)計(jì)難度，同時(shí)可能導(dǎo)致設(shè)備壁厚的增加，從而造成投資增大；小一些雖然有利于設(shè)備設(shè)計(jì)及降低設(shè)備的成本，但是配管難度較大，對(duì)于管道布置空間、特殊管道支架設(shè)置會(huì)有更多的要求，如果反復(fù)計(jì)算及相互確認(rèn)始終無(wú)法通過(guò)，反而會(huì)影響項(xiàng)目整體進(jìn)度?；谝陨显?，該值一般會(huì)控制在一定范圍內(nèi)，既保證大量管口受力不需要反復(fù)核算確認(rèn)，又能將設(shè)備制造成本控制在合理的范圍內(nèi)。對(duì)于該許用值，國(guó)內(nèi)項(xiàng)目一般執(zhí)行SH/T 3074—2018《石油化工鋼制壓力容器》附錄D的要求。對(duì)于海外項(xiàng)目，業(yè)主一般會(huì)在報(bào)價(jià)中給出一個(gè)與SH/T 3074—2018相類似的外荷載值規(guī)定。

該值的使用過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：

1) 該限定值限定的是除人、手孔和儀表開(kāi)口外所有設(shè)備的外接管，即使某設(shè)備所有管口所接的管道都不在應(yīng)力計(jì)算范圍之內(nèi)，管口的允許受力也應(yīng)該滿足該限定值的要求，不進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算并不代表該管口不承受接管外荷載；

2) 對(duì)于國(guó)內(nèi)項(xiàng)目，當(dāng)執(zhí)行SH/T 3074標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，如圖1所示，該限定值給出的分界處是在接管接口處或接管法蘭處，而一般接管外荷載局部應(yīng)力的校核方法校核的都是接管根部，接管長(zhǎng)度及壁厚的不同會(huì)造成這兩處受力的差異，校核過(guò)程中應(yīng)加以注意；

圖1 接管外荷載示意

3) 對(duì)于國(guó)外項(xiàng)目，業(yè)主給定的接管外荷載值一般在接管根部，管道應(yīng)力分析時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)備資料準(zhǔn)確模擬接管的長(zhǎng)度、直徑和壁厚，從而得到準(zhǔn)確的結(jié)果；

4) 限定值所限定的設(shè)備一般是針對(duì)塔、罐、換熱器等靜設(shè)備，對(duì)于空冷器、板式換熱器、儲(chǔ)罐等設(shè)備，其許用的接管外荷載值有特定的標(biāo)準(zhǔn)加以限定，除另有說(shuō)明外一般不執(zhí)行該限定值的要求。

2 超出許用值的核算方法

工程上常用的計(jì)算局部應(yīng)力的方法有WRC 107、WRC 297以及EN 13445，這幾種方法都是公式計(jì)算法，對(duì)于接管的形式、開(kāi)孔位置及容器與接管的徑厚比都有著各自不同限定條件。當(dāng)公式法無(wú)法計(jì)算或無(wú)法通過(guò)校核需要進(jìn)一步分析時(shí)，一般會(huì)通過(guò)有限元建模分析得到更精確的解。

WRC 107適用于封頭處的接管。WRC 297是在WRC 107基礎(chǔ)上的補(bǔ)充，是以斯蒂爾(Steele C R)兩垂直相交的薄壁圓筒模型導(dǎo)出的，專門(mén)用于圓筒殼體上接管承受外荷載對(duì)殼體產(chǎn)生的局部應(yīng)力的計(jì)算，考慮了殼體開(kāi)孔的影響，不僅能計(jì)算在接管根部殼體本身的局部應(yīng)力，還可以計(jì)算在接管根部接管本身的局部應(yīng)力【2】。

不同于WRC 297，歐盟在EN 13445中給出了不同的接管局部應(yīng)力的計(jì)算方法，適用于封頭處接管及圓筒殼體上徑向接管，其計(jì)算過(guò)程可以分為以下幾步：

1) 根據(jù)前置條件判定是否適用于該方法校核；

2) 根據(jù)容器尺寸、接管尺寸等基本參數(shù)計(jì)算出輔助參數(shù)，再輔以標(biāo)準(zhǔn)中提供的圖表分別求出在各種荷載下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力增大系數(shù)，從而計(jì)算出作用于接管上的最大允許壓力Pmax(MPa)、最大允許軸向力FZ,max(N)、最大允許平面內(nèi)力矩MY,max(N·m)和最大允許平面外力矩MX,max(N·m)；

3) 分別計(jì)算管道應(yīng)力專業(yè)提供的實(shí)際的接管外荷載值與上一步計(jì)算的最大允許外荷載值的比值，并將這些荷載比值限制在一定范圍之內(nèi)；

4) 計(jì)算軸向力FZ(N)、壓力P(MPa)，平面內(nèi)力矩MY以及平面外力矩MX共同作用下殼體和接管連接部位的最大應(yīng)力，將總應(yīng)力控制在3倍的許用應(yīng)力值之內(nèi)；

5) 按式(1)計(jì)算并校核接管處的整體應(yīng)力情況

(1)

式中：e——接管壁厚，m；

d——接管直徑，m；

fb——接管材料在所對(duì)應(yīng)的溫度下的許用應(yīng)力值【3】，MPa。

上述幾種公式計(jì)算方法僅適用于一定開(kāi)孔方式、一定開(kāi)孔率及主殼徑厚比條件下的校核，對(duì)于限定條件之外開(kāi)孔，如錐段開(kāi)孔、平板開(kāi)孔或筒體非徑向位置開(kāi)孔，一般都需要通過(guò)有限元的方法來(lái)校核。

3 核算過(guò)程中存在的一些問(wèn)題

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于一些設(shè)計(jì)人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)、校核方法的理解不到位或者是沒(méi)有專門(mén)的有限元分析人員無(wú)法進(jìn)行有限元分析，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

1) 在確認(rèn)受力的過(guò)程中人為地?cái)U(kuò)大公式計(jì)算法的適用范圍，對(duì)于一些不適用的接管，也使用該方法進(jìn)行校核，導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果不可靠，無(wú)法保證設(shè)備本體的安全。

2) 對(duì)于一些復(fù)雜的接管受力，用接管法蘭的校核方法——“當(dāng)量壓力法”來(lái)限制接管允許受力。該問(wèn)題主要來(lái)自于SH/T 3074中的條文規(guī)定：“必要時(shí)，需校核容器殼體在管道外荷載作用下的局部應(yīng)力及接管法蘭處的當(dāng)量計(jì)算壓力”。

用法蘭校核來(lái)代替接管校核存在幾點(diǎn)問(wèn)題：

首先，法蘭校核通過(guò)了不代表接管根部的校核就能通過(guò)；其次，法蘭校核的方法有多種，當(dāng)量壓力法校核不通過(guò)不代表法蘭就肯定會(huì)泄漏；最后，當(dāng)量壓力法是一種非常保守的法蘭校核方法，對(duì)于一些高溫低壓設(shè)備中管嘴口徑在DN200及以下、法蘭壓力等級(jí)在300 LB及以下的法蘭來(lái)說(shuō)尤甚。如某裝置的再生進(jìn)料罐，操作、設(shè)計(jì)壓力分別是0.18 MPa和0.35 MPa，操作、設(shè)計(jì)溫度分別是369 ℃和470 ℃，筒體材質(zhì)為14Cr1MoR，管口壓力等級(jí)為150 LB，當(dāng)荷載為SH/T 3074附錄D所對(duì)應(yīng)的荷載時(shí)，其DN200及以下接管法蘭按當(dāng)量壓力法進(jìn)行校核的結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，一些接管的法蘭校核結(jié)果為法蘭設(shè)計(jì)壓力的3倍多，而使用NC 3658.3校核時(shí)，其結(jié)果為校核通過(guò)。

表1 DN200及以下150 LB接管法蘭當(dāng)量壓力法的校核結(jié)果

關(guān)于法蘭校核的方法，很多文章都進(jìn)行過(guò)對(duì)比研究，本文不再贅述?？傊瑢?duì)于小口徑低磅值的接管通過(guò)當(dāng)量壓力法來(lái)控制接管外荷載會(huì)將接管允許受力限定在一個(gè)非常小的范圍內(nèi)，使配管設(shè)計(jì)難度增大。前文中提到，在國(guó)外項(xiàng)目中，接管外荷載的分界處在接管根部。這一劃分將接管處法蘭的校核劃入到了管道應(yīng)力專業(yè)的工作范圍。一般在海外項(xiàng)目中，不是所有的法蘭都需要進(jìn)行校核，校核的范圍一般限定在高磅值(600 LB及以上)、大口徑(DN600及以上)法蘭，且給出了多種法蘭校核的方法，除當(dāng)量壓力法外，還有NC 3658.3、EN 13445、ASME Sec.Ⅷ以及有限元方法等等，任一種方法校核通過(guò)，其方案都判斷為可行。

4 結(jié)論

1) 接管許用外荷載值應(yīng)控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，既保證大量管口受力能夠快速通過(guò)校核，又能減小設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)將設(shè)備制造成本控制在合理的范圍內(nèi)；

2) 接管局部應(yīng)力有多種校核方法，不同的方法有不同的限定范圍，使用前應(yīng)仔細(xì)核對(duì)該方法所限定的開(kāi)孔方式(是否為徑向等)、開(kāi)孔位置、開(kāi)孔率及主殼徑厚比等條件，適用范圍外的計(jì)算結(jié)果是不可采信的；

3) 對(duì)于一些復(fù)雜的接管，用接管法蘭的校核方法——當(dāng)量壓力法來(lái)限制接管允許受力不可取，尤其是對(duì)于口徑DN200及以下、法蘭壓力等級(jí)300 LB及以下的法蘭接管。