肖伟俊

(福建省特种设备检验研究院,福建 福州 350000)

随着国家工业发展越来越快,压力管道数量越来越多,因此保证压力管道安全运行至关重要。2014年国家颁布《特种设备安全法》,将压力管道纳入监管范围。由于历史问题,早期的压力管道很多没有监督检验并且办理使用登记证,存在很多安全隐患,国家通过管道整治将其纳入监管。对早期管道整治检验过程中,特别是高温高压的管道,检验人员在现场发现问题时,根据规范有些情况需要对管道进行应力分析,确保管道符合规范要求。本文通过对检验过程中发现问题管道,运用CAESAR II对管道应力分析,进而让企业整改,降低管道运行风险。

1 整治检验容易忽略问题

在管道定期检验过程中,检验员会注重对管道壁厚的减薄情况,管道本身几何尺寸还有管道本身宏观检验。根据TSG D7005—2018《压力管道定期检验规则》第2.4.2.1条的第一点,在现场应对管道结构检验,包括管道布置、支吊架、膨胀节、开孔补强、排放装置设置等进行检验。而有监督检验的管道,都经过设计院设计,结构都比较合理,结构不容易出现问题。在管道整治检验老旧管道时,检验员容易忽略对于管道本身结构的问题,或者发现了结构有某些问题,按规范需要进行应力分析,不会进行应力分析,导致没有说服力而不了了之。

而压力管道存在损伤或者发生失效主要是由于管系膨胀、自重等引起的热应力和弯曲应力,内压引起的薄膜应力不是主要因素,而热应力和弯曲应力与管道结构布置、支吊架布置等因素有关。所以忽略结构问题可能会导致支吊架脱落或者损坏,支吊架基础下沉或被损坏,管道变形较大,管道异常挠曲或下沉,管道焊缝处出现裂纹等问题,出现极大的安全隐患。

2 规范要求进行应力分析的情况

据TSG D7005—2018《压力管道定期检验规则》第2.4.2.7条,应对以下几种情况进行应力分析:

(1)无强度计算书,并且管道设计壁厚大于等于1/6管道外径或者设计压力大于0.385倍设计温度下需用应力;

(2)有较大变形,挠曲的;

(3)由管系应力引起密封结构泄露、破坏的;

(4)要求设置而未设置补偿或补偿器失效的;

(5)支吊架异常损坏的;

(6)结构不合理并且已经发现严重缺陷的;

(7)壁厚存在全面严重减薄。

3 现场检验案例分析

检验人员在某化工企业蒸汽管道整治过程中,发现该管道为2008年安装,无监督检验报告,从锅炉房分气缸出来到车间设备,输送距离为约180 m,管径为ø219 mm×6 mm,材质为20,工作压力为1.6 MPa,温度为200 ℃,介质为饱和蒸汽,该管道将近170 m直管没有任何补偿,中间有一段管道变形较大,检验员在现场把各项数据记录好。根据上述《压力管道定期检验规则》第2.4.2.7条,这种情况应该进行应力分析,故检验人员运用CAESAR II对该管道进行应力分析。

3.1 节点设置及数据输入

在CAESAR II这个软件中通常把管道划分成单元,管道单元在节点处相互连接,一般把管件,支吊架处设置节点,为了便于分析,通常节点中留有一定间隙,通常相邻节点编号间隔取5或者10,确定好节点后,就可以打开软件进行数据输入。数据输入是从管系的始端到末端沿管道逐个单元依次进行,输入时候按屏幕的提示要求输入即可。管道单元的所有信息占一页数据表,用户可以开始到结尾任意翻看。从下图一可以看出,输入数据可以分为基本参数、管道单元结构参数和边界条件。管道具有连续性,基本参数往往在很长一段管道都不会发生变化,所以在连续管道单元输入的时候,该部分数据不需要重新输入,软件会自动复制,如果参数变化了,就需要重新输入。这个案例中蒸汽管道压力、管径壁厚等参数都没有改变,所以只要刚开始输入一个参数即可。而管道单元结构参数和边界条件为个性数据,一般都有不连续性,所以每个单元都不一样,每个都需要用户自己输入。

检验员根据现场实际情况绘制了单线图,根据单线图,在软件中依次输入实际参数。如图一所示,我们设置相邻节点编号10,我们从节点10到20开始输入,从锅炉分气缸出来后,管道往上走了2 m,在输入界面位移一栏中,X和Z方向都是0,Y方向输入2 000 mm,这样走向就与实际情况一致。往下就是管径和壁厚,软件中要求输入的是管道的外径,按实际把管径输入219,壁厚输入6。再往下就是计算温度和计算压力,计算温度会影响管道热胀冷缩的计算值,是软件计算重要的参数,我们根据实际工况200 ℃输入,因为只有一种工况,输入一个温度即可,如果有多个操作工况,可以输入多个温度,软件最多可以输入9种工况。计算压力软件单位是kPa,故而输入1 600 kPa。管道材料选择A53B等同于国内20#钢,他们许用应力相同,不影响计算结果。软件设置了丰富的材料数据库,数据库储存了各种材料和相关数据,我们只需要根据实际工况选择相应材料即可,相应的许用应力、弹性模量、线膨胀系数、泊松比和管道材料密度就会自动被选取。输入界面如图1所示。

图1 参数输入

3.2 模型建立

管道单元结构参数主要包括管系中各个管道单元的几何形状及尺寸,结构特征,例如弯头、刚性件、膨胀节、三通等等。我们根据现场管道走向,每个节点之间建立几何尺寸,不用单独设置弯头单元,只是将相应直管的末端定位为弯头,输入的直管段末端节点号实际上就是弯头末端。正常弯头曲率半径不输入时候,软件就会取为1.5倍公称直径。我们根据实际走向在CAESAR II输入界面中从管系始端到末端沿逐个单元建立,管道模型就建立完成。

边界条件可以分为位移边界条件、力边界条件和弹簧边界条件,上述案例分汽缸和设备都是固定设备,没有给管系集中荷载或者分布荷载,现场也没有弹簧支吊架,故而只存位移边界条件。管道支架种类繁多,对管系稳定运行起到了非常大的作用,因此我们在建模的时候一定要把管道支架形式选对。上述案例中实际上只有托架,没有其他种类支架。我们在建模的时候根据现场托架的位置,在模型上依次设置+Y支架,整个管系只有这个方向的约束。软件有各种类型位移约束,例如G(guide)是管道水平径向受到约束,而A(Anchor)表示三个方向的线位移和角位移全部约束,像上述案例中设备口固定的,我们就把设备口用A来约束。边界条件关系到整个管系应力计算准确与否,我们在建模时候一定要按照实际工况来设置,当然我们也可以通过设置支架形式,来改善管系应力情况,某些情况通过改变支吊架形式或者位置,就可以使本来无法通过计算的管系而通过计算。上次模型建立完成后如图2所示。

图2 计算模型

3.3 对模型进行应力分析

点击软件中运行对管系进行应力分析[1],程序运行由计算机自动完成,结果分析中我们选取SUS(持续荷载工况,系统会自动对一次应力校核),EXP(纯热态荷载工况组合,系统会自动对二次应力校核),结果如下图3。

图3 对模型进行应力分析计算结果

3.4 结果分析

管道应力的校核主要是为了防止管壁内应力过大造成管道自身的破坏。各种不同的荷载引起不同类型的应力,不同类型的应力对损伤破坏的影响各不相同。因此,在实际管道应力校核中,划分为一次应力和二次应力两类:

一次应力:由于压力、重力和其他外力荷载的作用所产生的应力。它是平衡外力荷载所需的应力,随外力荷载的增加而增加,一次应力的特点没有自限性。一次应力往往并不是主要荷载,不是引起管道发生失效的主要因素。在应力计算中,我们要求管道中压力、重力和其他持续载荷所产生的纵向应力之和,不能超过材料在最高温度下的许用应力,软件中这个许用应力根据你选的材料和温度会有一个确定的值,特殊材料数据库中没有的我们也可以通过查阅相关标准手动输入。

二次应力:由于热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用所产生的应力,它不直接与外力平衡,而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必须的应力,二次应力的特点是具有自限性。二次应力主要由热应力引起,与管道结构,支吊架设置等都有关系。二次应力往往是引起管道失效的主要因素。所以在管道定期检验规则中,要求检验员在宏观检验过程中,要对管道结构检验,包括管道布置、支吊架、膨胀节等,这些如果有异常,往往是二次应力超标的表现。

二次应力校核是最基本的强度校核之一,二次应力校核条件来源于安定性条件。结构安定性的定义是,当荷载在一定范围内反复变化时,结构内不发生连续的塑性变形循环,也就是在初始几个循环后,结构内的应力应变都按线性弹性变化,不再出现塑性变形。为了防止管线出现疲劳,结构必须具有安定性。同样地,前面参数输入后,软件数据库就会有相应材料的二次应力值。

当管系出现弯头、三通等管件的时候,受弯后管道出现扁平化,管道抗弯刚度有所减小,就会产生应力增大。因此计算二次应力的时候需要考虑应力增大系数,是指在疲劳循环次数相同的情况下,所用于直管的弯曲应力与作用于管件的名义弯曲之比。直管的截面形状和尺寸应与管件相应部分的截面形状和尺寸相同。也可以理解为在疲劳破坏循环次数相同的情况下,作用于直管的弯矩与作用于管件的弯矩之比。应力增大系数由疲劳试验得出,与材料的疲劳破坏存在直接的关系。根据GB50316标准规定,在二次应力计算的时候都应该引入应力增大系数,考虑到了管系应力集中的影响。软件中有详细的数据库,根据不同的材料,根据管件详细的疲劳试验,都有准确的应力增大系数,保证了计算的准确性,这也是软件计算的强大之处。

通过图3结果可以看出,一次应力小于材料许用应力,能够满足要求。而二次应力明显超过二次应力许用值,在18号节点处二次应力最大,是许用应力的1.366倍,二次应力不满足校核结果,当计算结果不满足校核结果时,软件自动会把计算结果标红。所以检验员依据计算结果,认为该管道不符合设计规范,在运行过程中存在安全隐患。

3.5 整改后模型

发现问题后,检验人员及时下达意见通知书二让化工企业进行整改,企业重新找设计院对管道进行设计,并请有资质安装单位对该管道进行改造。按改造后的管道走向,重新对管道进行建模分析,模型如图4所示。

图4 整改后计算模型

3.6 整改后结果分析

从模型可以看出,在管道中间,新增加了一个U弯来补偿热应力,对结果进行重新分析,结果如图5所示。

图5 整改后计算结果

重新设计后模型分析结果可以看出,一次应力相对改造之前相差不大,而二次应力最大值还是在18号节点上,但是只占到了二次许用应力的76.2%,通过增加U弯后,大大减少了管线的二次应力,满足二次应力校核要求。

通过上述案例可以看到,当管线特别是热力管道,在检验过程中如果发现变形较大,管道支吊架异常损坏,管线结构不合理,例如过长没有补偿结构,那么检验员就要注意是否管线存在二次应力超标,结构不安定的问题。这时候检验员如果用CAESAR II进行计算,将结果一起给企业,就能有理有据地让企业进行整改。

4 结束语

简单介绍了CAESAR II使用方法,通过对检验案例应力分析,发现早期未经过监督检验的管道,存在很多结构不合理的地方。但是如果检验员仅仅凭借经验判断这些管线不符合要求而让企业整改,往往可能不具有说服力。经过软件计算发现这些管线二次应力超过规范要求的许用值,能够很好说明管线存在很大的安全隐患。而且TSG D7005—2018《压力管道定期检验规则》中明确规定了有7种情况下需要对管道进行应力分析,那么作为检验人员如果能够掌握CAESAR II对管道进行应力分析,对管道安全状况等级评定和下一使用周期确定更具有说服力,将大大提高检验员检验能力。