王浩丽
山东三维石化工程股份有限公司，山东 淄博 255434
摘要：蒸汽是工业生产公用工程中的一种专用介质，通过燃烧煤和天然气等化石燃料而加热。通过抑制压力，水得到饱和和过热的蒸汽。因此，蒸汽管道通常受压力和温度的影响。蒸汽管道运行时间较长，很容易导致支架的热膨胀和失稳，从而导致全系统受力变化、局部应力过高和损伤。蒸汽管道构件通常由合金钢组成，在高温下可能导致材料例如蠕变、内部球化、石墨化等。并导致疲劳损伤。本文阐述了蒸汽管道系统的应力分析，因为近年来的事故严重危害了人们的财产和生命。
关键词：蒸汽管道；柔性设计；应力分析；检验方案
蒸汽管道是工业生产必不可少的压力管道，但近年来，由于经常发生蒸汽事故，蒸汽管道的安全受到越来越多的关注。本文给出了判断管道柔性的简单经验方法。该方法计算量小，易于与Excel等软件一起使用。适用于现场检测管道的初步判断，但须符合该方法的适用条件。使用CAESAR II软件进行建模可精确计算整个管道系统。根据计算结果，及时检测管道风险，开发检测方法，克服随机采样的缺点，压力管道检测很重要。
一、工程概况
蒸汽管道通过气化机组锅炉送至脱硫机组、空分机组、罐区等整个工厂的。主要管廊分为3层:5.5米、7.5米和10.0米，蒸汽管道布置在顶部，第二层是电气仪器路径和维修路径。管道采用“π”型自然补偿器、经过马路时的管道升高“n”型补偿器和走向改变的“z”型补偿器。
二、简易判别方式
蒸汽管道的热膨胀压力会对管道和设备造成重大损害。GB 50316《工业金属管道设计规范》规定：管道的设计温度小于或等于-50℃或者大于或等于100℃，均为柔性计算的范围。设计的目的是确保配管在设计条件中具有足够的柔性，以避免由于膨胀、冷缩、额外的端点移动、管路支撑调整不正确等原因而造成的问题。以下是提高管道柔性的方法:
1.选择特殊补偿器，如波纹、旋转补偿器等，特殊补偿器制造复杂，成本高它们通常由法兰和管道连接，具有一定的寿命，必须根据工作条件进行定制。当管线中的工作状态波动或补偿器出现质量问题时，很容易出现不可预测的泄漏。
2.选择自然补偿结构。自然补偿结构可以在管道的特定方向上呈现各种形状，例如L、Z、π等平面结构，也可以基于自然补偿结构的空间结构。该结构简单，运行可靠，投资低。
本工程蒸汽管道采用自然补偿器。固定点是蒸汽管道的分割点。两个固定框架之间的管道作为单独的管道系统进行计算。对每个管道系统的计算进行限定后，将合并整个管道系统。因此，可以将管道系统分割好的四个管段，每个管段两端都有固定的支架。表1显示了多个单独的管道。
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如果管道内介质满足非极度危害或者高度危害，且满足同一管道规格、无分支管、两端固定的条件下，可以采用SHT 3041《石油化工管道柔性设计规范》经验判别式，即管道热应力不会损坏，也就是说，管道可以用自己的补偿来补偿热膨胀造成的应力，而无需额外的补偿。在式中△x为管线沿x轴方向线移动的总补偿，单位为mm。△y是沿坐标轴y方向线的管线位移的总补偿值，单位为mm；△Z是管线沿z轴偏移的总补偿值，mm；α是管道材料在装配温度和计算温度之间的平均线性膨胀系数；T2管道设计温度，℃；T1是管道的安装温度，℃；LX是固定点x轴两点坐标差，mm；Ly是y轴与两个固定点之间的坐标差，mm；LZ是两个固定点z轴坐标的差，mm；d是管道的外径，mm；y表示管道系统所吸收的总位移和变形，单位为mm。L是两个固定点之间的长度，m；u是点之间的距离，m。所有值都符合标准，因此管道系统的柔性是适当的，可以用自然补偿代替，而无需特殊补偿。与软件计算相比，建模时间可以大大缩短，但不能将此方法用作确定应力是否过大或计算每个节点位移的条件。
三、应力分析
CAESARⅡ软件是开发的专业管道应力分析软件，广泛应用于石油、化工、电力等领域。CAESARⅡ是一个基于梁单元模型的有限元分析软件，它将管道模拟为刚性杆。可按ASME b31-2016系列进行应力校核。利用CAESARⅡ软件分析的主要内容包括：数据输入、边界条件设置、工况设置、模型校核、分析计算、问题处理等。一般来说，蒸汽管道的工况包括设计、安装、试压、运行等，各工况的压力和温度是不同的。软件条件中每个字母符号的含义如下：T1为工作温度，℃；T2为设计温度，℃；W为管道及介质质量；WW为冲洗质量；HP为水压试验压力。为了检查管道应力，根据表2选择工作条件计算出各种工况的应力值。L4、L5工况最大一次应力位于节点1190#，综合应力占许用应力的比例分别为57.3%、54.7%；L6、L7工况最大二次应力位于节点510#，综合应力占许用应力的比例分别为25.4%、20.0%。因此，弯头是二次应力分析的重点。综上所述，一次和二次应力校核合格，符合ASME b31.3-2016的要求。通过软件计算最大应力的节点位置和所需应力的百分比。
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在L2和L3模式下，同时计算每个节点的x轴和z轴位移。其中位移方向与坐标轴方向一致时为”+”，位移方向与坐标轴方向相反时为”-”。在L2工作状态下，节点510#处x轴的最大位移为+112.30mm，节点495#处z轴的最大位移为-91.57mm。在L3模式下，节点510#处也显示x轴的最大位移，最大位移为+139.30mm；z轴的最大位移也显示在节点495#，最大位移为-114.01mm。在L3模式下，排列管线在x和z方向的位移。
四、检验方案的定制
压力管道的常见损坏形式包括壁薄、表面裂纹、内部裂纹、微组织变化、内部微裂纹、材料脆化、几何形状变化等。常用的检测方法有宏观检测、超声波测厚、磁粉、渗透、超声波、射线、旋流、金相、硬度检测等。应力是应力腐蚀损害的必要条件。因此，在应力分析和评估结果的基础上，有可能制定一项管道检测战略，以避免盲目的行为。应力较高的焊缝可以进行无损检测并测量壁厚，重点是主应力和次应力较高的部分。由于材料在高温下滑动，材料容易变质，因此，对于温度高于370℃的碳素钢和铁素体不锈钢不锈钢管，应进行金相和硬度的抽查控制。对于位移量较大的零件，宏观检查是检查管道框架是否管廊在卡涩、倾斜、大规模移动甚至滑动，支架是否从管廊上脱空，以及管道是否由于沿x轴方向移动过大而在管廊周围被压力和膨胀。损坏腐蚀环境是在热材质和主材质之间的局部区域中形成的，从而导致隔热层下的腐蚀。通过测量管道厚度来测量管道的腐蚀程度，评估管道残馀的强度，并预测管道残馀的腐蚀寿命。
总的来说，蒸汽管道的位移应力是使用CAESARⅡ软件计算的，结果符合ASME b31.3标准。在计算结果中应力位于弯管头处。因此，应加强对这些管件的日常监督和管理。
参考文献：
[1]李建北.湖北当阳市马店矸石发电有限责任公司”8·11”重大高压蒸汽管道裂爆事故调查报告[R].2018.
[2]吴嘉欣.嘉兴市富欣热电有限公司”12·23”蒸汽管道爆裂较大事故调查报告[R].2018.