低温低应力工况管道设计探讨

"! 低温低应力工况的管道设计 低温管道设计和普通管道设计相比，主要是多考虑 两个问题：!低 温 脆 性 问 题，要 求 合 理 选 择 冲 击 韧 性 高 的 钢 材，同 时 从 配 管 设 计 和 管 系 制 作 上 防 止 脆 裂 和 脆 断；" 保冷设计和由于保冷需求而产生的一系列设计 要求。 在相关文献中对保冷的定义如下：对常温以下的设 备或管道进行 保 护 或 涂 装 以 减 少 外 部 热 量 向 内 部 的 侵 入并使表面温度保持在露点以上，不使外表面凝露而采 取的隔热措施；或对 %& 以上，常温以下的设备或管道， 为防止其表面凝露而采取的隔热措施。并规定，具有下 列工况之一的管道及其附件必须保冷：!为减少冷介质 及载冷介质在生产和输送过程中的冷损失者；"为防止 或降低冷介质 及 载 冷 介 质 在 生 产 和 输 送 过 程 中 温 度 升
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式中：)———弯曲模量； (*———合成弯矩。
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可依据被评管线的轴向总应力（!! <!*）是否低于 许用应力的 9%+ ，判断管道是否处于低温低应力状态，
进而决定是否做冲击试验。
国内尚无技术文件对管道作出类似定义，但 /0,1 * /203
（栏目主持 张秀丽）
低温低应力工况管道设计探讨
张汉佩（大庆油田设计院）
主题词 低温管道 低温 低应力 工况
!! 问题的提出
45)6’ 规范材料篇有条规定：在 # )%) 7 # $8& 之间的温
目前，压力管道设计已愈来愈受到有关部门和单位 度范围内服役的铁金属管道，如果在压力和热收缩的同
的重视，设计单 位 必 须 进 行 资 质 审 批，设 计 技 术 也 逐 步 规范化，但在设 计 中 还 存 在 着 许 多 不 确 定 的 因 素，在 我 国东北地区的冬季气温低（ " # $%&），使得压力容器， 主要是储存类压力容器处于低温工况（与之相连的管道 也有同样情况）。在化工装置中一般把处于 ’& 以下气 温的物料管道统称为低温管道。在低于 ’& 的工况下， 低碳钢管材逐渐由延性状态向脆性状态转变，温度低于 无塑性温度以 后，管 材 处 于 脆 性 状 态，使 用 就 应 有 一 定
并不仅仅是一次总体薄膜应力，还可能是一次局部薄膜 应力、一次弯曲应力或峰值应力。通过建立有限元力学 模型对所有载荷工况叠加计算，可得出所有管单元两端 节点的轴向力、剪力和弯矩计算结果，其中轴向应力为：
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# $式中：#———轴向力；$———管子横截面积。
由剪力引起的最大剪应力为：
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低温管道发 生 脆 性 断 裂 的 必 要 条 件 之 一 就 是 必 须
道属于实质上的低温管道。
具备由外载荷及残余应力引起的一定应力水平，该应力
低温管道和低温压力容器一样，在冲击试验结果不 明 确 或 不 符 合 要 求 的 情 况 下，除 非 处 于 低 温 低 应 力 工 况，否则不能 保 证 安 全 服 役。 因 此，判 定 低 温 压 力 管 线 能否安全服役时，必须首先考虑它是否处于低温低应力 工况。
时作用下，或者在支承点之间弯曲的影响下所产生的最 大环向或纵向抗拉应力不超过材料许用应力的 9%:，则 不要求做冲击试验。这一条内容和相关文献中低温低 应力工况的定义十分相似，它实际上是压力管道设计中 的低温低应力工况，在此情况下可以不必遵循低温管道 冲击试验的规定。
#! 管线应力分析和状态评价
条件的限制。所以，设计温度低于无塑性转变温度的管
为防止低温脆断的发生，对接焊缝和钢材都应进行 夏比（( 形缺口）冲击试验。在相关文献中对低温低应 力工况的定义 系 指 容 器 或 其 受 压 元 件 的 设 计 温 度 虽 然 低于或等于 # $%&，但其拉伸薄膜应力小于或等于钢材 标准常温屈服点的 ) * +，且不大于 ’%,-. 的工况。目前，
"$ 油气万田方地数面据工程第 "! 卷第 % 期（"&&" ! !!）"""杂志网站有两个中文实名：油气田地面工程、石油期刊广告网
式中：&)、&$———两个方向的横向剪力。 由扭矩引起的最大剪应力为：
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式中：)%———剪切模量； (%———扭矩。
最大前应力"% ;"%) <"%$，"%出现在管子的外壁上。
最大弯曲应力为
高者；#为防止 %&以上常温以下的设备或管道外表面 凝露者；$与保 冷 设 备 或 管 道 相 连 的 仪 表 及 其 管 道、保 冷方面的内容。