烟气管道的高温蠕变应力分析

董晓敏，赵海杰

（中国石油建设公司大连设计分公司， 辽宁 大连 116011）

烟气管道的高温蠕变应力分析

董晓敏，赵海杰

（中国石油建设公司大连设计分公司， 辽宁 大连 116011）

石油化工厂的部分高温烟气管道长期在 650～700 ℃左右运行，研究表明，碳钢部件工作温度高于 350 ℃、合金钢部件工作温度超过 420 ℃、不锈钢部件工作超过 480 ℃时，进入蠕变温度。通过对某石化厂原有高温烟气出口管道运行工况分析，运用 CAESARII应力分析软件优化管道布置，并通过计算管道蠕变条件下服役年限进行安全评定。

蠕变；应力；高温管道；CAESARII

高温烟气管道长期在 650～700 ℃左右运行，研究表明，碳钢部件工作温度高于 350 ℃，合金钢部件工作温度超过 420 ℃、不锈钢部件工作超过480 ℃时进入蠕变温度。高温蠕变导致材料应力松弛，降低管道的承载能力，增加高温构件失效可能性，影响高温管道的安全运行。目前国内针对材料蠕变的研究比较广泛[1,2]，但在石油化工领域将管道蠕变与应力计算结合起来的研究很少。因此研究高温管道的蠕变与应力计算分析相结合具有十分重要的现实意义。

1 项目概况

某石化公司催化装置有一段从三旋分离器烟气出口至烟道部分高温管线，自投用至今，管线已经发生严重变形，现对管线进行设计整改。原有管线运行条件：介质为烟气，介质密度为 2 kg/m3，操作温度为 670 ℃，设计温度为 700 ℃，操作压力为0.17 MPa，设计压力为 0.3 MPa；保温材料为复合硅酸铝镁管壳，密度为 300 kg/m3，保温厚度为 120 mm；管线规格为φ325×13、φ377×14，管线材质为304H。原有管道现场图片如图 1，计算软件采用CAESAR II 2013R。

图 1 烟气管道现场图Fig.1 Flue gas pipeline scene photo

2 主要问题分析

金属材料在常温下的力学行为显示材料在外载荷作用下会产生弹性变形和塑性变形，弹性变形能会恢复，塑性变形不能恢复，也就是常规意义的材料失效。所以在管道设计时确保管道的一次应力值低于材料的许用应力，使材料仅仅发生弹性变形，保证管道的安全性和稳定性。但金属材料在蠕变温度范围，运行到一定时期，应力即使低于许用应力，还是会产生一定的塑性变形，这种形变就是蠕变。ASME 标准[3]中对于高温下金属材料的许用应力取值是根据限制材料的蠕变速率，而不是限制材料的总应变。根据 ASME B31.3 规范中 302.3.2 节规定材料进入蠕变范围，其许用应力值取下面三种情况之中的小值：

1）工作 100 000 h 发生断裂，取材料内部应力平均值的 67%；

2）工作 100 000 h 发生断裂，取材料内部应力最小值的 80%；

3）取工作 1 000 h 产生 1%塑性变形的应力值；ASME B31.3 规定，蠕变范围的限制时间是 100 000 h（11.4 a），但管道的运行时间往往超过 11.4 a，所以对于高温管道，设计人需要确定管道在蠕变下的安全服役时间。

该项目的管线材质为奥氏体不锈钢，设计温度为 700 ℃，运行到一定阶段管道会进入蠕变，导致管道应力松弛，即使管道满足一次应力、二次应力要求，但在管道运行很长时间之后，发现管道在运行一段时间后发生了一定程度的塑性变形，这是很多设计工作者往往忽略蠕变对高温管道服役寿命的影响以及考虑一次应力时没有将蠕变可能带来的危害因素考虑进去。因此在高温管道的应力分析和配管设计中应该考虑蠕变对管系的影响。但目前未有计算方法或应力分析软件能将管道的蠕变和应力分析综合考虑分析。

根据现场情况，现对该管道进行如下整改方案：

（1）对原有管道进行应力分析，判断管道一次应力、二次应力是否满足要求；

（2）根据应力分析结果，对原有管道的管道布置形式进行优化；

（3）根据最优化的管道布置的管道应力计算管道在发生蠕变时的服役年限，是否满足设计需要。

3 管道应力分析

3.1 应力模型建立

根据管道运行条件，操作温度为 670 ℃，设计温度为 700 ℃，操作压力为 0.17 MPa，设计压力为0.3 MPa ，建立模型。总共建立 3 个模型进行计算分析：模型 A—原有运行管道模型、模型 B—优化的管道模型。

3.2 应力结果分析

图 2-1a/b、2-2a/b 分别是模型 A、B 的一次应力结果，图 2-1c、2-2c 分别是模型 A、B 的二次应力结果。

3.2.1 模型 A 应力结果分析

图 2-1a 模型 A 一次应力结果效果图Fig.2-1a Primary stress result of model A

图 2-1b 模型 A 一次应力结果Fig.2-1b Primary stress result of model A

图 2-1c 模型 A 二次应力结果Fig.2-1c Secondary stress result of model A

由结果可知，原有管道的一次应力超过了材料的许用应力值，最大处达到了 42 214.2 kPa，远远超过许用应力值 26 613.7 kPa。一次应力超标可能导致管道在应力超标处发生塑性变形致失效。由图 2-1a中的应力超标处可以看出与管道现场图1中管道发生较大变形处对应。

管道二次应力值达到 85.4%，在二次应力许用范围之内，所以管道的柔性足够。

根据图 2-1a分析，在应力超标处的管道跨距过大，需要在应力超标处设立支架，以减小管道受到的持续荷载，对管道布置进行调整优化。管道调整结果，见 3.2.2 部分。

3.2.2 模型 B 应力结果分析

图 2-2a 模型 B 一次应力结果效果图Fig.2-2a Primary stress result of model B

图 2-2b 模型 B 一次应力结果Fig.2-2b Primary stress result of Model B

图 2-2c 模型 B 二次应力结果Fig.2-2c Secondary stress result of model B

由一次应力分析结果可知，管道经过调整后一次应力低于材料的许用应力，一次应力最大处为许用应力值的 65.4%，说明管道安全。

管道的二次应力值最大处为 60.7%，小于模型A的值。现利用优化后管道的一次应力值，计算管线的蠕变服役年限。

4 管道蠕变服役年限计算分析

4.1 计算方法

根据 ASME B31.3 Appendix V 中的线性寿命分率法则，寿命分率分析仅论及管道组件的整体强度，没有考虑局部应力的影响。

4.2 实例计算

将管道参数带入公式进行计算，按照SH/T3059-2012《石油化工管道设计器材选用规范》中 5.3 节规定管道设计寿命宜为 15 a[4]，所以在设计时需保证管道蠕变服役年限超过 15 a。将管道的使用寿命设为 200 000 h（＞131 400=15 a），并考虑以下2个工况：

A） 正常操作工况：操作温度 670 ℃，操作压力 0.17 MPa，180 000 h；

B） 设计条件工况：设计温度 700 ℃，设计压力 0.3 MPa，20 000 h；

从公式计算基于压力的当量应力 Spi。

从 ASME B31.3 Appendix A 表 A-1，在 700 ℃，Sd=26613.7 kPa。

Sp1=26613.7×（0.17/0.3）=15081.1 kPa

Sp2=26613.7×（0.3/0.3） =26613.7 kPa

对于每个条件 i 的一次应力值 SL（ 根据CAESAR II的计算结果 ）

SL1=16696.8 kPa

SL2=17412 kPa

对于无缝管，SP1、SP2 的 W 是 1.0，对于环焊缝，SL1、SL2 的 W 是 0.74、0.68(W 值根据 ASME B31.3中表 302.3.5 查得出)。当量应力 Si是 SPi／W 和 SLi／W 中的较大值，因此，Si值如下：

S1 =（SP1/W 或 SL1/W）中的较大值

=（15 081.1/1 或 16 696.8/0.74）中的较大值

=（15 081.1 或 16 696.8/0.74）中的较大值

= 22 563.2 kPa

S2 =（SP2/W 或 SL2/W）中的较大值

=（26 613.7/1 或 17 412/0.68）中的较大值

=（26 613.7 或 17 412/0.68）中的较大值

= 25 605.9 kPa

从 ASME B31.3 Appendix A 表 A-1，依据 Si，查到温度 TE:

TE1=691 ℃

TE2=704 ℃

对于每个条件 ii，使用公式计算 LMP：

LMP=（20+5）（691+273）=24 100

LMP=（20+5）（704+273）=24 425

使用公式计算断裂寿命 tn：

a=24 100/（670+273）-20=5.557

tr1=10a=105.557=360578.643h

a=24 425/（700+273）-20=5.103

tr2=10a=105.103=126 765.1866 h

对于所有使用条件，用 ti／tri的总和，计算利用系数u：

t1/tr1=180 000/360 578.643=0.499

t2/tr2=20 000/126 765.186 6=0.158

u=0.499+0.158=0.657＜1

因此，该值是合格的，说明管道在 20 a 内不会发生蠕变失效。

5 结束语

首先 ，需 CAESAR II计算管道在高温环境运行下的安全性，通过计算，设计最优化的管道布置方式。

其次，计算管道的安全服役寿命，经核算优化后管道布置满足 20 a 设计内不会蠕变断裂。

最后，对于高温管道，除了需计算管道的蠕变影响下的安全服役寿命外，还需要将蠕变影响考虑到管道的一次应力核算中，不能仅仅根据满足材料的许用应力值就认为管道完全安全，因管道的蠕变受管道的持续应力影响，管道的一次应力值越大，管道的蠕变应变越大，导致管道的一次应力值变化，所以应该在管道设计时做到以下几点：

1）尽可能降低管道承受的一次应力值；

2）降低管道的挠度或减小管道支架或弹簧之间的跨距[5]；

3）确保一次应力值小于金属材料的许用应力。

［1］梁浩宇，段滋华.金属材料的高温蠕变特性研究 [D]. 太原:太原科技大学,2013.

［2］陈年金.高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究[D].浙江工业大学,2006.

［3］ASME B31.3 Process Piping[S].

［4］SH/T3059-2012 石油化工管道设计器材选用规范[S].

［5］The Role of Stress Analysis in the Life Extension of Piping Syste ms-Evaluation of Creep Stresses[R].Mechanical Engineering News，COADE,lnc.May，1993.

Creep Stress Analysis of Flue Gas Pipeline

DONG Xiao-Min，ZHAO Hai-Jie
（China Petroleum Engineering Construction Corporation Dalian Design Branch, Liaoning Dalian 116011，China）

Some high temperature flue gas pipelines of petrochemical enterprises always run in 650 ~ 700 ℃ or so for a long time. The researches show that the creep temperature of carbon steel pipeline is about 350 ℃, the creep temperature of alloy steel pipeline is about 420 ℃, the creep temperature of stainless steel pipeline is about 480 ℃.In this paper, by analyzing the operation conditions of an original high temperature flue gas export pipeline in a petrochemical plant, the pipeline arrangement was optimized by using stress analysis software CAESARII. The safety about the service life of pipeline under the condition of creep was assessed through calculating.

Creep; Stress; High temperature pipes; CAESARII

TG 111.8

： A文献标识码： 1671-0460（2014）07-1208-04

2014-07-08

董晓敏（1962-），女，河北丰润人，工程师，1995 年毕业于大连石化职工大学石油炼制专业，现从事石油化工工程管道设计工作。E-mail：dongxiaomin-dl@cnpc.com.cn。