200m3低温立式贮罐产品夹套内工艺配管管线分析计算

朱国忠，杨阳，施喜昌，王雪菲，顾春虎，薛林

（张家港中集圣达因低温装备有限公司，江苏 张家港 215632）

选择气相管线作为案例，根据设计载荷工况，借助压力管道应力分析软件Caesar II 2017 版进行管线柔性分析，根据选取的分析条件，对气相管线进行建模，通过标准ASME B31.3 及4WEQ-1517 规范进行评判，对模型进行验证管道设计的合理性。

1 200 m3低温液体贮罐概况

1.1 结构尺寸

该低温液体贮罐为立式容器，其结构由内、外容器等组成，内容器筒体规格尺寸φ3 400 mm×12 mm，顶部及底部均采用标准椭圆封头；外罐筒体规格尺寸φ4 200 mm×12 mm，顶部及底部均采用碟形封头。其贮罐内外罐夹套内的工艺配管材料为S30408，内容器与外容器间夹套空间内填充绝热材料，并抽真空。

1.2 设计载荷

配管系统设计载荷数据见表1。

1.3 管线参数

管线参数见表2。

表2 管线参数

1.4 配管材料特性参数

配管材料特性参数见表3。

表3 配管材料特性参数

2 载荷工况设置

2.1 贮罐内外罐结构温差位移的计算

为了准确获得气相管线与贮罐产品内外罐连接点的温差位移值，该型贮罐产品实际使用过程中的温度载荷等工况，按照4WEQ-1517 可以预先计算出该型贮罐结构在不同温差ΔT1～ΔT8 组合（见下方说明）载荷工况下的各项位移值，不考虑其角位移量。

该型贮罐产品内外罐主体结构具体温差ΔT1～ΔT8 组合工况设置见下面说明。

温差ΔT1 工况：贮罐内容器T11=50 ℃，管线T12=-196 ℃；外罐T13=50 ℃。

温差ΔT2 工况：贮罐内容器T21=50 ℃，管线T22=-196℃；外罐T23=-20 ℃。

温差ΔT3 工况:贮罐内容器T31=-196 ℃，管线T32=65 ℃；外罐T33=50 ℃。

温差ΔT4 工况:贮罐内容器T41=-196 ℃，管线T42=65 ℃；外罐T43=-20 ℃。

温差ΔT5 工况:贮罐内容器T51=-196 ℃，管线T52=-196 ℃；外罐T53=50 ℃。

温差ΔT6 工况:贮罐内容器T61=-196 ℃，管线T62=-196 ℃；外罐T63=-20 ℃。

温差ΔT7 工况:贮罐内容器T71=-196 ℃，管线T72=-140 ℃；外罐T73=50 ℃。

温差ΔT8 工况:贮罐内容器T81=-196 ℃，管线T82=-140 ℃；外罐T83=-20 ℃。

按照基准温度为20 ℃，边界3 个坐标轴的线位移量计算公式如下：

式中：Δdx—x轴线位移量；

Δdy—y轴线位移量；

Δdz—z轴线位移量；

ΔT—温差；

α—线膨胀系数。

表4 为通过上述公式计算的温差位移数据，可以作为气相管线在计算温差载荷时的位移边界条件。

表4 计算得到的温差位移数据

2.2 载荷工况及组合、评定

该分析已经加载了按照ASME B31.3 所要求的原始载荷，下面描述的主要原始载荷可能在整个分析过程中使用，参照4WEQ-1517 标准计算过程加载工况如下表5所示，管线应力如表6所示；评定依据按照ASME B31.3 及4WEQ-1517 规范要求。

表5 载荷工况及组合、评定要求表

表6 管线应力汇总

2.2.1 评定依据

2.2.1.1 纵向应力SL

管道系统组件由于压力、重力和其他持续载荷而产生的纵向应力的总和SL应不超过下面（d）中的Sh与W的乘积，Sh和W定义于下面（d）和（c）中。焊接接头的强度降低系数W对于纵缝可取为1.0。对于在考虑中的负载，在计算SL中使用的管壁厚度应为公称壁厚T减去加工、腐蚀和磨蚀的裕量c。自重荷载宜基于整个系统组件的公称壁厚，除非做出更精确分析后的判断。

2.2.1.2 许用的位移应力范围SA

管道系统计算得出的位移应力范围SE（见ASME B31.3 Table A-1）不应超过由下式（4）计算出的许用位移应力范围SA（见ASME B31.3 第319.2.3 和319.3.4 节）。

当Sh＞SL时，它们之间的差可加到公式（4）中的0.25Sh项上。在此情况下，许用应力范围按公式（5）计算：

在公式（4）和（5）中：f为应力范围减小系数，由公式（6）计算的到，当使用f值＞1.0 时，SC及Sb最大值应不超过138 MPa。

式中：fm—应力范围系数的最大值，对于规定最小抗拉强度≤517 MPa和在金属温度≤371 ℃时的铁基材料，fm=1.2；其他的fm=1.0。

N—管道系统在预期的寿命期内全位移循环的当量数；

SC—所分析的位移循环期间，预计最低金属温度下的基本许用应力；

Sh—所分析的位移循环期间，预计最高金属温度下的基本徐用应力。

3 结束语

我公司设计的该型贮罐内外罐夹套内的工艺配管管线，在充分借鉴同类产品设计使用经验等基础上进行了“柔性化”设计考虑，按照AP 4WEQ-1517及ASME B31.3 规范，以保证每根管线上的各类应力值及内力等均不大。这说明该型低温液体立式贮罐产品内外罐夹套内的管线主体结构在正常操作工况下是安全可靠的。