石油化工管道设计应力分析基础上的柔性设计

赵丽京 （武汉金中石化工程有限公司，湖北 武汉 430000）

在石油化工行业中，管道是石油化工行业的生命线。管道设计对石油化工行业的发展具有重要意义。近年来，发生了多起石油化工厂事故，使石油化工管道的安全性和可靠性在社会上引起了广泛关注，石油化工管道设计工作的重要性日益突出。管道设计工作是非常复杂的，主要包括四个部分，分别是管道应力分析、管道布置、管道材料设计和设备布置，其中管道应力分析是管道设计的基础和关键。管道应力分析对管道的安全性、可靠性和经济性具有重要影响。通过应力分析分析，可以为管道做出强度与安全性的评价，为管道的经济分析提供依据。目前柔性设计在管道设计中得到广泛应用，在应力分析基础上的柔性设计成为石油化工管道安全性和可靠性的重要保障。

1 管道应力简述

在管道设计中，为了方便针对管道的强度破坏进行研究及管道的刚度破坏进行研究，引入应力这一概念。受外界因素的影响，包括温度、湿度等因素，通常材料会发生变形，材料内部为了抵抗这种变形，内部各部分会相互作用产生内力，这时候在材料截面上，单位面积上产生的内力就是应力。管道的应力主要是由于管道承受内部压力、外部压力以及热膨胀引起的。当管道材料内部产生的应力已经达到最大值，此时仍不能抵抗外部载荷，这样会使管道的强度遭到破坏。

1.1 管道应力分类

管道往往要受多种外部压力的共同影响，不仅受热负荷的影响，也要受机械载荷的影响，此外还要受压力载荷等的影响。由于管路不同，管道的区域不同，在外部压力作用下，管道会产生不同性质的应力。管道应力主要包括以下几类。一类是一次应力。管道在受到冲击荷载、内压等作用下会产生剪应力和正应力，这就是一次应力。一次应力与外力相平衡，保持管道不变形。如果为了平衡外力，一次外力超过了极限，管道会发生塑性变形，从而遭到破坏。所以要留有足够的宽裕度，以保证材料不发生屈服。一类是二次应力。管道受到外界压力，发生了变形，变形会对材料产生束缚，在这种情况下管道产生的剪应力和正应力就是二次应力。二次应力主要是为协调变形而产生的应力，它不能直接与外力平衡。二次应力具有自限性的特点，只要有发生细小塑性变形就会使二次应力变低。交变的次数会影响二次应力的界定，交变的应力范围会直接决定二次应力的范围。一般情况下，管道重复受二次应力，会产生疲劳破坏。三类是峰值应力。所谓峰值应力就是最高值应力，当荷载发生突变，当管道结构发生的突变，这时候局部应力不会迅速集中，从而产生峰值应力。通常在管道的转弯处、气孔处和焊接处会产生峰值应力。峰值应力不会引起管道的显著变形，但会给管道带来疲劳性裂纹。

1.2 管道应力分析目的

管道应力分析主要是通过解决各种问题来保障管道的安全性和可靠性。像管道的强度问题、管道的震动问题等都需要通过用力分析来解决。同时，管道应力分析可以为管道布置提供科学的依据，为管道安装提供科学的参考。具体来说管道应力分析目的主要有以下几点。一是保证管道设计符合安全要求。石油化工管道对安全有更好的要求，根据我国的相关国家规定，主要从三个方面来评判管道的安全性能，分别是密封性、耐腐蚀性和耐压强度。其中耐压强度主要是通过通过管道应力分析来实现的。二是保证装置运行的安全性。石油化工管道通常输送的是一些易燃易爆的物品，管道布置必须科学合理，保证不会有任何安全隐患在装置运行中。在布置管道的时候，如果不够科学，管道就会出现应力问题，带来安全隐患。

例如当管道的热应力过大时，会导致管件损坏等问题，影响安全生产。管道布置不合理，在动力设备旁，会发生共振现象，影响整个系统装置的安全运行。应力分析可以为管道布置提供科学依据。

2 管道柔性设计

近年来，在管道设计中引入了柔性设计的理念，进一步提高了管道设计的水平。管道有一个重要特征，就是它有一定的柔性。柔性是管道的一个重要性能。当温度变化时，管道会通过自身变形来适应温度变化，这是管道柔性的一个表现。当设备基础沉降时，管道会通过自身变形来适应位移的变化，这也是管道柔性的一个表现。当外界发生变化时，管道通过自身变化来保证材料上应力在可控范围内，从而保证管道的性能。由于温度变化、内压变化、荷载变化等，管道会出现不同程度的损坏，主要包括以下几个方面。一是管道由于应力超过的范围而产生了破坏。二是管道支架由于推力过大而遭到了破坏。三是管道发生泄漏。四是与管道相连的设备由于管道变形而不能正常运行。管道柔性设计正是要防止这些问题的产生。下面介绍几种增加管道柔性的措施。一是用弹簧支吊架支撑管道。用弹簧支吊架可以有效的增加管道的柔性。在管道的支撑点，用弹簧支吊架，支撑点就不用受垂直位移的控制。同时弹簧吊架不宜连续使用，会影响管道的稳定性。二是改变管道的几何布置。在增加管道柔性的时候，这是一种最理想的方法。不管是在二维平面内的管道布置，还是在三维空间内的管道布置，改变管道几何布置的方法是相同的，一种方法是增加弯头的数量，一种方法是增加管道的长度。同时在改变管道的几何布置的时候，要保证管道两端点固定不变。三是增设膨胀节。虽然改变管道布置是增加管道柔性比较理想的方法，但在一些条件和特殊情况下是不能采用的，比如管道的直径太大，比如管道的设备工艺有特殊要求，比如受到场地的限制。在这些情况下可以通过增加膨胀节来增加管道的柔性。但是波纹膨胀节一般在管道系统中是比较薄弱的环节，制作工艺非常复杂，而且成本也非常高，所以在管道设计中一般都尽量避免使用。

3 工程实例

某地方有一个大的烧碱项目，年生产能力可达40万吨。在针对储罐和离心泵的进出口管道进行检查的时候发现了问题。对入泵口管道进行受力分析，发现管道的受力和力矩都不符合国家的相关国家标准，存在一定的安全隐患。需要对离心泵的管道进行优化设计。考虑到离心泵气蚀余量的问题，管道设计必须短而直，在对管道进行柔化设计的时候，不能采用改变管道走向的方法。在该项目中，为了保证生产效率，泵入口管道必须是同轴度的。这样对管道的进行柔性设计的时候，也不能采用使用弹簧支架的方法。所以，最后采用了增加膨胀节的方法对进行柔性设计。通过上述方法对离心泵管道进行优化后，很好的解决了泵口的受力问题，同时降低了操作难度，消除了管道在运行过程中存在的安全隐患。

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