石油化工管道设计应力分析基础上的柔性设计

麻海龙 俆 冬

沈阳中现油气管道工程有限公司

石油化工管道设计应力分析基础上的柔性设计

麻海龙 俆 冬

沈阳中现油气管道工程有限公司

石油化工安全基础在于化工管道，管道是石油化工装置中不可缺少的组成部分，它连接着各种设备和相关的系统设施。在石油化工行业中，管道设计的可靠性和安全性问题在近年表现得日益突出，而管道的应力分析工作则是管道设计安全、经济、合理的保障和重要方式。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。文章就此进行分析。

石油化工管道设计；应力分析；柔性设计

1.管道应力简介

为研究并控制管道的强度破坏和刚度破坏，引入应力这一概念。材料由于外因受力、温差、湿度变化等而产生变形时，在材料内部各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因作用，并力图使材料从变形后的位置回复到变形前的位置。而在所考察的截面某一点单位面积上的内力，称为应力。

由此不难看出，管道应力的概念避开了管子及其元件的规格尺寸、壁厚等因素的影响，只要外部荷载使材料产生的应力超出材料本身的强度指标，即可认为管子及其元件将要发生强度破坏。

1.1 管道分类

管道在压力荷载、机械荷载以及热负荷等作用下，整个管路或某些区域产生不同性质的应力，因此，管道上的应力，一般可分为以下三类：

一次应力由：于外加荷载的作用而产生的应力如压力和重力等，其本身与外力平衡。

二次应力：由于变形受到约束所产生的正应力或剪应力如热膨胀、附加位移、安装误差或振动荷载等，其本身不直接与外力相平衡。

峰值应力：由于荷载或结构形状的局部突变如管道中小的转弯半径处、焊缝咬边处或材料本身夹渣、气孔处而引起的局部应力集中的最高应力值。

1.2 管道应力分析目的

管道应力分析的目的主要是解决管道的强度、刚度、振动等问题，为管道的布置、安装、配置提供科学依据。其具体体现以下几个方面：

保证管道系统设计安全的要求：管道安全性能的总体要求包括耐压强度、耐腐蚀性和密封性三方面。

保证装置运行的安全性：管道布置如果不合理，整个装置运行过程中就会存在安全隐患，并可能产生各种应力问题。如管道在温度变化时产生的热应力过大，则会导致下列各种现象的发生设备管口就会被拉坏或顶坏，各管件连接处损坏焊缝连接时会被拉裂，法兰连接则出现变形导致泄露，管架被推坏，更有严重者还会发生燃烧或爆炸。另外，如果是动力设备，当震源的激振与管系固有频率相同时，则会导致整个装置系统发生共振，此时损坏的则是设备本身和与其相连的建筑物。

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.工程实例分析

某120万t/a重油催化裂化项目，烟气轮机(以下简称烟机)进口管道，介质条件：温度650℃，压力0.35MPa，管径Φ1020x12，材质06Cr19Ni10。管道自三旋出口EL+25000下至EL+7000m，后水平向前约12m进入烟机。此管道管径大、温度高且烟机管咀受力允许值较小，采用常规设计自然补偿不可能满足要求。为此我们在立管上布置了2个铰链型膨胀节在水平管上又布置了1个铰链型膨胀节，自上而下为膨胀节A，B，C构成平面内三铰链型膨胀节系统，竖直管段的热膨胀将由B和C两个膨胀节的动作来吸收，水平管段的热膨胀由A和B两个膨胀节来吸收。并且在管口的位置设置了弹簧吊架，进一步降低垂直方向的受力，最终使烟机入口管咀的受力值降到了可被接受的程度。

综上所述，管道的应力分析是从应力角度进行的理论分析，为管道系统所需研究的每一节点人为设定受力情况提供强有力的理论依据。因为管道柔性不足而导致法兰泄漏、管道对设备管咀的推力(矩)不满足设备供应商的要求，或者管道对结构梁的推力过大等，进而产生安全隐患，甚至使管道或者设备在运行中造成严重事故等。所以，在实际的应该过程中，还必须充分考虑高温、大管径以及与敏感设备相边的管道的柔性。

[1]梁亚玲.对石油化工管道应力设计要点的思考[J].化工设计通讯，2016，11：72.

[2]张冰，聂科研，宫雪.石油化工管道设计的影响因素及注意事项分析[J].黑龙江科技信息，2016，18：34.

[3]柯先梅，钱胜辉.如何正确分析化工管道设计中的管道应力[J].化工管理，2016，18：220.