石油化工压力管道柔性设计的浅析

黄晓敏

(中石化广州工程有限公司,广东 广州 510620)

1 概述

连接石油化工装置的压力管道就像人体的动脉一样，起着重要的作用。管道能否正常的运行将直接影响着装置的安全及企业的经济效益，而管道的柔性对管道的安全运行有着显著的影响。

随着科技的进步石化工艺技术提高，高温高压管道在石化企业得到大量的应用，管道布置的合理性显得越来越重要。否则装置生产运行过程中可能因为管道因热胀冷缩而导致管道法兰连接处泄漏，过大的推力和力矩使设备产生变形；管道柔性不足局部应力集中导致管道位移过大，支架位置的移动、托空、失效、金属疲劳，最终引起管道断裂。对于石化企业常规的、工艺技术成熟、设备定型的石油化工装置是否运行平稳、满足工艺要求、满足安全生产要求、满足检修要求、满足环保要求，在很大程度取决于管道柔性的设计水平。管道应力分析是管道安全运行的保证，是管道柔性设计中不可忽视的重要环节。

2 管道应力分析的原理与方法

2.1 管道应力分析的原理

最早的应力分析是把管系在工作状态下，在线性弹性范围内的由内在的应力和外在荷载引起的应力和应变综合起来考虑。以管系不发生屈服的值作为极限值 ，超过这一极值管道应力即失效。显然这种方法是比较保守落后的，已经不适应现在石化工业的要求了。

为了充分的利用金属管道材料的弹性性能的特点，故在做管道应力分析时将应力分为一次应力、二次应力和三次应力并且分别验算。一次应力就是管道承受的内压和持续的可变的外载而产生的。一次应力使管壁上产生三个相互垂直的正应力即周向应力、轴向应力和径向应力。一次应力没有自限性，始终随管道上施加的外载而变，分析时不仅要验算管道的内压而且还要验算管道所承受的外载，内压验算实质上就是验算管道壁厚是否满足要求，外载验算实质上就是验算管道的跨距是否满足要求，即确定管道的支架之间最大允许跨距。因此对于一次应力验算采用极限分析，必须合格。二次应力就是管道随着温度的变化产生热涨、冷缩及位移受到约束而产生的应力。当二次应力超过管道材料的屈服极限时，管道会出现局部屈服和产生少量的塑性变形使得二次应力下降，此为二次应力的自限性。由于该特点，管系上的应力改变并且重新分布，管道在工作状态或冷状态的应变又达到了平衡。二次应力是由管道不稳定的热涨、冷缩及位移的大小和循环次数而决定的，因此对于二次应力验算不是很严格。三次应力是一次应力和二次应力的和，是内压、持续外载和热涨产生的最大合成应力，因此三次应力验算必须合格。

2.2 管道应力分析方法

管道应力分析方法通常有：经验法、公式法以及计算机法。计算机分析法已成为设计院进行管道应力分析的主要方法，最常用的是国际流行的CAESR/II管道应力分析软件，特点是成熟、精确、快速。

3 确定压力管道进行应力分析的方法

管道详细设计阶段要根据以往的经验布置管道，尽量增加其柔性，减少应力计算次数。选用适当的方法对管系进行应力分析将有助于提高设计效率。

3.1 利用经验公式判别压力管道是否需进行详细应力分析的方法

一般对能满足下列判别式的管系，可以不做完整应力分析。

式中:D0——管子外径mm;

Δ——管段总位移mm;

Δ=(Δx2+Δy2+Δz2)1/2;

Δx、Δy、Δz——分别为管段在x、y、z轴方向的位移mm；

U——管段两固定点的直线距离m；

L——管段在两固定点的展开长度m。

但上式有其限制条件，按照美国ASME压力管路规范(ANSI/ASME B31.3)中的备注可知，该经验公式不适用以下几种情况：

a.在剧烈循环条件下运行有疲劳危险的管道，如延迟焦化装置的焦炭塔进料和油气管道。

b.弯管应力增强系数i ≥5的大直径薄壁管道。

c.端点的附加位移量占总位移量大部分的管道。

d.两固定点间的管道总长度(L)与固定点间的直线距离(U)的比值L/U>2.5的不等腿U形弯管，或接近直线的锯齿状管道。

e.与离心泵连接的管道，可根据设计要求确定柔性设计方法。

f.采用经验公式对于管道柔性进行初步判断，其结果在一般情况下是偏于安全的，但无法保证其绝对可靠，对于装置内重要管道，如加热炉转油线、汽轮机、气压机等转动机器进出口的连接管道等需要进行详细的应力分析。

3.2 一般压力容器和加热炉等设备的连接管道的应力分析范围和方法

(1)50 ≤ Dn<150，ΔT ≥ 330℃；Dn≥ 150，ΔT ≥ 180℃的管道应用计算机进行详细应力分析。

(2)Dn< 50，ΔT ≥ 330℃；50 ≤ Dn≤ 100,230℃≤ΔT <330℃；150 ≤ Dn<500, 80℃≤ ΔT ≤ 180℃；

Dn ≥ 150，40℃≤ΔT≤180℃的管道利用图表法进行应力分析。

(3)Dn< 50，ΔT <330℃；50 ≤ Dn<100，ΔT <230℃；100 ≤ Dn<500, ΔT <180℃；以及Dn>500，ΔT <40℃的管道由设计者经验进行判断。

3.3 回转机械及空冷器周围的管道应力分析范围和方法

(1)50 ≤ Dn <100，ΔT ≥ 180℃；Dn > 100，ΔT ≥180℃的管道应用计算机进行详细应力分析。

(2)Dn <50，ΔT ≥ 180℃；50 ≤ Dn <100，80℃≤Δ<180℃；Dn≥ 100，ΔT <180℃的管道利用图表法进行应力分析。

(3)Dn <50，ΔT <180℃；50 ≤ Dn<100，ΔT <80℃的管道由设计者经验进行判断。

4 管道应力分析的设计要求

4.1 管道应力分析的任务

管道应力分析的任务，是在管道布置时，通过改变管道的空间走向，增加或减少管道支架的数量、选择合理的支吊架形式，用以防止管道因热胀冷缩而导致管道法兰连接处泄漏，及过大的推力和力矩使设备产生变形，管道柔性不足局部应力集中导致管道位移过大，导致管道支架位置的移动、托空、失效、金属疲劳引起管道断裂。

4.2 管道应力分析合格的判断

管道是否具有足够的柔性，是要通过管道的应力分析和作用力来确定的。主要包括以下三个方面的内容。

(1)管道在内压和持续外载作用下产生的一次应力，应不大于管道材料的需用应力。内压是在径、壁厚和材料选择时已经考虑过的问题，一般情况下，按照标准规定选择管子则可。持续外载主要是管道自重(包括介质重、隔热材料重)、风、雪载荷等，这在管道支吊架选用恰当的情况下是不成问题的。所以在应力分析中一次应力一般情况下是合格的，有时还有余量。

(2)管道在热涨、冷缩和位移受约束产生的二次应力，应不大于管道材料的热膨胀许用应力范围。当管道的二次应力超过管道材料的热膨胀许用应力范围，而管道的一次应力低于管道的需用应力时，允许将一次应力未用足的这部分许用应力加在热膨胀许用应力范围中，以扩大二次应力的许用应力范围。

(3)对于连接到转动机械如汽轮机、气压机及泵等的进出口嘴子上的管道，其对于转动机械进出口嘴子的推力和力矩，应不大于机器制造厂提出的允许值规定。

5 管道应力分析步骤及管道布置调整

(1)根据不同石油化工装置，确定需要进行管道应力分析的管道范围。

(2)优先规划装置要求进行应力计算的管道，初步确定管道的空间走向，确定支架的形式及支架的位置。一般情况下对于水平管道通常设置滑动支架、吊架等，对于垂直管道通常设置承重支架、导向支架等，对于有垂直位移的管道通常设置弹簧支架。

(3)画出规划好需要进行管道应力计算管道的三维视图，明确标注出管道等级、介质的状态(气体、液体、固体)、设计压力、设计温度、操作压力、操作温度、管道的腐蚀裕量、支架位置、阀门的位置及阀门的重量、与管道相连接的设备及设备图纸等等必要的信息。

(4)输入管道应力分析软件对管道进行应力分析。

(5)根据管道应力分析结果，对管道空间布置进行调整，对支吊架的位置、支吊架的形式进行调整，直到整个管道应力、管端、各个支撑点在x轴、y轴、z轴方向作用力及力矩符合到要求为止。

(6)与管道相连接的设备、机泵等管嘴的机械强度是否能够承受管端推力和力矩，管端的最大推力和力矩是否在设备、机泵等管嘴能够承受的机械强度安全范围内。如果超出设备、机泵等管嘴能够承受的机械强度安全范围，那么调整的方法有 a根据管道应力分析结果在适位置加合适量冷紧；b调整管道的空间走向，增加管道的柔性；c 在端附合适的位置加设导向支架等。

(7)管道中各支点的作用力，是选择支架形式的设计依据。

(8)管道中各支吊点的作用力、位移量是弹簧支吊选型设计的依据。

6 几种重要管道的应力分析设计要点

6.1 加热炉转油线

(1)在设备平面布置时就应考虑转油线的设计问题，如常减压蒸馏装置布置时，炉子与塔的间距在保证入塔前蒸发段直管不小于15M的情况下尽量靠近。其相对位置以能保证转油线的各分支管布置对称，介质分配均匀为宜。如果塔的进料口为切称，介质流量分配均匀为宜。如果塔的进料口为切线进入，应将进料口的中心线与加热炉中心线对齐。这样既有利于分支管的压力降均衡又便于转油线的应力计算。

(2)加热炉转油线在应力计算时利用炉出口前的一根炉管作为整个管道系统的一部分考虑，可以增加管道的柔性，对于圆筒炉的立式炉管更为有效。圆筒炉的立管在炉顶部设有支架，下部回弯头处设有导向管套，炉管热胀可向下移动，不会影响炉管上部出口的连接管道。顶部支架为承重支架，不是固定的。前后左右都能有一定范围的自由活动。从管道柔性设计考虑，此活动范围保持50mm为宜，按现场实际情况可以做到。

(3)对于带有烧焦系统或再生系统的转油线，一般具有两种操作条件，管道的垂直方向位移不同，甚至管道自重由于介质变化也有所不同。在进行应力分析时，应结合两种不同的操作情况全面分析管道的柔性，看其是否满足要求。另外在弹簧支吊架的设计方面，按照正常操作条件下计算选用之后，尚应按照烧焦或再生的操作条件下进行核算。

6.2 汽轮机与气压机的进出口连接管道

(1)汽轮机和气压机都属于高速转动设备，在其制造结构方面，既要预留机器的膨胀裕度，又要保持转动部件的余隙紧凑，如果管道对其产生的力和力矩太大，将使设备的形变和局部的压力增大，转子和定子之间的摩擦和振动增加。因此，在布置管道时，不仅要满足管道本身的应力设计要求，还要满足机器进出口嘴子的允许受力要求。

(2)管道的走向布置，应尽可能适应机器进出口嘴子的位移方向。固定支架的位置应设在比较靠近机器进出口嘴子的地方，即在满足机器嘴子允许受力要求下应尽可能缩短。

(3)在管道设计时，除管道满足应力要求外，汽轮机或气压机嘴子连接管道对于嘴子的作用力和力矩也有严格的限制。按照美国标准NEMASM23和API617的规定，不仅要满足进口或出口嘴子本身的受力允许值要求，还要满足进口和出口转移到出口或进口中心线综合的合力和合成力矩的允许值要求。在布置管道时，往往是比较容易满足前者，而后者较难满足，这不仅要求管道布置结构合理，支架适当，还应要求在设备布置时给予注意。

(4)支吊架设计要点：①汽轮机和气压机进出口嘴子附近第一个支架应尽可能靠近进出口嘴子。若进出口嘴子向下，则应在嘴子中心线的正下方设弹簧支架；②在计算支架的荷重时，应使支架承担进出口管道的全部荷重。这样做可以减小机器嘴子的垂直方向的受力；③为了防止过大的侧向位移和减少振动的影响，可在管道上设置一些导向支架。总之，对汽轮机与气压机进出口连接管道的支吊架，除了承受管道荷重之外还应考虑减少嘴子的受力问题。

6.3 泵的进出口管道

(1)随着泵效率的提高，制造日益精密，管道的作用力和力矩要求越来越严格。同汽轮机与气压机的进出口连接管道一样，在管道进行应力分析时，要看管道自身的应力是否合格，不仅要满足管道自身的应力设计要求，还要看管道对泵的作用力和力矩是否在泵的承受范围内。泵的允许承受力在美国石油学会API-610中有明确规定。

(2)管道的走向布置，应尽可能少用弯头减少压力损失，同事对进口管道保证步步低。

(3)由于泵多采用一开一备，在进行管道应力分析时应采用工况组合，通过计算可求出管道对设备在操作状态下和安装状态下的用力和力矩。这些力和力矩是以“热态吊零”或“冷态吊零”为假设条件的。若热态吊零，则需校核冷态条件下泵嘴受力是否满足规范或制造厂的要求。反之，冷态吊零时则需校核热态条件下泵嘴受力，使其满足要求。

(4)泵与设备的布置可就近布置，也可稍远布置。

(5)支吊架设计要点：①降低活动支架吊架的刚度，采用刚度小的可变弹簧支吊架或恒力支吊架；②当采用支架时，如果计算程序有计算摩擦力的功能，则应利用此功能，如无此功能，则应对其计算结果人为地加以修正；③在泵出口嘴子附近的刚度上设置限位支架；④在设计弹簧时，应使嘴子附近的弹簧承担进出口管道的全部荷重，这样做可以减少机器嘴子的垂直方向的受力。

6.4 气液两相流的管道及紧急放空系统的管道

气液两相流的管道由于其介质温度、压力的变化，在管道设计时，应尽可能减少缩径、转弯、气袋、液袋，并注意支架设置和选型，以减少管道振动程度。管道压力波动产生的激振力以及管道振动均会使管道承受交变载荷，致使管道遭受疲劳破坏，在应力分析时，应使管系的应力保持在较低的水平，防止管道在设计寿命时间内发生疲劳破坏。

对紧急放空系统的管道，在应力分析时，应考虑该系统管道放空时的苛刻工况，使管道布置满足应力要求，同时，由于该系统压力变化非常快，其应力幅也较大，在应力分析时，也应使管系的应力保持在较低的水平。

7 结论

应力分析是压力管道安全运行的重要保证，不同的管道其应力水平的要求也不同，一般管系的应力水平应符合应力分析判据；与转动设备(如汽轮机、气压机、泵)进出口连接的管道，不仅要满足管道本身的应力设计要求，还要满足机泵进出口嘴子的允许受力要求；存在交变荷载的管道应使管系的应力保持在较低的水平。总之，对管道进行应力分析，一方面，保证管道的安全运行；另一方面，减小压力，降低成本。