石油化工设计中管道的应力分析

李争

摘要：应力分析是管道设计的的基础，在很大程度上影响化工装置的正常运行。就管道应力的主要内容、校核条件、管道的应力分析范围界定及管道应力分析的方法加以分析，使设计人员在了解应力分析相关知识的基础上，从设计上保证化工管道的安全可靠。

关键词：管道设计；应力分析；柔性设计

在整个石油化工行业中，管道设备十分常见，管道设备属于石化工业发展的基础，因此，管道设计的安全性及高效性对于企业的发展十分重要。近些年来，化工管道事故频繁出现，使得化工管道的安全备受关注，管道的设计问题也日益突出。

一般来说，化工管道的设计工作十分复杂，包含应力分析、材料选择以及管道设备布置等环节，目前，为了进一步保障管道安全，在应力分析的基础上，加入了柔性设计环节。

1应力分析的主要内容

静力分析主要是指在静力荷载的作用下对管道进行应力分析，静力分析的目的主要是通过合理的计算分析防止管道塑形变形破坏、疲劳破坏、管道对与之相连的机器作用力过大，确定合理的支吊架对土建结构的作用力，防止管道位移过大造成脱架和碰撞等。

动力分析主要是指设备管道的震动分析、管道的地震分析、水锤和冲击荷载作用下的管道振动分析，动力分析的目的是为了防止管道系统的机械共振及震动引起的疲劳破坏，防止管道震动过大，防止震动对支架和土建结构造成破坏，防止管道受地震的破坏。

2化工管道应力分析价值简介

（1）確保管道始终处于安全状况。管道对于化工企业而言十分重要，因此，保障管道的安全是企业顺利生产的前提，在管道安全判断方面，我国已发布相应的要求，要求指出，管道的密封程度、抗腐蚀能力以及抗压强度是判断管道安全的关键，在这三方面中，抗压强度需要通过应力分析的方式进行判断。

（2）确保管道附属设备始终处于安全状况。众所周知，管道周围部署有大量的附属设备，例如三通、法兰等，由于化工管道内的介质充满了危险性，如果附属设备出现问题，也极易容易产生安全问题，例如，当管道内介质的温度过高时，受热胀冷缩的作用，其附属设备会出现损坏状况，从而造成化工气体泄漏，通过应力分析的方式可以为附属设备的布置及安全提供保障。

3管道柔性设计

3.1管道柔性设计目的及要求

对于化工管道而言，管道的首末端以及三通位置处连接有大量的机械设备或水泥建筑，当管道受到内部介质的热胀冷缩作用时，管道会对周围的机械设备或水泥建筑产生一定的作用力，同时，机械设备或水泥建筑也会对管道产生一定的反向作用力，从而使得管道承受的外界应力增大，如果管道自身具有很强的刚度，则在反向作用力的推动下，会使得管道周围的机械设备或水泥建筑遭受破坏，因此，在对管道进行设计时，必须要求管道自身具有一定的柔性。

在对管道进行柔性设计时必须满足四项要求：管道所承受的应力维持于安全状态，其二次应力必须满足相应的规范要求；管道周围附属设备或土方建筑所承受的力矩和力必须维持在安全要求内，从而防止应管道运行对设备或土方建筑产生破坏；在外力的作用下，管道上的法兰不会因自身受力原因引起化工原料泄漏；在管道内外力的作用下，不会对维持管道平衡的支架产生破坏，从而使得管道始终处于平衡状态。

3.2化工管道柔性设计方案

在对其进行设计的过程中，必须从四方面出发进行深层次考虑。

（1）管道温度，管道温度不得超过100℃，同时，也不得小于-50℃，否则，管道自身极易产生变形，从而危险自身及附属设备安全；

（2）管道直径，在对其进行柔性设计时，必须根据管道的实际直径，对管道的布置情况进行安排；

（3）外力，如果管道长时间承受较大的外力作用或者可能会产生位移，则必须进行柔性设计；

（4）附属设备，如果管道所连接的附属设备较多，例如泵、压缩机等，则在设备连接处需要对其进行专门设计。

一般来说，目前的柔性设计一般是从三方面出发对其进行具体设计，分别是增加自然补偿、选择支吊架固定以及改变管道走向。

（1）增加自然补偿。管道自身具有一定的补偿作用，补偿作用能有效防止管道产生变形，当管道所受内外力较大时，则需要增设自然补偿。目前，最常见、最高效的自然补偿为“π”补偿器，但是如果化工管道内输送介质的温度相对较高，且输量较大，该种补偿器的使用会受到一定的限制，此时可使用螺纹管补偿器。自然补偿的具体安装步骤为：选择补偿类型，补偿类型的选择需要根据管道内介质的温度及管道管径决定；对管道的膨胀量进行计算，管道膨胀量的计算公式为：膨胀量=膨胀系数×管长；确定补偿位置，补偿位置应尽可能靠近两个管道固定点的中心位置；对管道应力进行校核，确保增加固定点后管道可以始终处于安全状态。

（2）选择支吊架固定。支吊架的主要作用是对管道的自身重量和外界应力进行平衡，从而防止管道出现过度弯曲问题，在增加支吊架时，首先应对管道自身能承受的弯曲应力进行计算，其计算公式：

σA=f（1.25σc+0.25σk）

式中：σA———管道自身所能承受的弯曲应力，MPa；f———应力系数，该系数与管道材料有关，一般情况下，随着管道钢级的增加，其应力系数也会随着增加；σc———管道受热时所能承受的应力，MPa；σk———管道在冷态作用下管道所能承受的应力。

在支吊架数量确定方面，如果从一次应力分析结果出发，则其数量就需要增加，从而使得管道自身承受的应力降低；如果从二次应力分析结果出发，则其数量就需要减少，从而防止支吊架自身对管道产生约束作用。综合来说，支吊架的数量必须根据所有类型应力的分析结果进行确定。

（3）改变管道走向。通过改变管道自身走向是进行柔性设计最为间接的方法，这主要是因为在管道两端受到约束的作用下，改变管道的走向，可能会使得管道的长度增加，同时管道弯头的数量也会得到不同程度的降低，从而使得管道的柔性增加。

4结语

综上所述，管道的应力分析是管道设计不可或缺的重要组成，在很大程度上保证了化工装置的安全可靠运行。通过应力分析研究管道在各种荷载作用下产生的力、力矩、应力、位移等，有助于设计人员对管道安全性做出准确的判断，进一步优化管道的设计，使管道更安全、合理。

参考文献：

[1]宋岢岢.工业管道应力分析与工程应用[M].北京：中国石化出版社，2011.

[2]唐永进.压力管道应力分析（第二版）[M].北京：中国石化出版社，2009.

（作者单位：海洋石油工程股份有限公司设计院）