石油化工管道应力设计探究

唐建伟 何林杉 姜玲

摘 要：管道是石油化工运输网络的重要组成部分，对石油化工装置起到连接作用。石油输送的安全性与管道应力设计有很大关系，在管道设计中，重视管道应力设计，对石油管道的运输安全有重要意义，是维护石油化工管道的重点。

关键词：石油化工;石油管道;应力设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.090

管道应力是指管道在工作中由于受到内部压力、外界环境和自身重量的影响，与管道端点发生强制位移的形成的应力。管道承受的应力不同，管道自身所受的损害也不同。管道应力容易使管道产生安全问题，在管道设计过程中必须予以重视。

1 管道应力对石油化工管道产生的影响

在管道应用过程中，对管道的安全设计性能要求主要包括管道的耐压强度、耐腐蚀性和密封程度，设计人员要选择符合标准的设计材料，有效避免石油和外界环境对管道的腐蚀。管道布设不合理，或者管道柔性设计难以承载应力，就会产生一定的安全隐患。比如热销量较大，管道就会出现破损。

（1）管道应力分析的意义。管道设计过程中的安全性能，要满足耐压、耐腐蚀和密封的要求，在设计过程中选择符合性能标准的材料进行设计，降低外部环境对管道造成的影响[1]。在实际工作过程中要保证整体的科学合理运行，管道设计一定要符合科学性和合理性，保证管道不会存在各种硬件问题和安全隐患，在外界环境发生变化时，管道的热效率增大，就会导致管道破损，如果管道设计是为了提供动力，还要考虑到共振问题，尽量降低内外部因素对于管道的破坏。

（2）管道应力设计的必要性。管道路线设计出来的目的是保证管道不受影响因素的干预而受到破坏，因为外部因素影响使其对连接的机器和设备等产生一定的作用力，而机器设备对管道也会产生反作用力，导致双方受到应力损害，系统的刚度越大，产生的压力越大，因此对管道进行设计可以提高管道自身的防御能力。

2 管道应力的分类

根据实际情况，管道应力可以分为一次应力和二次应力，一次应力主要有压力和动力以及其他外力产生，最终随着压力增加而增加，在达到一定程度范围的极限，就不会再增加，管道內产生无法限制的塑性流动，导致管道被破坏，二次应力是由于内部热胀冷缩等产生的引发管道内部弹塑性能协调的不连续性，导致管道变形[2]。

3 石油化工管道柔性强化设计

（1）管道设计的流程和主要内容。管道的安全可靠关系着石油化工的正常生产和使用安全，因此管道设计必须经过相关部门审批审批合格才能开启建设工作。管道设计的质量问题非常关键，要首先进行工业设计，在石油化工管道工程立项之前，相关部门要对其提交的可行性研究报告进行审核，共同审议后才能批准，项目设计人员要根据资料数据进行初步设计，并不断修改，每次修改都要向相关部门报告，同意后才能进行接下来的具体设计。初步设计主要包括材料、线路系统和管道连接等等，在材料方面要根据被输送对象的特质，对使用的材料进行检测，根据压力管道的长度对材料数量进行估计，对于压力管道所涉及的地质情况和地下管道分布进行研究，使管道能够尽量避开其它管道，减少对其它管道的影响，在管道连接处进行设计，保证在使用时不发生泄露。

（2）石油化工管道设计准则。在进行管道设计时不仅要从局部入手，还要针对管道的设计，从整个生产系统出发，做好整体设计。由于管道系统一部分埋藏于地下，要输出大量的石油产品管道，长期承受压力，在进行管道使用材料的选择时，一定要充分考虑材料的强度和柔性，还要具有抗震性能，使其具备抵御天灾人祸的能力。

由于压力管道输送的物品都是危险品，比如石油等易燃易爆品，在设计管道时，一定要对外界环境进行综合考虑，设计相应的安全防范设施，将危害程度降到最低。

管道在长期使用中会发生故障，要避免出现更大的安全事故，在平时就要做好维修和保养工作，及时发现故障，并设置相关的预警设置。

管道设计要做好保温设计，压力管道设计要制定相关的绝热保冷设计规范，设计师也要严格按照这些规范进行设计。在保温设计中重点是保温材料的选择，设计师要熟悉并掌握灵活使用导热技术图表以及相关的工程分流的变化，关注导热系数的变化，要看懂压缩松散材料在其密度下的图标和导热方程，使材料的相关参数数据根据施工现场的实际情况进行设计，通过应用具体的标准，并根据图表和方程确定保温材料。

（3）管道柔性强化措施。要强化石油管道，可以在设计阶段更改管道集合布置方法，添加管道弯头数量，改变弯头实际走向，增设大量点对点管道数量，可以达到提高管道柔性的目的。在设计的位置改变过程中，要确保管道端点位置不发生变化。涉及管道支撑环节中，设计人员可以选用弹簧支吊架有效降低支撑点对于管道垂直位移的限制，但是不能大范围的使用，如果弹簧支吊架的应用范围扩大，就会影响管道本身的稳定性。

在管道设计中比较特殊的部位，设计人员无法通过增加管道长度和弯道数量来达到提高管道柔性的目的，管道直径数值较大，或者业主对于施工工艺要求较为特殊，设计人员可以使用添加膨胀节的方式提高管道柔性。膨胀节价格昂贵，制造过程复杂，成本增加，施工工期延长，所以在设计过程中要尽量避免使用。

（4）注意事项。在实际运行过程中，管道的温度不宜高于零下50℃，或者是不低于100℃。管道温度的设计工作要结合管道实际的取值范围的实际情况，在受到外力强制位移时使管道柔性增加，针对敏感设备和管道的连接处要加以重视，在设计时要加强对管道连接处的科学合理设计。

4 结语

管道应力设计直接关系到石油化工管道的后续使用和安全稳定，管道设计本身存在问题，就会增加所承载的应力，使管道损坏，造成安全隐患甚至发生石油运输事故。设计人员在设计管道时必须重视管道应力，尽量降低管道所承载的应力，提升石油管道的安全运输水平，促进石油化工产业的安全性和稳定性。

参考文献：

[1]周长江.石油化工设计中的管道应力分析[J].山东化工，2017， 46（20）：129-130.

[2]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.