石油化工管道设计的应力分析与柔性设计研究

梁清斌

山东大齐石油化工设计有限公司 山东淄博 255400

1 管道应力

管道应力是指在外力作用下，管道内部为了对抗外力，出现与其相应的内部应力，内部应力和外部力量相互间发生作用，以期将外力作用下引起的管道变形复原到未受力状态[1]。因此，管道受力而出现变形的位置相对的也会出现内部应力。在运输石油化工产品实践中以管道运输为主，石油化工产品通常存在危险因子，对管道应力要求高，因此需要对其进行分析。

2 石油化工装置工艺管道设计中存在的问题

2.1 工艺路线设计中的问题

在工艺路线设计过程中，由于设计人员的经验不足，对设计缺乏全面性的考虑，导致在装置安装投入使用后出现很大的安全问题。尤其在选择材料和介质方面，如果选择不合理，就会对石油化工装置造成严重的损害，提高安全事故发生的几率。

2.2 工艺管道设计的安全问题

首先，由于材料和装置的选择不合理导致设备发生腐蚀、损伤、密封性能减弱等情况。例如管道设计中如果缺乏安全预警装置，则在温度、压力等变化的情况下，管道容易出现各种损伤情况。可能会引起较大的安全事故。其次，工作人员管道安全检测工作不到位。在石油化工装置运行的过程中，如果不能及时对设备和管道进行检测，很难及时发现设备中存在的安全隐患，这就会使小故障慢慢发展为大事故，给工业企业带来严重的经济损失。例如阀门密封设施老化或者衔接不紧密导致的管道泄漏等问题，如果能够提前对老旧设备元件进行更换，就可以避免泄漏事故的发生和发展[2]。

3 管道柔性设计主要方向

3.1 增加自然补偿，即增设膨胀节

该方法造价较高，工序复杂，设计人员选择该方式应慎重考虑。石油化工管道自带补偿作用，能够避免管道因应力的作用而出现变形，但是，若管道荷载的内部力量或者外部力量过大，就需要增加自然补偿。目前，应用较多的且效率较高的自然补偿是“π”补偿器，当石油化工管道所运输的介质温度过高、运输量较大时，该补偿器功能会被制约，难以满足补偿要求，对此，可选择应用螺纹管补偿器。自然补偿的安装流程如下：（1）确定补充类型，结合管道内部传输介质温度以及管道管径明确补偿类型。（2）计算管道膨胀量，可以应用该公式，即膨胀量=膨胀系数×管道长度。（3）明确补偿位置，一般而言靠近两个管道固定位置的中心点即为补偿位置。（4）校核管道应力，确保增加自然补偿后管道能够安全稳定运行。

3.2 选择支吊架固定，即使用弹簧支吊架

该设计原理是指平衡管道自身重力与外部应力，进而避免由于外部应力导致管道出现弯曲问题，但不应使用过多，以防范对管道稳定性产生不利影响。通过计算后，还应当明确支吊架数量，若始于一次应力分析结果，则应当增加其数量，进而降低管道自身承受力；若始于二次应力分析结构，则应当减少其数量，进而避免支吊架对管道产生影响。总之，必须结合管道自身情况合理设计支吊架数量。

4 柔性设计的基本要求

石油化工管道柔性设计的开展，对于设计温度低于零下50℃或超过100℃，或者存在外部强制位移的运输管道，要做好柔性分析。如果存在着完全相同的成功应用记录，那么设计的管道系统可以结合实际情况决定是否进行柔性分析。开展管道柔性分析，要将管系和设备以及支架视为整体。结合管道具体情况，构建柔性分析模型，做好管道相应部件的全面分析，同时分析分支管线上的各类约束等，明确其对管道系统可能会造成的影响，进而做好设计的把控[3]。

5 石油化工装置工艺管道的合理性设计

5.1 冷换设备管线的合理性设计

冷换设备的设计根据热交换原理来调节设备的运行温度和压力。冷换设备管线与其他装置的管线存在一定的区别，在设计工艺上相对复杂。首先，冷换设备管线一般采用上出下进的方式来进行设计。这样如果设备发生故障，可以确保管道中留存一定数量的水，对管道起到一定的保护作用。石油化工装置的运行环境常常处于高低压系统交替的情况，对设备的各项性能要求较高。各元部件极易发生损坏，所以对于设备的元部件进行设计时应考虑维修的便利性，将易受损的元部件设计在易于维修的部位。其次，法兰与管线之间保持安全距离。法兰与管线之间的距离间隔应控制在30 ～50cm。最后，换热器的位置设计。换热器应设置在管道箱体的前端，确保热力能够得到有效疏散。

5.2 管道材料与等级的合理性设计

在对石油化工装置管材进行设计时，要考虑压力、受力等级等问题，选择符合系统设计要求的管道材质。当管道与低压系统连接时，需要与低级闭合管路相连；当管道与高压系统连接时，需要与高级闭合管路相连。这时就会出现不同的管道设计需求。首先，当管道的材料相同，受力等级不同时，管道材料应选用高压材质。其次，当承受的压力相同，管道材料不同时，可以选用质地低一点的法兰和垫片，但螺栓与阀门的材质要选用高质地的。这样可以在控制设计成本的同时，还能确保系统的使用性能。当上述情况都不一致时，材质和等级都需要选择质地、等级较高的材料。这样才能确保选用的管道材料与运行环境的压力等级相符。

6 结语

在石油化工管道设计和建设过程中，做好应力分析和柔性设计，对保证管道使用的安全性有着重要的意义。管道应力分析对化工设备安全性有重要影响，其应力是否符合标准直接影响管道使用期间的安全性、可靠性。而管道柔性对其应力又会产生一定的作用，对此，作为设计人员，必须探索实践提高管道柔性，满足管道应力要求的方式方法。