石油化工压力管道柔性设计探讨

骆 恺

（盖茨液压技术（常州）有限公司，江苏 常州 213022）

压力管道是石油化工装置体系中的核心构件，其性能设计的科学性与石油化工企业装置的高效运行息息相关。若压力管道在使用过程中，存在柔性不足情况，会导致化工装置出现位移、管道断裂、介质泄漏等问题。因此，为提高石油化工企业管道柔性，文章对石油化工压力管道柔性设计展开研究，以完善压力管道整体性能。

1 石油化工管道柔性设计相关概述

科技、经济快速发展中，石油工艺技术水平不断提高。在此背景下，具有高压性能的管道被广泛应用在石油化工企业中，与此同时，管道布置、功能参数要求增多。为避免石油化工装置在生产过程中，因管道出现热胀冷缩现象，使得管道衔接处出现泄漏的情况，并且在较大力矩作用下，导致生产设备变形。相关人员需通过管道柔性设计，准确分析管道局部应力，控制管道位移，以预防管道断裂[1]。

具体来说，柔性是管道的特征之一，管道柔性能够真实反映管道难易度的概念。石油化工管道在具体运用时，可利用自身变形功能，适应周围温度、设备基础沉降的变化。所以管道柔性是管道在荷载、温度、压力作用的情况下，产生位移、外形变化后，可将管道应力控制在设计范围内的能力。石油化工管道柔性设计的目的，是因为管道使用期间，荷载、内压及温度变化，会导致管道出现各类问题。比如管道应力过大、金属疲劳、支架受力增大时，管道遭到的破坏。或是与管道相连设备在较大推力影响下，导致管道无法正常使用。而通过管道柔性设计，可强化管道系统柔性，使其能够自动适应各类影响因素，防止管道损坏、运行异常等问题的产生。

2 石油化工压力管道柔性设计要求

石油化工压力管道的设计核心，是使管道具有柔性，进而在管道使用中，可有效应对温度变化、相连设备力矩异常对管道本体造成的损害，避免较大力矩引发的管道内介质泄漏情况。因此，在石油化工压力管道柔性设计中，管道设计应满足以下要求：其一，管道承重力。柔性设计中，需综合分析管道可承载的总重量，以及管道内各组件、隔热材料、管道内输送介质的重量。若管道输送介质为液体，还需通过水压试验，判断石油化工压力管道对流体的承重力；其二，管道耐受力，压力管道柔性设计中，相关人员还应增强管道可以承受轻度灾害、地震、大风对管道冲击时，管道对冲击荷载的承受力[2]。

3 石油化工压力管道的柔性设计

3.1 分析管道应力

石油压力管道柔性设计中，分析管道应力是判断管道柔性设计是否合理的重要依据。相关人员在石油化工管道柔性设计前，应预先分析管道应力，通过对管道一次、二次、三次验算，获取管道应力值数。而压力管道应力分析方法包括经验法、计算机分析法、公式法等。

3.2 选定管道应力分析方法

管道柔性设计阶段，为增加管道柔性，需严格控制应力核算次数，灵活选定管道应力分析方法，以提高管道柔性设计效率。设计人员可借助经验公式，辨别管道详细分析应力的必要性。对于能够满足公式的管道系统，无需进行更为详细、完整的应力分析。其中，D0 为管道外部直径，△代表管道总位移，单位为mm，U、L 分别为管段固定点直线距离、展开长度，实际单位为m。但根据石油化工管道设计规范可知连接设备为离心泵的压力管道，需结合设计要求，拟定柔性设计方案，且经验公式是对管道柔性的基础判断，难以肯定管道的绝对可靠性。对于石油化工企业内汽轮机、加热炉转油线等核心压力管道，仍需在柔性设计中，展开系统的应力分析工作[3]。

3.3 管道应力分析的设计要求

在基于管道应力分析，辨别管道柔性时，还需在应力分析前提下，结合管道作用力，确定管道柔性设计的合理性。具体来说，首先，压力管道在持续性的内压、外载共同作用时，所形成的一次应力，需小于管道制造材料所用应力。通常情况下，设计人员分析管道直径、壁厚参数，选择管道材料时，会预先考虑内压产生的应力。为此，压力管道柔性设计中，仅需按照相关规定，选择对应规格的管道。而管道持续性的外载包括风、雪荷载与管道自重荷载，其与管道支架、吊架选用相关性较强。其次，管道受设备位移、热胀冷缩等因素限制后，所形成的二次压应力，需管道热膨胀后，材料本身的应力范围。若二次应力大于材料应力范围，且管道一次应力低于管道所需应力时，可使用一次应力扩大材料在热膨胀状态中，管道的应力范围。最后，对于连接设备为气压机、离心泵的压力管道，转动机械力矩、推力应小于石油化工机械制造厂允许值[4]。

3.4 石油化工重要压力管道柔性设计要点

3.4.1 加热炉转油线

加热炉转油线作为石油化工企业的重要压力管道，在柔性设计中，相关人员需重视以下问题。

第一，相关人员在设备布设过程中，应考虑转油线管道柔性设计问题。例如在铺设“常减压”蒸馏设备时，设备结构内的炉子、塔的距离，应确保该区域内支管道可靠近15m，且管道位置与转油线分管道具有对称关系，便于压力管道运输介质分配的均匀性。在此期间，若塔进料口属于切称，应以介质流量均匀分配为核心，若进料口属于切线进入，可将加热炉、进料口中心位置对齐，以均衡各分支管道压力，提高转油线应力计算的便捷性，为加热炉转油线管道柔性设计奠定基础。

第二，分析转油线管道应力时，应将加热炉前的炉管作为管道体系的应力部件，以提高转油线管道柔性。此种柔性设计方式，多用于圆筒炉，原因在于圆筒炉管道顶部会增设支架，立管下方设有非固定的管套，使管道在炉管热胀时能够上下移动，同时不影响连接管道使用。再者，圆筒炉顶部支架在管道柔性设计中，可作为移动范围在50mm 的承重支架，满足转油线管道应力需求。

第三，加热炉转油线管道设计中，若线管内本身含有再生系统，其操作方式、管道垂直度、管道位移会产生明显的差异性，从而使得管道自重、介质重量出现变化。为此，针对该类转油线管道的应力分析，需根据管道实际操作条件，完成管道柔性设计[5]。比如在加热炉转油线管道弹簧支吊架柔性设计中，可在计算正常操作时管道应力后，核算再生系统运行时，管道应力数据。

3.4.2 离心泵管道

在当前时期，石油化工企业中，离心泵运行效率提高后，管道力矩、作用力设计要求明显增高。与气压机连接管道一致，相关人员在分析离心泵管道应力时，应使用经验公式，查看管道本身应力的合格性。之后可按照管道柔性设计要求，判断管道与离心泵连接时，其力矩是否处于离心泵应力范围内，即管道力矩在API－610 规范中石油化工离心泵允许承受力范围中。而在布置管道走向时，设计人员应减少用弯头控制管道压力损失，以保证离心泵进口管道内液体流动的平稳性。另外，由于石油化工离心泵在使用时，多采用一开一备模式。所以在管道柔性设计中，可联合管道工况展开应力分析工作，进而在应力核算中，求取离心泵在运行状态时的管道力矩和作用力。在此期间，管道力矩可将“冷态、热态吊零”作为假设条件。

4 结 语

综上所述，石油化工企业作为我国经济体系的重要组成部分，为确保石油化工企业中，各压力管道使用的可靠性、稳定性。相关人员需重视石油化工压力管道的柔性设计，通过全面、系统的应力分析，满足管道柔性设计需求，提高压力管道柔性。进而在压力管道实际运用中，预防管道在温度、外部荷载等因素的影响下，出现断裂、介质泄漏等问题，为我国石油化工企业安全生产 助力。