石油化工管道設計應力分析基礎上的柔性設計

趙麗京 （武漢金中石化工程有限公司，湖北 武漢 430000）

在石油化工行業中，管道是石油化工行業的生命線。管道設計對石油化工行業的發展具有重要意義。近年來，發生了多起石油化工廠事故，使石油化工管道的安全性和可靠性在社會上引起了廣泛關注，石油化工管道設計工作的重要性日益突出。管道設計工作是非常復雜的，主要包括四個部分，分別是管道應力分析、管道布置、管道材料設計和設備布置，其中管道應力分析是管道設計的基礎和關鍵。管道應力分析對管道的安全性、可靠性和經濟性具有重要影響。通過應力分析分析，可以為管道做出強度與安全性的評價，為管道的經濟分析提供依據。目前柔性設計在管道設計中得到廣泛應用，在應力分析基礎上的柔性設計成為石油化工管道安全性和可靠性的重要保障。

1 管道應力簡述

在管道設計中，為了方便針對管道的強度破壞進行研究及管道的剛度破壞進行研究，引入應力這一概念。受外界因素的影響，包括溫度、濕度等因素，通常材料會發生變形，材料內部為了抵抗這種變形，內部各部分會相互作用產生內力，這時候在材料截面上，單位面積上產生的內力就是應力。管道的應力主要是由于管道承受內部壓力、外部壓力以及熱膨脹引起的。當管道材料內部產生的應力已經達到最大值，此時仍不能抵抗外部載荷，這樣會使管道的強度遭到破壞。

1.1 管道應力分類

管道往往要受多種外部壓力的共同影響，不僅受熱負荷的影響，也要受機械載荷的影響，此外還要受壓力載荷等的影響。由于管路不同，管道的區域不同，在外部壓力作用下，管道會產生不同性質的應力。管道應力主要包括以下幾類。一類是一次應力。管道在受到沖擊荷載、內壓等作用下會產生剪應力和正應力，這就是一次應力。一次應力與外力相平衡，保持管道不變形。如果為了平衡外力，一次外力超過了極限，管道會發生塑性變形，從而遭到破壞。所以要留有足夠的寬裕度，以保證材料不發生屈服。一類是二次應力。管道受到外界壓力，發生了變形，變形會對材料產生束縛，在這種情況下管道產生的剪應力和正應力就是二次應力。二次應力主要是為協調變形而產生的應力，它不能直接與外力平衡。二次應力具有自限性的特點，只要有發生細小塑性變形就會使二次應力變低。交變的次數會影響二次應力的界定，交變的應力范圍會直接決定二次應力的范圍。一般情況下，管道重復受二次應力，會產生疲勞破壞。三類是峰值應力。所謂峰值應力就是最高值應力，當荷載發生突變，當管道結構發生的突變，這時候局部應力不會迅速集中，從而產生峰值應力。通常在管道的轉彎處、氣孔處和焊接處會產生峰值應力。峰值應力不會引起管道的顯著變形，但會給管道帶來疲勞性裂紋。

1.2 管道應力分析目的

管道應力分析主要是通過解決各種問題來保障管道的安全性和可靠性。像管道的強度問題、管道的震動問題等都需要通過用力分析來解決。同時，管道應力分析可以為管道布置提供科學的依據，為管道安裝提供科學的參考。具體來說管道應力分析目的主要有以下幾點。一是保證管道設計符合安全要求。石油化工管道對安全有更好的要求，根據我國的相關國家規定，主要從三個方面來評判管道的安全性能，分別是密封性、耐腐蝕性和耐壓強度。其中耐壓強度主要是通過通過管道應力分析來實現的。二是保證裝置運行的安全性。石油化工管道通常輸送的是一些易燃易爆的物品，管道布置必須科學合理，保證不會有任何安全隱患在裝置運行中。在布置管道的時候，如果不夠科學，管道就會出現應力問題，帶來安全隱患。

例如當管道的熱應力過大時，會導致管件損壞等問題，影響安全生產。管道布置不合理，在動力設備旁，會發生共振現象，影響整個系統裝置的安全運行。應力分析可以為管道布置提供科學依據。

2 管道柔性設計

近年來，在管道設計中引入了柔性設計的理念，進一步提高了管道設計的水平。管道有一個重要特征，就是它有一定的柔性。柔性是管道的一個重要性能。當溫度變化時，管道會通過自身變形來適應溫度變化，這是管道柔性的一個表現。當設備基礎沉降時，管道會通過自身變形來適應位移的變化，這也是管道柔性的一個表現。當外界發生變化時，管道通過自身變化來保證材料上應力在可控范圍內，從而保證管道的性能。由于溫度變化、內壓變化、荷載變化等，管道會出現不同程度的損壞，主要包括以下幾個方面。一是管道由于應力超過的范圍而產生了破壞。二是管道支架由于推力過大而遭到了破壞。三是管道發生泄漏。四是與管道相連的設備由于管道變形而不能正常運行。管道柔性設計正是要防止這些問題的產生。下面介紹幾種增加管道柔性的措施。一是用彈簧支吊架支撐管道。用彈簧支吊架可以有效的增加管道的柔性。在管道的支撐點，用彈簧支吊架，支撐點就不用受垂直位移的控制。同時彈簧吊架不宜連續使用，會影響管道的穩定性。二是改變管道的幾何布置。在增加管道柔性的時候，這是一種最理想的方法。不管是在二維平面內的管道布置，還是在三維空間內的管道布置，改變管道幾何布置的方法是相同的，一種方法是增加彎頭的數量，一種方法是增加管道的長度。同時在改變管道的幾何布置的時候，要保證管道兩端點固定不變。三是增設膨脹節。雖然改變管道布置是增加管道柔性比較理想的方法，但在一些條件和特殊情況下是不能采用的，比如管道的直徑太大，比如管道的設備工藝有特殊要求，比如受到場地的限制。在這些情況下可以通過增加膨脹節來增加管道的柔性。但是波紋膨脹節一般在管道系統中是比較薄弱的環節，制作工藝非常復雜，而且成本也非常高，所以在管道設計中一般都盡量避免使用。

3 工程實例

某地方有一個大的燒堿項目，年生產能力可達40萬噸。在針對儲罐和離心泵的進出口管道進行檢查的時候發現了問題。對入泵口管道進行受力分析，發現管道的受力和力矩都不符合國家的相關國家標準，存在一定的安全隱患。需要對離心泵的管道進行優化設計。考慮到離心泵氣蝕余量的問題，管道設計必須短而直，在對管道進行柔化設計的時候，不能采用改變管道走向的方法。在該項目中，為了保證生產效率，泵入口管道必須是同軸度的。這樣對管道的進行柔性設計的時候，也不能采用使用彈簧支架的方法。所以，最后采用了增加膨脹節的方法對進行柔性設計。通過上述方法對離心泵管道進行優化后，很好的解決了泵口的受力問題，同時降低了操作難度，消除了管道在運行過程中存在的安全隱患。

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