石油化工管道設計應力分析基礎上的柔性設計

錢勝輝，柯先梅（洛陽瑞銘石化技術有限公司，河南洛陽 471003）

石油化工管道設計應力分析基礎上的柔性設計

錢勝輝，柯先梅
（洛陽瑞銘石化技術有限公司，河南洛陽 471003）

近年來，多起石油化工事故的發生引起了廣泛關注，對于石油化工的安全性也受到管理層的重視。石油化工安全基礎在于化工管道，管道是石油化工裝置中不可缺少的組成部分，它連接著各種設備和相關的系統設施，保障著各類流體安全輸送。針對石油化工設計中的管道設計在應力分析及管道的柔性設計，為管道的經濟分析提供依據。

石油化工；應力分析；柔性設計

管道在石油化工行業起著舉重若輕的作用，它是化工行業的生命線，沒有管道的建造和設計，石油運輸根本不現實。而常見的石油化工管道設計工作非常復雜，本文通過從應力分析及管道的柔性設計，為石油化工管道的安全性和可靠性提供保障。

1　管道應力分析簡介

管道應力分析，實際上是指對管道進行包括應力計算在的力學分析，并使分析結果滿足標準規范的要求，從而保證管道自身和與其相連接的機器設備以及土建結構的安全。

1.1管道應力分類

管道應力是指管系在受管內介質的壓力、溫度、重力和外部影響如管道外保溫、風雪地震等自然條件以及管道端點所受的強制位移等載荷作用下產生的應力。不同類型的載荷對管道產生不同類型的破壞，我們將這些不同載荷作用下產生的應力分為兩類：一次應力和二次應力。

一次應力：由于壓力、重力和其他外力載荷的作用所產生的應力。它是外部載荷的實際承擔者，隨外力的增加而增加，當管道內的塑性區擴展達到極限狀態，即使外力載荷不再增加，管道仍將產生不可限制的塑性流動，直至破壞。

二次應力：由于熱脹、冷縮、端點位移等位移載荷的作用所產生的應力。它是為了滿足管系變形協調條件所產生的應力，只要彈塑性總變形量能協調管系中的不連續性，塑性流動就自動停止，變形不再繼續增大。

1.2管道應力分析的意義和目的

通常管道應力分析分為靜力分析和動力分析，本文不討論動力分析內容，靜力分析的任務：

（1）使管道中的應力，滿足標準規范的要求，保證管道自身的安全；

（2）使管道對與其相連接的機器、設備的作用力，滿足標準規范的要求，保證機器、設備的安全；

（3）計算管道對支吊架和土建結構的作用力，為支吊架和土建結構的設計提供依據，保證支吊架和土建結構的安全；

（4）計算管道位移，防止位移過大造成支架脫落或管道碰撞，并為彈簧支吊架的選用提供依據。

1.2.1從安全角度要求管道設計

在實際生活中，管道設計的安全性能要求分為：耐壓強度、耐腐蝕性和密封性三方面。在強度和耐腐蝕性方面，運用符合標準的設計材料，防止管道中的石油因為環境問題而使管道出現問題。另一方面，要保證裝置的正常合理運行。管道布置如果不合理，整個裝置運行過程中就會存在安全罹患，產生各類應力問題。比如在外界溫度變化時產生的熱效力過大，可能會導致管口破損，管架被推壞等后果。如果本身是動力設備，就要考慮到不能讓震源的振動頻率與管道固有的固體頻率相等以防產生共振現象，破壞管道。

2　管道柔性設計概述

2.1施行管道柔性設計的必要性

管道在熱脹冷縮時，將對其相連接的機器、設備和土建結構產生作用力，反之機器、設備和土建結構也將對管道產生反作用力，并在管道中引起應力。當管道系統剛度較大時，推力和應力也較大，并可能導致管道和土建結構的破壞以及影響到機器、設備的正常運行。因此管道應有足夠的柔性。

2.2增加管道柔性的措施

為解決上述的四大問題，在工程中增加管道柔性一般采取以下措施：

（1）改變管道的幾何布置。與傳統管道相連相比，增加了管道的彎頭數量和管道的走向，通過設置數量更多的點對點管道數量，增加管道的柔性。不管是在二維平面還是三維空間內，在改變幾何布置的時候，保證管道兩端點固定不變。

（2）在管道支撐時選擇彈簧支吊架。利用彈簧支吊架，可以適當釋放支承點對垂直位移的約束，但不能使用太多，若連續使用可能影響管道的穩定性。

（3）增設膨脹節。在一些特殊情況下，增加管道長度和彎道數量不可行，比如管道直徑太大或對工藝要求較為特殊，此時采用增加膨脹節的方法增加管道柔性。但由于其造價昂貴，制造工序復雜，在實際情況中應避免使用。

2.3管道柔性設計的一般要求

管道設計應該使管道具有必要的柔性，來滿足以下要求：①管道應力在標準規定的允許值內，即二次應力滿足要求；②管道對相接設備的力與力矩在設備供應商的允許范圍內，不至于使管道相接的機器、設備產生過大的應力或變形；③管道對法蘭的力與力矩應不會導致介質泄漏；④管道推力或力矩不會引起管道支吊架的破壞。

2.4管道柔性設計時考慮范圍和報告要求

在實際管道柔性設計規定中，還要考慮到：①管道溫度應小于等于-50℃，或大于等于100℃；②考慮柔性管道的直徑范圍，據此來設計溫度和管道布置，并視具體情況來確定；③存在外加強迫位移的管道應考慮柔性設計；④對于敏感設備相連接的管道如離心泵，汽輪機等設備。

對石油化工管道設計的多角度應力分析完畢之后，需要依據應力分析的基礎制作出關于柔性設計的相關方案，具體部分應包括如下內容：①管道最大應力所在位置和數值，對應允許值以及二者的百分比值；②支承點、彎頭、管口等關鍵部位在冷、熱態下的位移；③支承在冷、熱態下所承受的荷載；④計算確定的彈簧支承數據表，其中應含支承點位移及荷載。

3　工程實例分析

某120萬t/a重油催化裂化項目，煙氣輪機（以下簡稱煙機）進口管道，介質條件：溫度650℃，壓力0.35MPa，管徑Φ1 020×12，材質06Cr19Ni10。管道自三旋出口EL+25000下至EL+7000m，后水平向前約12m進入煙機。此管道管徑大、溫度高且煙機管咀受力允許值較小，采用常規設計自然補償不可能滿足要求。為此我們在立管上布置了2個鉸鏈型膨脹節在水平管上又布置了1個鉸鏈型膨脹節，自上而下為膨脹節A，B，C構成平面內三鉸鏈型膨脹節系統，豎直管段的熱膨脹將由B和C兩個膨脹節的動作來吸收，水平管段的熱膨脹由A和B 兩個膨脹節來吸收。并且在管口的位置設置了彈簧吊架，進一步降低垂直方向的受力，最終使煙機入口管咀的受力值降到了可被接受的程度。

4　結束語

在管道自身的應力滿足標準規范的要求時，因為管道柔性不足而導致法蘭泄漏、管道對設備管咀的推力（矩）不滿足設備供應商的要求，或者管道對結構梁的推力過大等，進而產生安全隱患，甚至使管道或者設備在運行中造成嚴重事故等。因此還必須充分考慮高溫、大管徑以及與敏感設備相邊的管道的柔性。

[1] 趙麗京.石油化工管道設計應力分析基礎上的柔性設計[J].化工管理，2015，（26）：55-56.

[2] 崔廣東.石油化工管道設計的應力分析與柔性設計[J].中國石油和化工標準與質量，2013，（16）：45-46.

[3] 李曉亮.化工裝置中安全閥工藝設計及附屬管道應力分析[D].大連理工大學，2014.

[4] 唐永進.壓力管道應力分析 第二版[M].中國石化出版，2009.

Petrochemical Pipeline Design Based on Stress Analysis of Flexible Design

Qian Sheng-hui，Ke Xian-mei

In recent years，oil and chemical accidents more than aroused widespread concern for the safety of petrochemicals has also been management's attention.Petrochemical security infrastructure that chemical pipelines，pipes are petrochemical installations indispensable part of it is connected to various devices and systems related facilities to ensure the safe transport of various types of fluid. Design for petrochemical piping design and pipe stress analysis in a flexible design，provide the basis for economic analysis pipeline.

petrochemical；stress analysis；flexible design

TE973.1

A

1003-6490（2016）03-0024-02

2016-02-10

錢勝輝（1985—），男，河南洛陽人，助理工程師，主要研究方向為石油化工管道設計和管道應力分析。