石油化工管道設計應力分析基礎上的柔性設計

麻海龍 俆 冬

沈陽中現油氣管道工程有限公司

石油化工管道設計應力分析基礎上的柔性設計

麻海龍 俆 冬

沈陽中現油氣管道工程有限公司

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。在石油化工行業中，管道設計的可靠性和安全性問題在近年表現得日益突出，而管道的應力分析工作則是管道設計安全、經濟、合理的保障和重要方式。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。文章就此進行分析。

石油化工管道設計；應力分析；柔性設計

1.管道應力簡介

為研究并控制管道的強度破壞和剛度破壞，引入應力這一概念。材料由于外因受力、溫差、濕度變化等而產生變形時，在材料內部各部分之間產生相互作用的內力，以抵抗這種外因作用，并力圖使材料從變形后的位置回復到變形前的位置。而在所考察的截面某一點單位面積上的內力，稱為應力。

由此不難看出，管道應力的概念避開了管子及其元件的規格尺寸、壁厚等因素的影響，只要外部荷載使材料產生的應力超出材料本身的強度指標，即可認為管子及其元件將要發生強度破壞。

1.1 管道分類

管道在壓力荷載、機械荷載以及熱負荷等作用下，整個管路或某些區域產生不同性質的應力，因此，管道上的應力，一般可分為以下三類：

一次應力由：于外加荷載的作用而產生的應力如壓力和重力等，其本身與外力平衡。

二次應力：由于變形受到約束所產生的正應力或剪應力如熱膨脹、附加位移、安裝誤差或振動荷載等，其本身不直接與外力相平衡。

峰值應力：由于荷載或結構形狀的局部突變如管道中小的轉彎半徑處、焊縫咬邊處或材料本身夾渣、氣孔處而引起的局部應力集中的最高應力值。

1.2 管道應力分析目的

管道應力分析的目的主要是解決管道的強度、剛度、振動等問題，為管道的布置、安裝、配置提供科學依據。其具體體現以下幾個方面：

保證管道系統設計安全的要求：管道安全性能的總體要求包括耐壓強度、耐腐蝕性和密封性三方面。

保證裝置運行的安全性：管道布置如果不合理，整個裝置運行過程中就會存在安全隱患，并可能產生各種應力問題。如管道在溫度變化時產生的熱應力過大，則會導致下列各種現象的發生設備管口就會被拉壞或頂壞，各管件連接處損壞焊縫連接時會被拉裂，法蘭連接則出現變形導致泄露，管架被推壞，更有嚴重者還會發生燃燒或爆炸。另外，如果是動力設備，當震源的激振與管系固有頻率相同時，則會導致整個裝置系統發生共振，此時損壞的則是設備本身和與其相連的建筑物。

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Φ1020x12，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。

綜上所述，管道的應力分析是從應力角度進行的理論分析，為管道系統所需研究的每一節點人為設定受力情況提供強有力的理論依據。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。所以，在實際的應該過程中，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。

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[2]張冰，聶科研，宮雪.石油化工管道設計的影響因素及注意事項分析[J].黑龍江科技信息，2016，18：34.

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