石油化工設計中的管道應力分析

周長江

(江蘇省紡織工業設計研究院有限公司，江蘇 南京 210008)

石油化工設計中的管道應力分析

周長江

(江蘇省紡織工業設計研究院有限公司，江蘇 南京 210008)

在石油化工裝置的管道設計中，管道應力分析至關重要。本文介紹了管道應力分類、詳細應力分析管道的確定方法和管道應力分析的主要內容。最后，對管道柔性設計進行了簡單分析。

管道應力；柔性設計；應力分析

在近年來，管道設計技術逐漸為人們所重視，并取得了較大進展，管道應力分析是管道設計的基礎，它研究管道在各種荷載作用下產生的力、力矩和應力，從而作出對于管道安全性的評價，使設計的管道盡可能經濟合理。目前管道應力分析在石油化工行業中的安全生產、優化設計、節約材料等方面起到了顯著的作用，并在各行業的管道設計中占據了重要位置。

1 管道應力分類

管道在內壓、持續外載以及熱脹、冷縮和其它位移等載荷作用下，其最大應力往往超過材料的屈服極限，使材料在工作狀態下發生塑性變形，另外高溫管道的蠕變和應力松弛，也將使管系上的應力狀態發生變化。對于不同種類的應力應當區別對待，根據它可能產生的效應和對于破壞所起的作用不同，給與不同的限定。管道上的應力，一般分析一次應力、二次應力和峰值應力三類[1]。

1.1 一次應力

一次應力是由于外加荷載，如壓力和重力等作用而產生的應力。

一次應力的特點是非自限性，滿足與外加荷載的平衡關系，隨外加荷載的增加而增加，且無自限性，當其值超過材料的屈服極限時，管道將產生塑性變形而破壞。管道承受的介質內壓、自重、介質重量等持續外荷載而產生的應力屬于一次應力。

1.2 二次應力

二次應力是由于管道變形受到約束而產生的應力，它不直接與外力平衡。

二次應力的特點是具有自限性，當管道局部屈服和產生小量變形時應力就能降下來。二次應力過大時，將使管道產生疲勞破壞。在管道中，二次應力一般由熱脹冷縮和端點位移引起。

1.3 峰值應力

峰值應力是管道或附件由于局部結構不連續或局部熱應力效應(包括局部應力集中)附加到一次應力或二次應力的增量。

它的特點是不引起顯著的變形，而且在短距離內從它的根源衰減，它是一種導致疲勞裂紋或脆性破壞的可能原因。管道附件上小半徑圓角處、焊縫未焊透處的應力，均屬于峰值應力。

2 需要進行詳細應力分析管道的確定方法

確定哪些管道需要進行詳細的應力分析，是管道應力分析的重要內容。所有管道都進行應力分析顯然沒有必要。但如果進行詳細應力分析的管道過少，可能漏掉某些重要管道，造成安全隱患。因此恰到好處的確定需要進行詳細應力分析的管道非常有必要。管道是否進行應力分析與管徑、溫度和所連接的設備有關。一般來講，管徑較大、溫度較高以及與重要機器設備相連的管道需要進行詳細的應力分析。由于管內介質的危害程度、配管標準規范的完善程度和配管設計人員的經驗水平也對管道是否需要進行詳細應力分析具有重要影響，因此不同行業、不同工程公司以至于不同設計項目對哪類管道需要進行詳細應力分析也有不同的規定。下面對石油化工管道柔性設計規范(SH/T 3041-2002)中規定做詳細介紹。

2.1 管道柔性設計分析方法

管道柔性設計包括簡化分析方法和計算機分析方法。分析方法應根據管道所連接的設備類型、管道操作溫度和公稱直徑等設計條件確定。

2.2 管道柔性設計中的計算機分析方法[2]

下列管道宜采用計算機分析方法進行柔性設計：操作溫度大于400℃或小于-50℃的管道；進出加熱爐及蒸汽發生器的高溫管道；進出反應器的高溫管道；進出汽輪機的蒸汽管道；進出離心壓縮機、往復式壓縮機的工藝管道；與離心泵連接的管道，可根據設計要求或SH/T 3041-2002中離心泵柔性設計方法的選擇來確定柔性設計方法；設備管口有特殊受力要求的其他管道；利用簡化分析方法分析后，表明需要進一步詳細分析的管道。

2.3 可不進行柔性設計的管道

與運行良好的管道柔性相同或基本相當的管道；和已分析的管道比較，確認有足夠柔性的管道；對具有同一直徑、同一壁厚、無支管、兩端固定、無中間約束并能滿足SH/T 3041-2002公式要求的非極度危害或非高度危害介質的管道。

3 管道應力分析的主要內容

管道應力分析分為靜力分析和動力分析。一個管系對動態載荷和對一同等大小的靜態載荷的響應完全不同，靜態載荷是載荷被緩慢地施加使管道系統有足夠的時間來響應并在系統內部分配，同時使系統保持平衡狀態，在平衡狀態，所有的力和力矩都被消除，并且管子不運動。動態載荷是載荷隨時間快速變化，管系沒有時間在內部分配載荷，于是力和力矩不能消除，導致產生了不平衡載荷，因此管子發生運動，由于力和力矩的總和并非一定等于零，其內部產生的載荷與施加載荷不相等。

3.1 靜力分析[3]通常靜力分析包括：

(1)計算壓力荷載和持續載荷作用下的一次應力，以防止塑性變形破壞。一次應力值不超過管材的許用應力即認為是可靠的。

(2)計算管道熱脹冷縮以及端點附加位移等位移載荷作用下的二次應力，以防止疲勞破壞。二次應力需用熱脹許用應力范圍來判斷， 熱脹許用應力范圍不應大于下式計算所得的數值:

式中：σA——熱脹許用應力范圍；

f——在全部工作年限內，根據管道伸縮的總循環次數確定應力降低系數。

當一次應力小于許用應力值，其剩余部分可加到上式中的 項內，增大熱脹許用應力范圍的數值。

(3)計算管道對設備的作用力，防止作用力太大，保證設備正常運行。設備管嘴受力不應超過制造廠提供的允許值，對離心泵、加熱爐、空冷器等設備管嘴允許受力的最嚴格標準為美國石油學會標準(API)，蒸汽輪機管嘴受力的最嚴格標準為美國電氣制造商協會標準(NEMA SM 23)，計算時可參照執行。

(4)計算管道支吊架受力，為支吊架設計提供依據。

(5)計算管道上的法蘭受力，防止法蘭泄露。據一般經驗，管道上法蘭處的應力(不計內壓產生的管道應力)應控制在70 MPa以下，進一步較為精確的計算可將法蘭所承受的外力和力矩，折合為當量壓力，并與管道的設計壓力相加作為法蘭的設計壓力。

3.2 動力分析

動力分析包括：管道自振頻率分析，防止管道系統共振；管道強迫振動響應分析，控制管道振動及應力；往復式壓縮機(泵)氣(液)柱頻率分析，防止氣柱共振；往復式壓縮機(泵)壓力脈動分析，控制壓力脈動值。

4 管道柔性設計

4.1 管道柔性設計的目的

管道柔性設計的目的是保證管道在設計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、端點附加位移、管道支承設置不當等原因造成下列問題。

(1)管道應力過大引起金屬疲勞和(或)管道推力過大造成支架破壞；

(2)管道連接處泄露；

(3)管道推力或力矩過大，使與其連接的設備產生過大的應力或變形，影響設備正常運行。

4.2 管道柔性設計的方法

管道柔性反映了管道變形的難易程度，表示管道通過自身變形吸收熱脹、冷縮和其它位移變形的能力。通常采用以下三種方法來增加管道柔性，改善管系的受力狀況：改變管道走向，增加管道的自然補償能力。這種補償方式構造簡單、運行可靠、投資少，被廣泛采用；選用補償器。其特點是補償能力大，占地小，但制造較復雜，價格高，適用于低壓大直徑管道。常用的補償器有波形補償器、套管式補償器、球形補償器等；選用彈簧支吊架。

4.3 管道柔性設計時需考慮的問題[4]

在管道柔性設計中，除考慮管道本身的熱脹冷縮外，還應考慮下列管道端點的附加位移。

(1)靜設備熱脹冷縮時對連接管道施加的附加位移；

(2)轉動設備熱脹冷縮在連接管口處產生的附加位移；

(3)加熱爐管對加熱爐進出口管道施加的附加位移；

(4)儲罐等設備基礎沉降在連接管口處產生的附加位移；

(5)不與主管一起分析的支管，應將分支點處主管的位移作為支管端點的附加位移。

5 結論

綜上所述，在整個石油化工裝置中的管道設計中，管道的應力分析對于管道系統的安全運行有著緊密的聯系。清楚哪些管道需要進行詳細應力分析，如何進行管道的詳細應力分析和管道的柔性設計，對管道設計影響顯著。因此，管道應力分析在石油化工的管道設計中有著重要的作用。

[1] 張德姜，王懷義，劉紹葉．石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊[M]．北京：中國石化出版社，2009．

[2] 張德姜，張發有，修長征．全國壓力管道設計審批人員培訓教材[M]．北京：中國石化出版社，2011．

[3] 宋岢岢．壓力管道設計及工程實例[M]．北京：化學工業出版社，2009．

[4] 唐永進．壓力管道應力分析[M]．北京：中國石化出版社，2003．

(本文文獻格式：周長江.石油化工設計中的管道應力分析[J].山東化工，2017，46(20)：129-130.)

PipelineStressAnalysisinPetrochemicalDesign

ZhouChangjiang

(Jiangsu Province Textile Industry Design amp; Research Institute Co., Ltd., Nanjing 210008, China)

In pipeline design of petrochemical plant, pipeline stress analysis was critical. The paper introduced that the classification of pipeline stress, the determination of detailed stress analysis of pipeline and the main contents of the pipeline stress analysis. In the end, the flexibility design of pipeline was analyzed briefly.

pipeline stress；flexibility design；stress analysis

2017-08-17

周長江(1983—)，山東濟寧人，工程師，主要從事化工化纖工藝設計。

TQ055.8+1

A

1008-021X(2017)20-0129-02