石油化工管道應力設計探究

黃春華

摘要：管道應力是指管道在工作中由于受到內部介質壓力、外界環境載荷及自身重量的影響，與管道端點發生強制位移而形成的應力。管道承受的應力不同，管道自身所受的損害也不同。管道應力容易使管道產生安全問題，在管道設計過程中必須予以重視。

關鍵詞：石油化工；管道應力；設計

1石油化工管道應力分析價值簡介

對石油化工管道進行應力分析的意義在于通過發現管道全線的異常應力狀況、判斷管道的安全與否，因此，類似于化工管道這種對于強度、剛度以及柔性都具有一定要求的設備必須通過應力分析的方式保障其安全。在另一方面，通過應力分析，還可以為管道建設初期管道的布置狀況提供有效建議，為管道及附屬設備的安全提供指導。具體來說，對化工管道進行應力分析的價值主要體現在以下兩個方面：

（1）確保管道始終處于安全狀況。管道是石油化工企業十分重要組成部分，因此，保障管道的安全是企業順利生產的前提，在管道安全判斷方面，我國已發布相應的要求，要求指出，管道的密封程度、抗腐蝕能力以及抗壓強度是判斷管道安全的關鍵，在這三方面中，抗壓強度需要通過應力分析的方式進行判斷。

（2）確保管道附屬管件始終處于安全狀況。眾所周知，裝置管道周圍部署有大量的附屬管件，例如閥門、三通、彎頭、法蘭等等，由于化工管道內的介質很多都是有毒、易燃易爆的，如果附屬管件出現泄露現象，會導致安全事故的發生。例如，當管道內介質的溫度過高時，受熱脹冷縮的作用，其附屬管件承受的壓力高于其設計壓力將會出現損壞狀況，從而造成化工氣體泄漏，通過應力分析的方式可以為附屬管件的布置及安全提供保障。

2石油化工管道設計中的應力分析

（1）管道應力的形式。一次應力是管道受到重力、壓力及其他外部荷載而產生的應力。一次應力會平衡這些外部荷載，其大小并與外部荷載成正相關。沒有自限性是一次應力的主要特征之一，即當管道受力達到屈服極限，即使不再增加外部荷載，管道它仍繼續發生明顯的塑性變形，直至發生破壞。二次應力由管道變形受到約束而產生，起因為管道溫度變化造成的形變以及端點位移引起。與一次應力不同，二次應力具有自限性，當局部變形就可以使管道維持協調狀態，管道將不再繼續發生形變。

（2）應力分析的分類。應力分析分為靜態和動態兩種形式。靜態分析的對象主要為管道受到的靜態荷載，即管道自身重力、管道溫度變化引起的形變等不隨時間發生變化的載荷。而動態分析的對象通常包括管道由動態設備、兩相流、地震引起的振動等。

（3）應力分析的目的。本文以靜態分析為主，旨在分析管內流體相對穩定狀態下的管道應力狀態，通過優化是管道、設備及支架受力滿足設計要求，符合相關標準和規范，保證管道、設備及結構安全。通過模擬，分析并優化各種工況下的應力狀態，使得管道及管件滿足其許用應力，法蘭墊片符合其溫壓曲線，設備管口滿足其需用載荷，保證管道與設備的安全。同時，應力分析為管道相關的結構向相關專業提供相應的數據，相互協作并優化設計，以保證結構的安全性。其次對管道位移進行分析，防止由于位移過大導致的管托滑脫和管道碰撞，并對彈簧支吊架的選擇和使用提供相應的參考依據。其次，還應考慮注意動設備，應有效地設置彈簧支吊架、固定支架、軟連接等以減少其振動造成的影響，并通過優化支架，管道走向等避開管道共振頻率。最后在具體工作中根據實際情況，還應注意地震、風荷載、雪荷載等偶然載荷的影響，保證生產安全。

3石油化工管道柔性強化設計

3.1增加自然補償

管道自身具有一定的補償作用，補償作用能有效防止管道產生變形，當管道所受內外力較大時，則需要增設自然補償。目前，最常見、最高效的自然補償為“π”型補償，但是如果化工管道內輸送介質的溫度相對較高，且輸量較大，該種補償器的使用會受到一定的限制。自然補償的具體安裝步驟為：選擇補償類型，補償類型的選擇需要根據管道內介質的溫度及管道管徑決定；對管道的膨脹量進行計算，管道膨脹量的計算公式為：膨脹量=膨脹系數×管長；確定補償位置，補償位置應盡可能靠近兩個管道固定點的中心位置；對管道應力進行校核，確保增加固定點后管道可以始終處于安全狀態。

3.2選擇支吊架固定

支吊架的主要作用是對管道的自身重量和外界應力進行平衡，從而防止管道出現過度彎曲問題，在增加支吊架時，首先應對管道自身能承受的彎曲應力進行計算。

在支吊架數量確定方面，如果從一次應力分析結果出發，則其數量就需要增加，從而使得管道自身承受的應力降低；如果從二次應力分析結果出發，則其數量就需要減少，從而防止支吊架自身對管道產生約束作用。綜合來說，支吊架的數量必須根據所有類型應力的分析結果進行確定。

3.3改變管道走向

通過改變管道自身走向是進行柔性設計最為間接的方法，這主要是因為在管道兩端受到約束的作用下，改變管道的走向，可能會使得管道的長度增加，同時管道彎頭的數量也會得到不同程度的降低，從而使得管道的柔性增加。最有利于管道安全的走向為L型走向，這種類型的走向僅在兩端管道之間產生了一個彎頭，同時還可以保證兩節管道始終處于最長狀態。當采用該種方法進行柔性設計時，首先必須保證化工單位內擁有充足的空間。

3.4汽輪機與氣壓機的進出口連接管道

（1）汽輪機和氣壓機都屬于高速轉動設備，在其制造結構方面，既要預留機器的膨脹裕度，又要保持轉動部件的余隙緊湊，如果管道對其產生的力和力矩太大，將使設備的形變和局部的壓力增大，轉子和定子之間的摩擦和振動增加。因此，在布置管道時，不僅要滿足管道本身的應力設計要求，還要滿足機器進出口嘴子的允許受力要求。

（2）管道的走向布置，應盡可能適應機器進出口嘴子的位移方向。固定支架的位置應設在比較靠近機器進出口嘴子的地方，即在滿足機器嘴子允許受力要求下應盡可能縮短。

（3）在管道設計時，除管道滿足應力要求外，汽輪機或氣壓機嘴子連接管道對于嘴子的作用力和力矩也有嚴格的限制。按照美國標準NEMASM23和API617的規定，不僅要滿足進口或出口嘴子本身的受力允許值要求，還要滿足進口和出口轉移到出口或進口中心線綜合的合力和合成力矩的允許值要求。在布置管道時，往往是比較容易滿足前者，而后者較難滿足，這不僅要求管道布置結構合理，支架適當，還應要求在設備布置時給予注意。

（4）支吊架設計要點：（1）汽輪機和氣壓機進出口嘴子附近第一個支架應盡可能靠近進出口嘴子。若進出口嘴子向下，則應在嘴子中心線的正下方設彈簧支架；（2）在計算支架的荷重時，應使支架承擔進出口管道的全部荷重。這樣做可以減小機器嘴子的垂直方向的受力；（3）為了防止過大的側向位移和減少振動的影響，可在管道上設置一些導向支架。總之，對汽輪機與氣壓機進出口連接管道的支吊架，除了承受管道荷重之外還應考慮減少嘴子的受力問題。

綜上所述，在應力分析過程中，對管道柔性進行強化，優化管道系統。在滿足工藝要求的前提下，平衡管道系統各組成部分的受力，防止管道本身的破壞、失穩和法蘭泄漏，減小設備接口和支撐結構的受力，從而避免由這些問題引起的安全問題。進而保證安全穩定的生產。

參考文獻

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[3]劉俞瀚.石油化工管道設計中基于應力分析的柔性設計[J].石化技術，（01）：316.

（作者單位：茂名市潤興化工工程有限公司）