石油化工管道應力設(shè)計探究

唐建偉 何林杉 姜玲

摘 要：管道是石油化工運輸網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，對石油化工裝置起到連接作用。石油輸送的安全性與管道應力設(shè)計有很大關(guān)系，在管道設(shè)計中，重視管道應力設(shè)計，對石油管道的運輸安全有重要意義，是維護石油化工管道的重點。

關(guān)鍵詞：石油化工;石油管道;應力設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.090

管道應力是指管道在工作中由于受到內(nèi)部壓力、外界環(huán)境和自身重量的影響，與管道端點發(fā)生強制位移的形成的應力。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(chǎn)生安全問題，在管道設(shè)計過程中必須予以重視。

1 管道應力對石油化工管道產(chǎn)生的影響

在管道應用過程中，對管道的安全設(shè)計性能要求主要包括管道的耐壓強度、耐腐蝕性和密封程度，設(shè)計人員要選擇符合標準的設(shè)計材料，有效避免石油和外界環(huán)境對管道的腐蝕。管道布設(shè)不合理，或者管道柔性設(shè)計難以承載應力，就會產(chǎn)生一定的安全隱患。比如熱銷量較大，管道就會出現(xiàn)破損。

（1）管道應力分析的意義。管道設(shè)計過程中的安全性能，要滿足耐壓、耐腐蝕和密封的要求，在設(shè)計過程中選擇符合性能標準的材料進行設(shè)計，降低外部環(huán)境對管道造成的影響[1]。在實際工作過程中要保證整體的科學合理運行，管道設(shè)計一定要符合科學性和合理性，保證管道不會存在各種硬件問題和安全隱患，在外界環(huán)境發(fā)生變化時，管道的熱效率增大，就會導致管道破損，如果管道設(shè)計是為了提供動力，還要考慮到共振問題，盡量降低內(nèi)外部因素對于管道的破壞。

（2）管道應力設(shè)計的必要性。管道路線設(shè)計出來的目的是保證管道不受影響因素的干預而受到破壞，因為外部因素影響使其對連接的機器和設(shè)備等產(chǎn)生一定的作用力，而機器設(shè)備對管道也會產(chǎn)生反作用力，導致雙方受到應力損害，系統(tǒng)的剛度越大，產(chǎn)生的壓力越大，因此對管道進行設(shè)計可以提高管道自身的防御能力。

2 管道應力的分類

根據(jù)實際情況，管道應力可以分為一次應力和二次應力，一次應力主要有壓力和動力以及其他外力產(chǎn)生，最終隨著壓力增加而增加，在達到一定程度范圍的極限，就不會再增加，管道內(nèi)產(chǎn)生無法限制的塑性流動，導致管道被破壞，二次應力是由于內(nèi)部熱脹冷縮等產(chǎn)生的引發(fā)管道內(nèi)部彈塑性能協(xié)調(diào)的不連續(xù)性，導致管道變形[2]。

3 石油化工管道柔性強化設(shè)計

（1）管道設(shè)計的流程和主要內(nèi)容。管道的安全可靠關(guān)系著石油化工的正常生產(chǎn)和使用安全，因此管道設(shè)計必須經(jīng)過相關(guān)部門審批審批合格才能開啟建設(shè)工作。管道設(shè)計的質(zhì)量問題非常關(guān)鍵，要首先進行工業(yè)設(shè)計，在石油化工管道工程立項之前，相關(guān)部門要對其提交的可行性研究報告進行審核，共同審議后才能批準，項目設(shè)計人員要根據(jù)資料數(shù)據(jù)進行初步設(shè)計，并不斷修改，每次修改都要向相關(guān)部門報告，同意后才能進行接下來的具體設(shè)計。初步設(shè)計主要包括材料、線路系統(tǒng)和管道連接等等，在材料方面要根據(jù)被輸送對象的特質(zhì)，對使用的材料進行檢測，根據(jù)壓力管道的長度對材料數(shù)量進行估計，對于壓力管道所涉及的地質(zhì)情況和地下管道分布進行研究，使管道能夠盡量避開其它管道，減少對其它管道的影響，在管道連接處進行設(shè)計，保證在使用時不發(fā)生泄露。

（2）石油化工管道設(shè)計準則。在進行管道設(shè)計時不僅要從局部入手，還要針對管道的設(shè)計，從整個生產(chǎn)系統(tǒng)出發(fā)，做好整體設(shè)計。由于管道系統(tǒng)一部分埋藏于地下，要輸出大量的石油產(chǎn)品管道，長期承受壓力，在進行管道使用材料的選擇時，一定要充分考慮材料的強度和柔性，還要具有抗震性能，使其具備抵御天災人禍的能力。

由于壓力管道輸送的物品都是危險品，比如石油等易燃易爆品，在設(shè)計管道時，一定要對外界環(huán)境進行綜合考慮，設(shè)計相應的安全防范設(shè)施，將危害程度降到最低。

管道在長期使用中會發(fā)生故障，要避免出現(xiàn)更大的安全事故，在平時就要做好維修和保養(yǎng)工作，及時發(fā)現(xiàn)故障，并設(shè)置相關(guān)的預警設(shè)置。

管道設(shè)計要做好保溫設(shè)計，壓力管道設(shè)計要制定相關(guān)的絕熱保冷設(shè)計規(guī)范，設(shè)計師也要嚴格按照這些規(guī)范進行設(shè)計。在保溫設(shè)計中重點是保溫材料的選擇，設(shè)計師要熟悉并掌握靈活使用導熱技術(shù)圖表以及相關(guān)的工程分流的變化，關(guān)注導熱系數(shù)的變化，要看懂壓縮松散材料在其密度下的圖標和導熱方程，使材料的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況進行設(shè)計，通過應用具體的標準，并根據(jù)圖表和方程確定保溫材料。

（3）管道柔性強化措施。要強化石油管道，可以在設(shè)計階段更改管道集合布置方法，添加管道彎頭數(shù)量，改變彎頭實際走向，增設(shè)大量點對點管道數(shù)量，可以達到提高管道柔性的目的。在設(shè)計的位置改變過程中，要確保管道端點位置不發(fā)生變化。涉及管道支撐環(huán)節(jié)中，設(shè)計人員可以選用彈簧支吊架有效降低支撐點對于管道垂直位移的限制，但是不能大范圍的使用，如果彈簧支吊架的應用范圍擴大，就會影響管道本身的穩(wěn)定性。

在管道設(shè)計中比較特殊的部位，設(shè)計人員無法通過增加管道長度和彎道數(shù)量來達到提高管道柔性的目的，管道直徑數(shù)值較大，或者業(yè)主對于施工工藝要求較為特殊，設(shè)計人員可以使用添加膨脹節(jié)的方式提高管道柔性。膨脹節(jié)價格昂貴，制造過程復雜，成本增加，施工工期延長，所以在設(shè)計過程中要盡量避免使用。

（4）注意事項。在實際運行過程中，管道的溫度不宜高于零下50℃，或者是不低于100℃。管道溫度的設(shè)計工作要結(jié)合管道實際的取值范圍的實際情況，在受到外力強制位移時使管道柔性增加，針對敏感設(shè)備和管道的連接處要加以重視，在設(shè)計時要加強對管道連接處的科學合理設(shè)計。

4 結(jié)語

管道應力設(shè)計直接關(guān)系到石油化工管道的后續(xù)使用和安全穩(wěn)定，管道設(shè)計本身存在問題，就會增加所承載的應力，使管道損壞，造成安全隱患甚至發(fā)生石油運輸事故。設(shè)計人員在設(shè)計管道時必須重視管道應力，盡量降低管道所承載的應力，提升石油管道的安全運輸水平，促進石油化工產(chǎn)業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]周長江.石油化工設(shè)計中的管道應力分析[J].山東化工，2017， 46（20）：129-130.

[2]柯先梅，錢勝輝.如何正確分析化工管道設(shè)計中的管道應力[J]. 化工管理，2016（18）：220.