石油化工管道設計的應力分析與柔性設計研究

梁清斌

山東大齊石油化工設計有限公司 山東淄博 255400

1 管道應力

管道應力是指在外力作用下，管道內部為了對抗外力，出現與其相應的內部應力，內部應力和外部力量相互間發生作用，以期將外力作用下引起的管道變形復原到未受力狀態[1]。因此，管道受力而出現變形的位置相對的也會出現內部應力。在運輸石油化工產品實踐中以管道運輸為主，石油化工產品通常存在危險因子，對管道應力要求高，因此需要對其進行分析。

2 石油化工裝置工藝管道設計中存在的問題

2.1 工藝路線設計中的問題

在工藝路線設計過程中，由于設計人員的經驗不足，對設計缺乏全面性的考慮，導致在裝置安裝投入使用后出現很大的安全問題。尤其在選擇材料和介質方面，如果選擇不合理，就會對石油化工裝置造成嚴重的損害，提高安全事故發生的幾率。

2.2 工藝管道設計的安全問題

首先，由于材料和裝置的選擇不合理導致設備發生腐蝕、損傷、密封性能減弱等情況。例如管道設計中如果缺乏安全預警裝置，則在溫度、壓力等變化的情況下，管道容易出現各種損傷情況。可能會引起較大的安全事故。其次，工作人員管道安全檢測工作不到位。在石油化工裝置運行的過程中，如果不能及時對設備和管道進行檢測，很難及時發現設備中存在的安全隱患，這就會使小故障慢慢發展為大事故，給工業企業帶來嚴重的經濟損失。例如閥門密封設施老化或者銜接不緊密導致的管道泄漏等問題，如果能夠提前對老舊設備元件進行更換，就可以避免泄漏事故的發生和發展[2]。

3 管道柔性設計主要方向

3.1 增加自然補償，即增設膨脹節

該方法造價較高，工序復雜，設計人員選擇該方式應慎重考慮。石油化工管道自帶補償作用，能夠避免管道因應力的作用而出現變形，但是，若管道荷載的內部力量或者外部力量過大，就需要增加自然補償。目前，應用較多的且效率較高的自然補償是“π”補償器，當石油化工管道所運輸的介質溫度過高、運輸量較大時，該補償器功能會被制約，難以滿足補償要求，對此，可選擇應用螺紋管補償器。自然補償的安裝流程如下：（1）確定補充類型，結合管道內部傳輸介質溫度以及管道管徑明確補償類型。（2）計算管道膨脹量，可以應用該公式，即膨脹量=膨脹系數×管道長度。（3）明確補償位置，一般而言靠近兩個管道固定位置的中心點即為補償位置。（4）校核管道應力，確保增加自然補償后管道能夠安全穩定運行。

3.2 選擇支吊架固定，即使用彈簧支吊架

該設計原理是指平衡管道自身重力與外部應力，進而避免由于外部應力導致管道出現彎曲問題，但不應使用過多，以防范對管道穩定性產生不利影響。通過計算后，還應當明確支吊架數量，若始于一次應力分析結果，則應當增加其數量，進而降低管道自身承受力；若始于二次應力分析結構，則應當減少其數量，進而避免支吊架對管道產生影響。總之，必須結合管道自身情況合理設計支吊架數量。

4 柔性設計的基本要求

石油化工管道柔性設計的開展，對于設計溫度低于零下50℃或超過100℃，或者存在外部強制位移的運輸管道，要做好柔性分析。如果存在著完全相同的成功應用記錄，那么設計的管道系統可以結合實際情況決定是否進行柔性分析。開展管道柔性分析，要將管系和設備以及支架視為整體。結合管道具體情況，構建柔性分析模型，做好管道相應部件的全面分析，同時分析分支管線上的各類約束等，明確其對管道系統可能會造成的影響，進而做好設計的把控[3]。

5 石油化工裝置工藝管道的合理性設計

5.1 冷換設備管線的合理性設計

冷換設備的設計根據熱交換原理來調節設備的運行溫度和壓力。冷換設備管線與其他裝置的管線存在一定的區別，在設計工藝上相對復雜。首先，冷換設備管線一般采用上出下進的方式來進行設計。這樣如果設備發生故障，可以確保管道中留存一定數量的水，對管道起到一定的保護作用。石油化工裝置的運行環境常常處于高低壓系統交替的情況，對設備的各項性能要求較高。各元部件極易發生損壞，所以對于設備的元部件進行設計時應考慮維修的便利性，將易受損的元部件設計在易于維修的部位。其次，法蘭與管線之間保持安全距離。法蘭與管線之間的距離間隔應控制在30 ～50cm。最后，換熱器的位置設計。換熱器應設置在管道箱體的前端，確保熱力能夠得到有效疏散。

5.2 管道材料與等級的合理性設計

在對石油化工裝置管材進行設計時，要考慮壓力、受力等級等問題，選擇符合系統設計要求的管道材質。當管道與低壓系統連接時，需要與低級閉合管路相連；當管道與高壓系統連接時，需要與高級閉合管路相連。這時就會出現不同的管道設計需求。首先，當管道的材料相同，受力等級不同時，管道材料應選用高壓材質。其次，當承受的壓力相同，管道材料不同時，可以選用質地低一點的法蘭和墊片，但螺栓與閥門的材質要選用高質地的。這樣可以在控制設計成本的同時，還能確保系統的使用性能。當上述情況都不一致時，材質和等級都需要選擇質地、等級較高的材料。這樣才能確保選用的管道材料與運行環境的壓力等級相符。

6 結語

在石油化工管道設計和建設過程中，做好應力分析和柔性設計，對保證管道使用的安全性有著重要的意義。管道應力分析對化工設備安全性有重要影響，其應力是否符合標準直接影響管道使用期間的安全性、可靠性。而管道柔性對其應力又會產生一定的作用，對此，作為設計人員，必須探索實踐提高管道柔性，滿足管道應力要求的方式方法。