石油化工壓力管道柔性設計探討

駱 愷

（蓋茨液壓技術（常州）有限公司，江蘇 常州 213022）

壓力管道是石油化工裝置體系中的核心構件，其性能設計的科學性與石油化工企業裝置的高效運行息息相關。若壓力管道在使用過程中，存在柔性不足情況，會導致化工裝置出現位移、管道斷裂、介質泄漏等問題。因此，為提高石油化工企業管道柔性，文章對石油化工壓力管道柔性設計展開研究，以完善壓力管道整體性能。

1 石油化工管道柔性設計相關概述

科技、經濟快速發展中，石油工藝技術水平不斷提高。在此背景下，具有高壓性能的管道被廣泛應用在石油化工企業中，與此同時，管道布置、功能參數要求增多。為避免石油化工裝置在生產過程中，因管道出現熱脹冷縮現象，使得管道銜接處出現泄漏的情況，并且在較大力矩作用下，導致生產設備變形。相關人員需通過管道柔性設計，準確分析管道局部應力，控制管道位移，以預防管道斷裂[1]。

具體來說，柔性是管道的特征之一，管道柔性能夠真實反映管道難易度的概念。石油化工管道在具體運用時，可利用自身變形功能，適應周圍溫度、設備基礎沉降的變化。所以管道柔性是管道在荷載、溫度、壓力作用的情況下，產生位移、外形變化后，可將管道應力控制在設計范圍內的能力。石油化工管道柔性設計的目的，是因為管道使用期間，荷載、內壓及溫度變化，會導致管道出現各類問題。比如管道應力過大、金屬疲勞、支架受力增大時，管道遭到的破壞。或是與管道相連設備在較大推力影響下，導致管道無法正常使用。而通過管道柔性設計，可強化管道系統柔性，使其能夠自動適應各類影響因素，防止管道損壞、運行異常等問題的產生。

2 石油化工壓力管道柔性設計要求

石油化工壓力管道的設計核心，是使管道具有柔性，進而在管道使用中，可有效應對溫度變化、相連設備力矩異常對管道本體造成的損害，避免較大力矩引發的管道內介質泄漏情況。因此，在石油化工壓力管道柔性設計中，管道設計應滿足以下要求：其一，管道承重力。柔性設計中，需綜合分析管道可承載的總重量，以及管道內各組件、隔熱材料、管道內輸送介質的重量。若管道輸送介質為液體，還需通過水壓試驗，判斷石油化工壓力管道對流體的承重力；其二，管道耐受力，壓力管道柔性設計中，相關人員還應增強管道可以承受輕度災害、地震、大風對管道沖擊時，管道對沖擊荷載的承受力[2]。

3 石油化工壓力管道的柔性設計

3.1 分析管道應力

石油壓力管道柔性設計中，分析管道應力是判斷管道柔性設計是否合理的重要依據。相關人員在石油化工管道柔性設計前，應預先分析管道應力，通過對管道一次、二次、三次驗算，獲取管道應力值數。而壓力管道應力分析方法包括經驗法、計算機分析法、公式法等。

3.2 選定管道應力分析方法

管道柔性設計階段，為增加管道柔性，需嚴格控制應力核算次數，靈活選定管道應力分析方法，以提高管道柔性設計效率。設計人員可借助經驗公式，辨別管道詳細分析應力的必要性。對于能夠滿足公式的管道系統，無需進行更為詳細、完整的應力分析。其中，D0 為管道外部直徑，△代表管道總位移，單位為mm，U、L 分別為管段固定點直線距離、展開長度，實際單位為m。但根據石油化工管道設計規范可知連接設備為離心泵的壓力管道，需結合設計要求，擬定柔性設計方案，且經驗公式是對管道柔性的基礎判斷，難以肯定管道的絕對可靠性。對于石油化工企業內汽輪機、加熱爐轉油線等核心壓力管道，仍需在柔性設計中，展開系統的應力分析工作[3]。

3.3 管道應力分析的設計要求

在基于管道應力分析，辨別管道柔性時，還需在應力分析前提下，結合管道作用力，確定管道柔性設計的合理性。具體來說，首先，壓力管道在持續性的內壓、外載共同作用時，所形成的一次應力，需小于管道制造材料所用應力。通常情況下，設計人員分析管道直徑、壁厚參數，選擇管道材料時，會預先考慮內壓產生的應力。為此，壓力管道柔性設計中，僅需按照相關規定，選擇對應規格的管道。而管道持續性的外載包括風、雪荷載與管道自重荷載，其與管道支架、吊架選用相關性較強。其次，管道受設備位移、熱脹冷縮等因素限制后，所形成的二次壓應力，需管道熱膨脹后，材料本身的應力范圍。若二次應力大于材料應力范圍，且管道一次應力低于管道所需應力時，可使用一次應力擴大材料在熱膨脹狀態中，管道的應力范圍。最后，對于連接設備為氣壓機、離心泵的壓力管道，轉動機械力矩、推力應小于石油化工機械制造廠允許值[4]。

3.4 石油化工重要壓力管道柔性設計要點

3.4.1 加熱爐轉油線

加熱爐轉油線作為石油化工企業的重要壓力管道，在柔性設計中，相關人員需重視以下問題。

第一，相關人員在設備布設過程中，應考慮轉油線管道柔性設計問題。例如在鋪設“常減壓”蒸餾設備時，設備結構內的爐子、塔的距離，應確保該區域內支管道可靠近15m，且管道位置與轉油線分管道具有對稱關系，便于壓力管道運輸介質分配的均勻性。在此期間，若塔進料口屬于切稱，應以介質流量均勻分配為核心，若進料口屬于切線進入，可將加熱爐、進料口中心位置對齊，以均衡各分支管道壓力，提高轉油線應力計算的便捷性，為加熱爐轉油線管道柔性設計奠定基礎。

第二，分析轉油線管道應力時，應將加熱爐前的爐管作為管道體系的應力部件，以提高轉油線管道柔性。此種柔性設計方式，多用于圓筒爐，原因在于圓筒爐管道頂部會增設支架，立管下方設有非固定的管套，使管道在爐管熱脹時能夠上下移動，同時不影響連接管道使用。再者，圓筒爐頂部支架在管道柔性設計中，可作為移動范圍在50mm 的承重支架，滿足轉油線管道應力需求。

第三，加熱爐轉油線管道設計中，若線管內本身含有再生系統，其操作方式、管道垂直度、管道位移會產生明顯的差異性，從而使得管道自重、介質重量出現變化。為此，針對該類轉油線管道的應力分析，需根據管道實際操作條件，完成管道柔性設計[5]。比如在加熱爐轉油線管道彈簧支吊架柔性設計中，可在計算正常操作時管道應力后，核算再生系統運行時，管道應力數據。

3.4.2 離心泵管道

在當前時期，石油化工企業中，離心泵運行效率提高后，管道力矩、作用力設計要求明顯增高。與氣壓機連接管道一致，相關人員在分析離心泵管道應力時，應使用經驗公式，查看管道本身應力的合格性。之后可按照管道柔性設計要求，判斷管道與離心泵連接時，其力矩是否處于離心泵應力范圍內，即管道力矩在API－610 規范中石油化工離心泵允許承受力范圍中。而在布置管道走向時，設計人員應減少用彎頭控制管道壓力損失，以保證離心泵進口管道內液體流動的平穩性。另外，由于石油化工離心泵在使用時，多采用一開一備模式。所以在管道柔性設計中，可聯合管道工況展開應力分析工作，進而在應力核算中，求取離心泵在運行狀態時的管道力矩和作用力。在此期間，管道力矩可將“冷態、熱態吊零”作為假設條件。

4 結 語

綜上所述，石油化工企業作為我國經濟體系的重要組成部分，為確保石油化工企業中，各壓力管道使用的可靠性、穩定性。相關人員需重視石油化工壓力管道的柔性設計，通過全面、系統的應力分析，滿足管道柔性設計需求，提高壓力管道柔性。進而在壓力管道實際運用中，預防管道在溫度、外部荷載等因素的影響下，出現斷裂、介質泄漏等問題，為我國石油化工企業安全生產 助力。