石油化工管道應力設計

李佳南

摘要：管道設計工作是非常復雜的，主要包括四個部分，分別是管道應力分析、管道布置、管道材料設計和設備布置，其中管道應力分析是管道設計的基礎和關鍵。管道應力分析對管道的安全性、可靠性和經濟性具有重要影響。通過應力分析分析，可以為管道做出強度與安全性的評價，為管道的經濟分析提供依據。

關鍵詞：石油化工，管道設計，應力分析

引言

石油化工管道是針對石油化工材料運輸的最常用的部分，它在工廠內的作用一方面可以進行石油化工類原料的運輸，另一方面也可以將相應的設備與系統進行連接。因此，石油化工管道是工廠內部一個非常常見但又非常重要的部分，所以在進行石油化工管道設計的過程中，設計師應當對于石油化工外管設計及應力情況進行分析，從而保證石油化工管道的安全性與穩定性，保證工廠的運轉效率的同時，也針對工人的安全進行了保障。

一、石油化工的管道設計

（一）管廊的寬度

在進行石油化工管道設計的過程中，首先要針對管廊進行設計。關于石油化工管廊的寬度，主要由管道的具體數量、管道的具體口徑以及儀表槽架的具體大小等多種因素來確定，并且在進行管廊設計的過程中，為了保證后期出現問題可以進行檢修會更換原件，因此需要在進行廊道設計的過程中留出一定的寬度。

（二）管廊的高度

在進行管廊設計的過程中，除了要進行寬度的設計以外，還需要針對管廊的高度進行設計。管廊的高度需要以換熱器、各種泵類等設備進行檢修時所需要的高度空間來確定，當管廊橫跨道路時，還需要根據車輛通行所需要的的高度來確定具體的管廊高度。

（三）管廊管道的布置原則

在進行管廊管道布置的過程中，有一些原則需要注意，才能夠保證石油化工外管的設計合理，例如，在進行管道布置時，應當將重量較大或口徑較大的管道靠近管廊柱子附近布置，重量較小的小口徑管道則可以放置在管架的中間，以避免管架垮塌或出現彎折;在布置液化烴類管道以及低溫管道時，應當使其遠離熱管道，為了保證后期檢修方便，因此管道的法蘭及閥門等應當靠近管廊;再如進行雙層管廊的布置過程中，應當將腐蝕性管廊放置在下層，將泄壓管道、無聊管道、儀表等防治在上層，且兩者應當保持一定距離，從而避免腐蝕性管道出現泄漏，造成危險;在進行管廊布置的過程中，一旦出現管道直徑改變的情況，就需要通過使用底平偏心大小頭將管底的標高保持一致。通過在進行外觀設計的過程中進行這樣原則的是同來保證管廊內部管道的安全性與可用性。

二、管道應力簡述

（一）管道應力分類

管道往往要受多種外部壓力的共同影響，不僅受熱負荷的影響，也要受機械載荷的影響，此外還要受壓力載荷等的影響。由于管路不同，管道的區域不同，在外部壓力作用下，管道會產生不同性質的應力。管道應力主要包括以下幾類。一類是一次應力。管道在受到沖擊荷載、內壓等作用下會產生剪應力和正應力，這就是一次應力。一次應力與外力相平衡，保持管道不變形。如果為了平衡外力，一次外力超過了極限，管道會發生塑性變形，從而遭到破壞。所以要留有足夠的寬裕度，以保證材料不發生屈服。一類是二次應力。管道受到外界壓力，發生了變形，變形會對材料產生束縛，在這種情況下管道產生的剪應力和正應力就是二次應力。二次應力主要是為協調變形而產生的應力，它不能直接與外力平衡。二次應力具有自限性的特點，只要有發生細小塑性變形就會使二次應力變低。交變的次數會影響二次應力的界定，交變的應力范圍會直接決定二次應力的范圍。一般情況下，管道重復受二次應力，會產生疲勞破壞。三類是峰值應力。所謂峰值應力就是最高值應力，當荷載發生突變，當管道結構發生的突變，這時候局部應力不會迅速集中，從而產生峰值應力。通常在管道的轉彎處、氣孔處和焊接處會產生峰值應力。峰值應力不會引起管道的顯著變形，但會給管道帶來疲勞性裂紋。

（二）管道應力分析目的

管道應力分析主要是通過解決各種問題來保障管道的安全性和可靠性。像管道的強度問題、管道的震動問題等都需要通過用力分析來解決。同時，管道應力分析可以為管道布置提供科學的依據，為管道安裝提供科學的參考。具體來說管道應力分析目的主要有以下幾點。一是保證管道設計符合安全要求。石油化工管道對安全有更好的要求，根據我國的相關國家規定，主要從三個方面來評判管道的安全性能，分別是密封性、耐腐蝕性和耐壓強度。其中耐壓強度主要是通過通過管道應力分析來實現的。二是保證裝置運行的安全性。石油化工管道通常輸送的是一些易燃易爆的物品，管道布置必須科學合理，保證不會有任何安全隱患在裝置運行中。在布置管道的時候，如果不夠科學，管道就會出現應力問題，帶來安全隱患。例如當管道的熱應力過大時，會導致管件損壞等問題，影響安全生產。管道布置不合理，在動力設備旁，會發生共振現象，影響整個系統裝置的安全運行。應力分析可以為管道布置提供科學依據。

三、石油化工管道的應力分析

（一）承重分析

所謂一次應力，其實就是外界對于石油化工管道所產生的壓力、重力等力的統稱。在進行管道設計的過程中，想要將應力限度維持在一個合格的范圍內而不會超標，一般是通過設置管廊支架的方式進行控制，若出現了一次應力過大的情況，管道的撓度系統通常就會被破壞掉。因此，在進行管道建設的過程中，應當避免針對施工工藝進行隨意的修改，但是改后產生的一次應力大小也可以通過使用支吊架的方式來進行合理的調節。當管道建設完成后，一次應力通常會具有一種平衡性，但是隨著管道的荷載不斷增加，一次應力的量也會不斷地進行增加，一旦一次應力超過了管道所能夠承受的最大極限，那么管道就會變形，非常容易發生危險。

（二）石油化工管道中的二次應力

二次應力與一次應力最大的不同之處就在于二次應力主要來源于外力，且二次應力具有較一次應力而言更加不平衡的特性。對于石油化工管道而言，一旦管道發生了變形，那么就會收到約束，這一過程中，再產生

在進行管道設計的過程中，如果想要借助支吊架對于管道應力端點相應推力進行控制時，設計師需要針對管道進行除了剛性支架以外的杠桿加以考慮。這是因為石油化工管道本身的特性就在于其是剛性較強的彈性體，可以做到借助支梁以將管道荷載進行合理分配的作用，只要有剛性支架就會伴有杠桿效應。例如，在進行石油化工管道布置的過程中，需要針對壓縮機、機泵等設備的支架布置進行較為合理的安排，從而將對管嘴所承受的力矩以及力進行降低，以保證力的大小能夠滿足接管荷載限值的具體要求。

（三）應用剛性吊架以及限位吊架

針對石油化工管道的震動加以控制，可以通過針對石油化工管道的鋼制支架進行合理的設置與設計，使其可以承受震動與荷載。一般情況下，由于剛性吊架的結構非常簡單，制作工藝方面沒有難度，因此，其價格一般來說都較為低廉，進行安裝后，后期進行維護的價格也處于一個較低的水平。在進行垂直管道的設計過程中，如果想要使用剛性管道，就必須進行限位吊架的合理配置，從而減少對拉桿的扭轉，以保證石油化工管道的實際安全性能，在進行安裝與實際應用的過程中，施工人員需要遵循一些安裝的原則與規范，保證安裝完成后吊架能夠產生相應的效果。

結束語：

針對石油化工管道的外管設計以及其應力進行分析，能夠使設計人員更加了解應當如何進行設計工作，提升了石油化工管道的穩定性與安全性，使石油化工管道在進行設計后能夠進行長期的穩定運輸的同時，也能夠針對管道的安全性進行保障。

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