高温高压管道应力分析及支吊架设计

【摘要】管道设计应力分析的目的是确保管系安全可靠，它是涉及多种学科的综合技术，也是管道设计的基础。在进行管道应力分析时，除要做到管道布置满足要求并安排合理外，还应合理设置支吊架...

摘要： 本文介绍石化装置高温高压管道的柔性设计与应力分析，阐述支吊架的设计原则，确保支吊架间距满足跨距要求，并说明了在化工管道设计中正确设置支吊架的重要性。

关键词： 柔性设计； 应力分析； 支吊架

中图分类号： TQ050 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）04-0036-02

1 前言

石油化工装置通常具有高温高压、易燃易爆、剧毒等复杂的生产条件，随着装置日益大型化，工艺管道的规格及复杂程度也相应增大，管道的配置也就显得越来越重要。对于一个工艺成熟、设备定型的石油化工装置来说，装置设计的优劣很大程度上取决于配管设计水平——柔性设计。然而，为保证管道在工作状态下的稳定和安全，减少管道受热膨胀时所产生的应力，管道上每隔一定距离应设固定点及热膨胀的补偿装置并进行应力分析，以确保管道应力对固定点的推力、力矩在作用范围之内。

管道设计应力分析的目的是确保管系安全可靠，它是涉及多种学科的综合技术，也是管道设计的基础。在进行管道应力分析时，除要做到管道布置满足要求并安排合理外，还应合理设置支吊架。管道支吊架设计是管道系统设计的一个重要组成部分。其主要目的是对管道进行支吊、控制管系应力及推力，保证管系和设备的安全运行。

2 管道柔性设计

管道的柔性设计是研究管系如何布置、如何选择支撑、如何选择有关管道元件，从而使管系的柔性满足力学分析的要求。管道柔性设计应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移、管道支撑设置不当而造成管道应力或金属疲劳，引起管道或支架的破坏，管道法兰处泄漏，管道推力和力矩过大，使与其连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备的正常运行。

在管道进行柔性设计时，一般采用下列一种或几种措施来增加管道的柔性：

1）改变管道的走向；

2）调整支吊架形式与位置；

3）使用管道柔性元件（如波纹管式补偿器、套管式补偿器和球形补偿器等）。

3 管道应力分析

3.1管道应力分类

管道在内压、持续外载以及热胀冷缩和其它位移等载荷作用下，其最大应力往往超过材料的屈服极限，使材料在工作状态下发生塑性变形，另外高温管道的蠕变和应力松弛，也将使管系上的应力状态发生变化。对于不同种类的应力应当区别对待，根据它可能产生的效应和对于破坏所起的作用不同，给予不同的限定。管道上的应力，一般分为一次应力、二次应力和峰值应力三类。

1）一次应力

一次应力是由于压力、重力和其他外力荷载的作用所产生的应力。

一次应力的基本特征是非自限性的，它满足与外加荷载的平衡关系，始终随所加荷载的增加而增加，当其值超过材料的屈服极限时，管道就发生塑性变形而破坏。管道承受风载荷、地震载荷、水冲击和安全阀动作冲击等荷载而产生的应力均属一次应力。

2）二次应力

二次应力是指由于热胀冷缩和其它位移受到约束而产生的应力。

二次应力的特征是有自限性的，它不直接与外力平衡，当载荷超过材料的屈服极限时，由于管道局部的屈服和产生少量塑性变形就能使应力降低下来，这时应力重新分布，使材料的应变达到自均衡。

3）峰值应力

峰值应力是管道或附件由于局部结构不连续或局部热应力效应（包括局部应力集中）附加到一次应力或二次应力的增量。它的特点是不引起显著的变形，而且在短距离内从它的根源衰减，它是一种导致疲劳裂纹或脆性破坏的可能原因。管道附件上小半径圆角处、焊缝未焊透处的应力，均属于峰值应力。

3.2管道应力分析的内容

管道应力分析的任务主要是对管道进行包括应力计算在内的力学分析，并使分析结果满足标准规范的要求，从而保证管道自身和与其相连机器、设备以及管道支吊架、土建结构的安全。热膨胀产生的力和应力是应力分析最常见和最主要的问题。应力分析包括静力分析和动力分析两部分。

静力分析包括:

1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏；

2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算——防止管道疲劳破坏；

3）管道对机器、设备作用力的计算——防止作用力过大，保证机器、设备正常运行；

4）管道支吊架和土建结构的受力计算——为支吊架和土建结构的设计提供依据；

5）管道上法兰的受力计算——防止法兰泄露；

6）管系位移计算——防止管道碰撞和支吊点位移过大。

动力分析包括：

1）往复压缩机（泵）管道气（液）柱固有频率分析——防止气（液）柱共振；

2）往复压缩机（泵）管道压力脉动分析——控制压力脉动数值；

3）管道固有频率分析——防止管道系统共振；

4）管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力；

5）冲击荷载作用下管道应力分析——防止管道振动和应力过大；

6）管道地震分析——防止管道地震应力过大。

影响管道应力的因素主要有温度、压力、弯曲半径、壁厚等。在诸多因素中，温度的变化对管道应力的影响最大，升高温度，会降低许用应力值，而管道的热膨胀量大，使二次应力、对固定点的推力也相应增大；一次应力是由管道承受的内压等荷载引起的，所以内压的变化一般仅影响管道的一次应力；管道弯曲半径增大时，管道的柔性增大，所以其二次应力减少，但对固定点却有所增大；一般，壁厚增加，管道的一次应力、二次应力都减少，推力却增大。

3.3管道应力分析软件

CAESAR II是国际通行的管道应力分析软件，它被广泛应用于石油、石化、化工、电力、冶金等行业。CAESAR II是以梁单元模型为基础的有限元分析程序，具有在线帮助，图形显示以及纠错等功能，可以用于分析大型管系、钢结构、或二者相结合的模型。CAESAR II既能够进行静力分析也能够进行动力分析， 它与多种CAD绘图软件具有数据接口。 CAESAR II具有丰富的材料库，单元数据及边界条件的输入直观、方便。该程序既可用于架空管道的分析，也可用于埋地管道的计算。

一般说来，下述管系必须利用应力分析软件（如CAESAR II）通过计算机进行计算及分析。

1）与贮罐相连的，公称管径12”及以上且设计温度在100 度及以上的管线；

2）离心式压缩机（API 617）及往复式压缩机（API618）的3”及以上的进、出口管线；

3）蒸汽透平（NAME SM23）的入口、出口和抽提管线；

4）泵（API 610）——公称管径4”及以上且温度100度及以上或温度- 20 度及以下的吸入、排出管线；

5）空冷器（API 661）——公称管径6”及以上且温度120度及以上的进、出口管线；

6）加热炉（API 560）——与管口相连的6”及以上和温度200度及以上的管线；

7）相当长的直管，如界区外的管廊上的管线；

8）法兰处的泄漏会造成重大危险的管线，如氧气管线、环氧乙烷管线等；

9）公称管径4”及以上且100 度及以上或- 50 度及以下的所有管线。

4 管道支吊架的设计

在进行管道设计时，首先要考虑满足工艺要求，还要考虑设备、管道及其组成件的受力状况，以保证安全运转。在管道应力分析过程中正确设置化工管道的支吊架是一项重要的工作。支吊架选型得当，布置合理，所设计的管道不仅美观，而且经济安全。

4.1管道支吊架的类型

管道支吊架设计是用来承受管道荷载，限制管道位移和控制管道振动的，其最主要、最普遍的功能是承受管道荷载。按其功能可分为三大类，详细分类如下：

承重支吊架的作用是承受管道荷载，可进一步细分为：

1）刚性支吊架；

2）可调刚性支吊架；

3）可变弹簧支吊架；

4）恒力弹簧支吊架。

限制性支架的作用是限制管道位移，可进一步细分为：

1）固定支架；

2）限位支架；

3）导向支架；

防振支架的作用是控制管道振动，可进一步细分为：

1）防振管卡；

2）阻尼减振器.

4.2化工管道支吊架位置的确定

化工管道支吊架的位置在管道允许的跨度内设置，支架间距尤其是水平管道的承重支架间距不得超过管道的允许跨距（即管道的最大间距） ，以控制其挠度不超限。一般连续敷设的管道允许跨距（L）应按三跨连续梁承受均布荷载时的刚度条件计算，按强度条件校验，取两者中的最小值。

1）按刚度条件跨距的计算公式如下：

L1=0.039（Et I/q）1/4 （装置内）

L′1= 0.048（Et I/q）1/4 （装置外）

式中：L1，L′1——装置内（外） 由刚度条件计算的跨距，m；

Et——管材在设计温度下的弹性模数，MPa；

I ——管道扣除腐蚀裕量及负偏差后的截面惯性矩，mm；

q——每米管道的质量，N/m。

2）按强度条件跨距的计算公式如下：

L2=0.1（[σ] tW/q）1/2 （不考虑内压）

L2=0.071（[σ] tW/q）1/2 （考虑内压）

式中：L2——由强度条件计算的跨距，m；

[σ] t——管材在设计温度下的许用应力，MPa；

W——管道扣除腐蚀裕量及负偏差后的抗弯截面模量，mm。

I 和W分别按下式计算：

I=■（D■■-D■■）

W=■

式中：D■管道内径，mm；

Do管道外径，mm。

管道支吊架（不包括振动管道支架）的位置，除在管道允许跨度内设置外，还应注意以下要点：

1）满足管道最大允许跨度的要求；

2）在有集中荷载时，支架要布置在靠近荷载的地方，以减少偏心荷载和弯曲应力；

3）在敏感设备（泵，压缩机等）附近，应设置支架，以防管道荷载作用于设备管嘴；

4）往复式压缩机的吸入或排出管道以及其他有强烈振动的管道，宜单独设置支架，支架生根于地面上的管墩，管架上并与建筑物隔离，以避免将振动传递到建筑物上；

5）除振动的管道外，应尽可能利用建筑物，构筑物的梁柱作为支架的生根点，且应考虑生根点所能承受的荷载，生根点的构造应能满足生根件的要求；

6）对于复杂的管道，尤其是需要做详细应力计算的管道，还应根据应力计算结果调整其支吊架的位置；

7）应设在不妨碍管道与设备的连接和检修的部位；

8）应设在弯管和大直径三通式分支管附近；

9）安全泄压装置出口管道应根据需要，考虑是否设置支架。

4.3化工管道支吊架选用原则

1）选用管道支吊架时，应按照支撑点所承受的荷载大小和方向，管道的位移情况、工作温度、是否保温或保冷以及管道的材质等条件选用合适的支吊架；

2）设计时应尽可能选用标准管卡、管托和管吊。符合下列特殊情况者可采取其他特殊型式管托和管吊:

A）管内介质温度≥400℃的碳素钢材质的管道；

B）输送冷冻介质的管道；

C）生产中需要经常拆卸检修的管道；

D）合金钢材质的管道；

E）架空敷设且不易施工焊接的管道。

3）防止管道过大的横向位移和可能承受的冲击荷载，以保证管道只沿着轴向位移，一般在下列条件的管道上设置导向管托：

A）安全阀出口的高速放空管道和可能产生振动的两相流管道；

B）横向位移过大可能影响邻近管道，以及固定支架的距离过长而可能产生横向不稳定的管道；

C）为防止法兰和活接头泄露而要求不发生过大横向位移的管道；

D）为防止振动而出现过大的横向位移的管道。

4）热胀量超过100mm的架空敷设管道应选用加长管托，以免管托落到管架梁下；

5）支架生根在钢质设备上时，若设备需热处理时，应给设备专业提供垫板委托，当设备为合金材质，垫板材料应与设备材质相同；

6）对于荷载较大的支架位置需事先与相关专业联系，并提出支架位置、标高和荷载情况；

7）凡需要限制管道位移量时，应考虑设置限位架；

8）当垂直方向有位移时，可选弹簧支吊架，弹簧根据具体情况可用于并联和串联；

9）当管道在支承点有垂直位移且要求支承力的变化范围在6%以内时，管系应采用恒力弹簧支吊架；

10）在管道支吊架通用图中无法选出合适的支吊架时，可采取其他特殊形式支吊架。

总之，就管道支吊架设计的合理性而言，最佳的设计方案应该是安全可靠，管道支吊架使用量少，组合得当，结构简单，价格便宜，施工方便，便于维修等等。对于一个具体的管系，管道支吊架的设置方案很多，要检验一种方案是否合理，最可靠的方法就是通过应力分析求解出管系各点的应力值以及管端的推力和力矩，再依据现行的有关设计标准和规范加以分析判断，然后确定一个合理的设置方案。

5 结语

综上所述，管道应力分析与支吊架设计密切相关，管道支吊架是约束管道的，它的作用是两方面的。也就是说，若管道支吊架设计的合适，管道支吊架的设置会改善管系的应力分布状况；相反，若管道支吊架设计的不合适，也会恶化管系的应力分布状况，从而会导致装置不能正常运行和生产。由此可见，应用国际上先进的应力分析软件CAESERII等对管道进行应力分析，并对管道进行支吊架设计对石油化工工程建设而言，其作用举足轻重。

参考文献：

[1] 蔡尔辅.石油化工管道设计[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2] 马中付.高温高压管道的应力分析与设计[J].石油化工设计，1999 ，16（3）：10-15.