石油化工管道设计的应力分析与柔性设计

【摘要】管道是石油化工装置不可缺少的组成部分，它不仅用于连接各种设备和相关的系统设施，同时也是保证各类流体安全输送的重要保障。管道设计的基础即为管道应力的分析与计算，在优化管道柔性设计与安全生产等方面发挥了重要作用。本文就针对化工设计中管道柔性设计和管道应力分析进行探讨。

【关键词】化工管道 管道应力 柔性设计 安全

管道设计主要包括装置的设备布置、管道布置、管道材料设计以及管道应力分析四项工作。然而，由于历史、管理、技术等各种原因，在石油化工行业中，管道设计的可靠性和安全性问题在近年表现得日益突出，而管道的应力分析工作则是管道设计安全、经济、合理的保障和重要方式。

1 管道应力简介

为研究并控制管道的强度破坏和刚度破坏，引入应力这一概念。材料由于外因（受力、温差、湿度变化等）而产生变形时，在材料内部各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因作用，并力图使材料从变形后的位置回复到变形前的位置。而在所考察的截面某一点单位面积上的内力，称为应力。

由此不难看出，管道应力的概念避开了管子及其元件的规格尺寸、壁厚等因素的影响，只要外部荷载使材料产生的应力超出材料本身的强度指标，即可认为管子及其元件将要发生强度破坏。

1.1 管道分类

管道在压力荷载、机械荷载以及热负荷等作用下，整个管路或某些区域产生不同性质的应力，因此，管道上的应力，一般可分为以下三类：

（1）一次应力：由于外加荷载的作用而产生的应力（如压力和重力等），其本身与外力平衡。

（2）二次应力：由于变形受到约束所产生的正应力或剪应力（如热膨胀、附加位移、安装误差或振动荷载等），其本身不直接与外力相平衡。

（3）峰值应力：由于荷载或结构形状的局部突变（如管道中小的转弯半径处、焊缝咬边处或材料本身夹渣、气孔处）而引起的局部应力集中的最高应力值。

1.2 管道应力分析目的

管道应力分析的目的主要是解决管道的强度、刚度、振动等问题，为管道的布置、安装、配置提供科学依据。其具体体现以下几个方面：

（1）保证管道系统设计安全的要求

管道安全性能的总体要求包括耐压强度、耐腐蚀性和密封性三方面。

（2）保证装置运行的安全性

管道布置如果不合理，整个装置运行过程中就会存在安全隐患，并可能产生各种应力问题。如管道在温度变化时产生的热应力过大，则会导致下列各种现象的发生：设备管口就会被拉坏或顶坏，各管件连接处损坏（焊缝连接时会被拉裂，法兰连接则出现变形导致泄露），管架被推坏，更有严重者还会发生燃烧或爆炸。另外，如果是动力设备，当震源的激振与管系固有频率相同时，则会导致整个装置系统发生共振，此时损坏的则是设备本身和与其相连的建筑物。

2 管道柔性设计

管道的柔性是指管道通过自身变形来吸收因温度变化而发生的尺寸变化或其他原因（设备基础沉降等）所产生的位移，进而保证管道上的应力在材料许用应力范围内的性能。因此管道柔性设计的目的就是为防止管道由于温度、内压、荷载、支架限制或端点附加位移等情况发生下列损坏：

（1）因为应力过大产生管道破坏；

（2）管道所受推力或力矩过大导致与其相连设备产生的应力过大或变形而不能正常运行。

（3）管道所受推力或力矩过大而引起管道支架破坏。

（4）管道的连接处发生泄露。

为解决上述问题，在工程应用中增加管道柔性时一般采取下列途径：

（1）改变管道的几何布置

原则上来说，改变管道的几何布置（L型或π型等），是增加管道柔性最理想的选择，在管道两端点固定的前提下，无论是二维平面内还是三维空间内或者二者组合后改变管道走向，都是通过增加管道长度和弯头数量的方式来增加管道的柔性。

（2）在管道支撑时选择弹簧支吊架

弹簧支吊架可以适当释放所支撑点对垂直位移的约束，进而增加管道柔性。但是如果连续使用弹簧，会对管道的稳定性有一定影响。

（3）增设膨胀节

当管径较大、场地空间有限并且需要的补偿量又很大，或设备、工艺等有特殊要求的情况下不能应用改变管道走向时，通常会在管系中增设膨胀节（一般为适用于低压大管径管道的波纹膨胀节）。但是由于波纹膨胀节制造复杂、价格昂贵，并且是管系中的薄弱环节，应尽量避免使用。

3 工程实例

某30万吨/年烧碱项目，储罐（碱液，浓度0～31%，）与两台离心泵的进出口管道，其原始数据为：

管道材质SS.SMLS.A790 TP31803

管道规格6.625*0.28（in）

保温厚度1.5（in）

工作温度T1=188（）

工作压力P1=47（lb/in2）

设计温度T2=203（）

设计压力P2=69（lb/in2）

水压试验压力P3=103（lb/in2）。

该管系管道原布置如下图1所示：

经计算两台泵入口位置受力情况如下：

入口1节点250（表1）

入口2节点350（表2）

根据标准API 610《一般炼厂用离心泵》校核，泵入口管道受力FX，力矩MY、MZ均不符合要求。

经过计算两台泵出口位置受力情况如下：

出口1节点870（表3）

出口2节点1050（表4）

同样根据标准API 610《一般炼厂用离心泵》校核，泵出口管道受力FY，力矩MX均不符合要求，并且节点725、905两处刚性支架处于脱空状态完全不受力失去作用。

离心泵出口管道，并没有特殊要求，也就没有必要将节点725、905两处刚性支架改为弹簧支架。因此最终采用了改变管道走向的方案。

该管系管道经过优化后的最终布置如下图2所示：

泵入口1节点250（表5）

泵入口2节点350（表6）

泵出口1节点870（表7）

泵出口2节点1050（表8）

优化后各管口受力情况如下：

在上述两台离心泵出口管道优化过程中，不仅解决了泵口受力问题，同时将两根出口管道上的操作阀改为安装在水平管段，这样既降低了操作高度，又方便了支撑，同时大大降低泵出口的垂直荷载，并且在整个管系中避免了使用弹簧支吊架。

4 结语

综上所述，管道的应力分析是从应力角度进行的理论分析，为管道系统所需研究的每一节点（人为设定）受力情况提供强有力的理论依据。而管道的柔性设计，则是在管道应力分析计算结果的基础上，结合工程实际情况所做出的更有利于工程实际的管道设计，柔性设计不只满足管道和设备的应力要求，还结合了工艺等更多方面要求的管道系统设计。拥有足够的柔性，管道在设计条件下工作时，就不会因热胀冷缩、端点附加位移、支架设置不当等原因产生应力过大、变形、泄露等问题而影响正常运行。管道应力分析和管道柔性设计在整个设计过程中交替进行，进而实现更优化、更符合工程实际的设计。

参考文献

[1] 压力管道应力分析（2003）.中国石化出版社.

[2] 工业管道应力分析与工程实例（2011）.中国石化出版社

[3] 石油化工装置工艺管道安装设计手册（2009）.中国石化出版社

[4] 工程实例中计算各管口受力使用软件为CAESAR II