石油化工管道应力设计探究

黄春华

摘要：管道应力是指管道在工作中由于受到内部介质压力、外界环境载荷及自身重量的影响，与管道端点发生强制位移而形成的应力。管道承受的应力不同，管道自身所受的损害也不同。管道应力容易使管道产生安全问题，在管道设计过程中必须予以重视。

关键词：石油化工；管道应力；设计

1石油化工管道应力分析价值简介

对石油化工管道进行应力分析的意义在于通过发现管道全线的异常应力状况、判断管道的安全与否，因此，类似于化工管道这种对于强度、刚度以及柔性都具有一定要求的设备必须通过应力分析的方式保障其安全。在另一方面，通过应力分析，还可以为管道建设初期管道的布置状况提供有效建议，为管道及附属设备的安全提供指导。具体来说，对化工管道进行应力分析的价值主要体现在以下两个方面：

（1）确保管道始终处于安全状况。管道是石油化工企业十分重要组成部分，因此，保障管道的安全是企业顺利生产的前提，在管道安全判断方面，我国已发布相应的要求，要求指出，管道的密封程度、抗腐蚀能力以及抗压强度是判断管道安全的关键，在这三方面中，抗压强度需要通过应力分析的方式进行判断。

（2）确保管道附属管件始终处于安全状况。众所周知，装置管道周围部署有大量的附属管件，例如阀门、三通、弯头、法兰等等，由于化工管道内的介质很多都是有毒、易燃易爆的，如果附属管件出现泄露现象，会导致安全事故的发生。例如，当管道内介质的温度过高时，受热胀冷缩的作用，其附属管件承受的压力高于其设计压力将会出现损坏状况，从而造成化工气体泄漏，通过应力分析的方式可以为附属管件的布置及安全提供保障。

2石油化工管道设计中的应力分析

（1）管道应力的形式。一次应力是管道受到重力、压力及其他外部荷载而产生的应力。一次应力会平衡这些外部荷载，其大小并与外部荷载成正相关。没有自限性是一次应力的主要特征之一，即当管道受力达到屈服极限，即使不再增加外部荷载，管道它仍继续发生明显的塑性变形，直至发生破坏。二次应力由管道变形受到约束而产生，起因为管道温度变化造成的形变以及端点位移引起。与一次应力不同，二次应力具有自限性，当局部变形就可以使管道维持协调状态，管道将不再继续发生形变。

（2）应力分析的分类。应力分析分为静态和动态两种形式。静态分析的对象主要为管道受到的静态荷载，即管道自身重力、管道温度变化引起的形变等不随时间发生变化的载荷。而动态分析的对象通常包括管道由动态设备、两相流、地震引起的振动等。

（3）应力分析的目的。本文以静态分析为主，旨在分析管内流体相对稳定状态下的管道应力状态，通过优化是管道、设备及支架受力满足设计要求，符合相关标准和规范，保证管道、设备及结构安全。通过模拟，分析并优化各种工况下的应力状态，使得管道及管件满足其许用应力，法兰垫片符合其温压曲线，设备管口满足其需用载荷，保证管道与设备的安全。同时，应力分析为管道相关的结构向相关专业提供相应的数据，相互协作并优化设计，以保证结构的安全性。其次对管道位移进行分析，防止由于位移过大导致的管托滑脱和管道碰撞，并对弹簧支吊架的选择和使用提供相应的参考依据。其次，还应考虑注意动设备，应有效地设置弹簧支吊架、固定支架、软连接等以减少其振动造成的影响，并通过优化支架，管道走向等避开管道共振频率。最后在具体工作中根据实际情况，还应注意地震、风荷载、雪荷载等偶然载荷的影响，保证生产安全。

3石油化工管道柔性强化设计

3.1增加自然补偿

管道自身具有一定的补偿作用，补偿作用能有效防止管道产生变形，当管道所受内外力较大时，则需要增设自然补偿。目前，最常见、最高效的自然补偿为“π”型补偿，但是如果化工管道内输送介质的温度相对较高，且输量较大，该种补偿器的使用会受到一定的限制。自然补偿的具体安装步骤为：选择补偿类型，补偿类型的选择需要根据管道内介质的温度及管道管径决定；对管道的膨胀量进行计算，管道膨胀量的计算公式为：膨胀量=膨胀系数×管长；确定补偿位置，补偿位置应尽可能靠近两个管道固定点的中心位置；对管道应力进行校核，确保增加固定点后管道可以始终处于安全状态。

3.2选择支吊架固定

支吊架的主要作用是对管道的自身重量和外界应力进行平衡，从而防止管道出现过度弯曲问题，在增加支吊架时，首先应对管道自身能承受的弯曲应力进行计算。

在支吊架数量确定方面，如果从一次应力分析结果出发，则其数量就需要增加，从而使得管道自身承受的应力降低；如果从二次应力分析结果出发，则其数量就需要减少，从而防止支吊架自身对管道产生约束作用。综合来说，支吊架的数量必须根据所有类型应力的分析结果进行确定。

3.3改变管道走向

通过改变管道自身走向是进行柔性设计最为间接的方法，这主要是因为在管道两端受到约束的作用下，改变管道的走向，可能会使得管道的长度增加，同时管道弯头的数量也会得到不同程度的降低，从而使得管道的柔性增加。最有利于管道安全的走向为L型走向，这种类型的走向仅在两端管道之间产生了一个弯头，同时还可以保证两节管道始终处于最长状态。当采用该种方法进行柔性设计时，首先必须保证化工单位内拥有充足的空间。

3.4汽轮机与气压机的进出口连接管道

（1）汽轮机和气压机都属于高速转动设备，在其制造结构方面，既要预留机器的膨胀裕度，又要保持转动部件的余隙紧凑，如果管道对其产生的力和力矩太大，将使设备的形变和局部的压力增大，转子和定子之间的摩擦和振动增加。因此，在布置管道时，不仅要满足管道本身的应力設计要求，还要满足机器进出口嘴子的允许受力要求。

（2）管道的走向布置，应尽可能适应机器进出口嘴子的位移方向。固定支架的位置应设在比较靠近机器进出口嘴子的地方，即在满足机器嘴子允许受力要求下应尽可能缩短。

（3）在管道设计时，除管道满足应力要求外，汽轮机或气压机嘴子连接管道对于嘴子的作用力和力矩也有严格的限制。按照美国标准NEMASM23和API617的规定，不仅要满足进口或出口嘴子本身的受力允许值要求，还要满足进口和出口转移到出口或进口中心线综合的合力和合成力矩的允许值要求。在布置管道时，往往是比较容易满足前者，而后者较难满足，这不仅要求管道布置结构合理，支架适当，还应要求在设备布置时给予注意。

（4）支吊架设计要点：（1）汽轮机和气压机进出口嘴子附近第一个支架应尽可能靠近进出口嘴子。若进出口嘴子向下，则应在嘴子中心线的正下方设弹簧支架；（2）在计算支架的荷重时，应使支架承担进出口管道的全部荷重。这样做可以减小机器嘴子的垂直方向的受力；（3）为了防止过大的侧向位移和减少振动的影响，可在管道上设置一些导向支架。总之，对汽轮机与气压机进出口连接管道的支吊架，除了承受管道荷重之外还应考虑减少嘴子的受力问题。

综上所述，在应力分析过程中，对管道柔性进行强化，优化管道系统。在满足工艺要求的前提下，平衡管道系统各组成部分的受力，防止管道本身的破坏、失稳和法兰泄漏，减小设备接口和支撑结构的受力，从而避免由这些问题引起的安全问题。进而保证安全稳定的生产。

参考文献

[1] 美国机械工程师学会压力管道委员会.ASME压力管道规范B31美国国家规范[J].中国石化出版社，2012.

[2]陈敬涛.石油化工管道设计注意问题分析[J].化工设计通讯，2018（1）：17-18.

[3]刘俞瀚.石油化工管道设计中基于应力分析的柔性设计[J].石化技术，（01）：316.

（作者单位：茂名市润兴化工工程有限公司）