浅谈石油化工管道设计的应力分析与柔性设计

浅谈石油化工管道设计的应力分析与柔性设计

冯杨

广东寰球广业有限公司510000

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。根据多年的工作经验，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；管道设计；管道应力；分析

前言

随着科技的不断发展，我国的化学研究者在本领域内取得了辉煌的成就。化工与人类的生活息息相关，化工水平的提高，不仅为人们的生活和工作提供了方便、提高了质量，还为社会的健康发展和进步提供了巨大的推动力。管道设计对石油化工行业的发展具有重要意义。近年来，发生了多起石油化工厂事故，使石油化工管道的安全性和可靠性在社会上引起了广泛关注，石油化工管道设计工作的重要性日益突出。管道设计工作是非常复杂的，主要包括四个部分，分别是管道应力分析、管道布置、管道材料设计和设备布置，其中管道应力分析是管道设计的基础和关键。管道应力分析对管道的安全性、可靠性和经济性具有重要影响。通过应力分析分析，可以为管道做出强度与安全性的评价，为管道的经济分析提供依据。目前柔性设计在管道设计中得到广泛应用，在应力分析基础上的柔性设计成为石油化工管道安全性和可靠性的重要保障。

1化工设计中管道应力的特点

管道应力分析，是化工管道设计过程中尤为关键的一环，而就其中的化工管道设计而言，其又是整个化工工厂设计中一个十分重要的组成部分。由于是受热胀冷缩、内压持续外载及其它位移等的载荷作用，会导致材料屈服极限小于管道最大应力，进而使工作状态下的材料发生塑性变形，而管系应力状态也会随高温管道的蠕变及应力松弛发生变化。应力分类校核遵循的是等安全裕度原则，也就是说，对于危险性小的应力，许用值可以放宽；危险性大的应力，许用值要严格控制。应力分类是根据应力性质不同人为进行的，它并不一定是能够实际测量的应力。

1.1一次应力

一次应力是由压力、重力、和其它外力荷载所产生的应力。它必须满足外部、内部力和力矩的平衡。一次应力的基本特征是非自限性的，它始终随所加荷载的增加而增加，超过屈服极限或持久强度将使管道发生塑性破坏或者总体变形。管道承受内压和持续外载而产生的应力属于一次应力。管道承受风荷载、地震荷载、水击和安全阀泻放荷载产生的应力也属于一次应力，但这些荷载属于偶然荷载。

1.2二次应力

二次应力是由管道变形受约束而产生的应力，它由管道热胀、冷缩、端点位移荷载的作用而引起。它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必需的应力。二次管道应力分析和计算应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。二次应力引起的是疲劳破坏。二次应力也有二次薄膜应力和二次弯曲应力两部分。一次应力的计算主要是为了防止安装的时候，管道会塌下来。而二次应力的计算是防止管道发生热变形后，管道是不是会出问题，管嘴部分是不是会对设备产生超过允用载荷的问题，还有通过计算来看发生管道的位移，和偏移，防止并排管道相互影响。

1.3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。

2化工设计中管道应力分析目的

管道是石油化工装置的重要组成部分，管道在正常工作时，会受到各种因素的影响，从而降低了管道的安全性，所以在进行管道设计时，要把安全性放在第—位。管道应力分析的目地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。首先，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；其次，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。第三，节约成本，减少工程投资。管道应力研究分析主要是通过相关的计算应力软件分析，精确的计算可以保证数据的可靠性，再根据数据做管道的设计辅助，可以减少工程的投资成本。例如，可以通过应力分析研究科学的对管架进行布置，甚至能够精确到预算管架的个数及承受的重力，这样就能减少投资的成本。再例如，可以通过应力研究分析的数据算出管件、补偿器等管道所需配件的设计参数，也能使投资具体化、合理化。

3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：

3.1因为应力过大产生管道破坏；

3.2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。

3.3管道所受推力或力矩过大而引起管道支架破坏。

3.4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。

4结语

管道设计水平的高低也逐渐成为衡量一个化工企业竞争力高低的重要因素，化工厂选址不同、生产设备不同，配套的管道设计应该随时变化，管道设计的重要性日益凸显。在管道设计中，安全生产、优化措施、材料选择、成本分析等都是管道应力分析的主要研究内容。管道应力分析数据庞大复杂，工作量大，计算过程严密，人为进行难度大，一般依靠相关的计算软件。

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