淺談石油化工管道設(shè)計的應力分析與柔性設(shè)計

【摘 要】在石油化工裝置中，管道設(shè)計是主體專業(yè)，管道設(shè)計的依據(jù)與管道設(shè)計的內(nèi)容基本相同，怎么樣才能設(shè)計出既安全又合理的布置是現(xiàn)在石油化工裝置面對的一大難題。管道是石油化工裝置的重要組成部分，它不僅對各種設(shè)備與相關(guān)系設(shè)施起連接作用，而且還是是石油安全輸送之保障。本文針對化工設(shè)計中管道柔性設(shè)計和管道應力分析進行探討，對管道設(shè)計中應力作用進行分析，為優(yōu)化管道柔性設(shè)計與石油的安全輸送等方面發(fā)揮了重要作用。

【關(guān)鍵詞】化工管道；應力分析；柔性設(shè)計

引言：

由于歷史、管理、技術(shù)等各種原因，在石油化工行業(yè)中，管道設(shè)計的可靠性和安全性問題在近年表現(xiàn)得日益突出，而管道的應力分析工作則是管道設(shè)計安全、經(jīng)濟、合理的保障和重要方式。管道設(shè)計主要包括裝置的設(shè)備布置、管道布置、管道材料設(shè)計以及管道應力分析四項工作。

一、管道應力的概念

管道的應力，主要是由于管道承受內(nèi)壓力和外部載荷以及熱膨脹而引起的。管道在這些載荷作用下的應力形態(tài)是復雜的。管道應力分析與計算，是管道設(shè)計的基礎(chǔ)，可為管道做出強度與安全性的評價，也可為管道的經(jīng)濟分析提供依據(jù)。

為研究并控制管道的強度破壞和剛度破壞，引入應力這一概念。管道應力的概念避開了管子及其元件的規(guī)格尺寸、壁厚等因素的影響，只要外部荷載使材料產(chǎn)生的應力超出材料本身的強度指標，即可認為管子及其元件將要發(fā)生強度破壞。

（一）管道的類別

管道在壓力荷載、機械荷載以及熱負荷等作用下，整個管路或某些區(qū)域產(chǎn)生不同性質(zhì)的應力。

因此，管道上的應力，一般可分為以下三類：

1.一次應力：由于外加荷載的作用而產(chǎn)生的應力，其本身與外力平衡。

2.二次應力：由于變形受到約束所產(chǎn)生的正應力或剪應力，其本身不直接與外力相平衡。

3.峰值應力：由于荷載或結(jié)構(gòu)形狀的局部突變而引起的局部應力集中的最高應力值。

（二）為何進行管道應力分析

管道應力分析的目的主要是解決管道的強度、剛度、振動等問題，為管道的布置、安裝、配置提供科學依據(jù)。其具體體現(xiàn)以下幾個方面：

1.關(guān)于管道系統(tǒng)設(shè)計的安全性

管道安全性能的總體要求包括耐壓強度、耐腐蝕性和密封性三方面。

2.關(guān)于裝置運行的安全性

管道布置如果不合理，整個裝置運行過程中就會存在安全隱患，并可能產(chǎn)生各種應力問題。

如管道在溫度變化時產(chǎn)生的熱應力過大，則會導致下列各種現(xiàn)象的發(fā)生：設(shè)備管口就會被拉壞或頂壞，各管件連接處損壞，管架被推壞，更有嚴重者還會發(fā)生燃燒或爆炸。

二、管道柔性設(shè)計的概念

管道的柔性是指管道通過自身變形來吸收因溫度變化而發(fā)生的尺寸變化或其他原因所產(chǎn)生的位移，進而保證管道上的應力在材料許用應力范圍內(nèi)的性能。

（一）管道易發(fā)生的損壞

因此管道柔性設(shè)計的目的就是為防止管道由于溫度、內(nèi)壓、荷載、支架限制或端點附加位移等情況發(fā)生如下?lián)p壞：

1.因為應力過大產(chǎn)生管道破壞。

2.管道所受推力或力矩過大導致與其相連設(shè)備產(chǎn)生的應力過大或變形而不能正常運行。

3.管道所受推力或力矩過大而引起管道支架破壞。

4.管道的連接處發(fā)生泄露。

（二）解決管道問題的途徑

為解決上述問題，在工程應用中增加管道柔性時一般采取下列途徑：

1.改變管道的幾何布置

原則上來說，改變管道的幾何布置（L型或π型等），是增加管道柔性最理想的選擇，在管道兩端點固定的前提下，無論是二維平面內(nèi)還是三維空間內(nèi)或者二者組合后改變管道走向，都是通過增加管道長度和彎頭數(shù)量的方式來增加管道的柔性。

2.在管道支撐時選擇彈簧支吊架

彈簧支吊架可以適當釋放所支撐點對垂直位移的約束，進而增加管道柔性。但是如果連續(xù)使用彈簧，會對管道的穩(wěn)定性有一定影響。

3.增設(shè)膨脹節(jié)

當管徑較大、場地空間有限并且需要的補償量又很大，或設(shè)備、工藝等有特殊要求的情況下不能應用改變管道走向時，通常會在管系中增設(shè)膨脹節(jié)。但是由于波紋膨脹節(jié)制造復雜、價格昂貴，并且是管系中的薄弱環(huán)節(jié)，應盡量避免使用。

三、例舉工程案例

某30萬噸/年燒堿項目，儲罐（堿液，濃度0～31%，）與兩臺離心泵的進出口管道，其原始數(shù)據(jù)為：

管道材質(zhì)SS.SMLS.A790 TP31803；管道規(guī)格6.625*0.28（in）；

保溫厚度1.5（in）；工作溫度T1=188（℉）；工作壓力P1=47（lb/in2）；設(shè)計溫度T2=203（℉）；設(shè)計壓力P2=69（lb/in2）；水壓試驗壓力P3=103（lb/in2）。

該管系管道原布置如下圖1所示：

根據(jù)標準AP I 610《一般煉廠用離心泵》校核，泵入口管道受力FX，力矩MY、MZ均不符合要求。

由于離心泵氣蝕余量問題，要求該泵入口管道短而直，這就否定了改變管道走向的方案，另外泵入口管道要求保證同軸度，這樣用增設(shè)彈簧支架的方案也不合理。

因此，最終的解決方案是在兩臺泵入口法蘭前采用了波紋管道膨脹節(jié)，原來節(jié)點205、305的剛性承重架保持不變。經(jīng)過計算兩臺泵出口位置受力情況如下：

同樣根據(jù)標準API 610《一般煉廠用離心泵》校核，泵出口管道受力FY，力矩MX均不符合要求，并且節(jié)點725、905兩處剛性支架處于脫空狀態(tài)完全不受力失去作用。

離心泵出口管道，并沒有特殊要求，也就沒有必要將節(jié)點725、905兩處剛性支架改為彈簧支架。因此最終采用了改變管道走向的方案。

該管系管道經(jīng)過優(yōu)化后的最終布置如下圖2所示：

優(yōu)化后各管口受力情況如下：

在上述兩臺離心泵出口管道優(yōu)化過程中，不僅解決了泵口受力問題，同時將兩根出口管道上的操作閥改為安裝在水平管段，這樣既降低了操作高度，又方便了支撐，同時大大降低泵出口的垂直荷載，并且在整個管系中避免了使用彈簧支吊架。

結(jié)束語：

綜上所述，管道是石油化工裝置的重要組成部分。從應力角度進行理論分析的管道應力分析，為管道系統(tǒng)所需研究的每一節(jié)點提供強有力的理論依據(jù)。以管道應力分析計算結(jié)果為基礎(chǔ)的管道的柔性設(shè)計，結(jié)合工程實際情況所做出的更有利于工程實際的管道設(shè)計，柔性設(shè)計不僅僅滿足管道和設(shè)備的應力要求，還結(jié)合了工藝等更多方面要求的管道系統(tǒng)設(shè)計。在一定的基礎(chǔ)上解決了管道在工作時遇到的因熱脹冷縮、端點附加位移、支架設(shè)置不當?shù)仍虍a(chǎn)生應力過大、變形、泄露等問題而影響正常運行而產(chǎn)生損壞。管道應力分析和管道柔性設(shè)計在整個設(shè)計過程中交替進行，將一如既往的在石油的安全輸送等方面發(fā)揮了重要作用。

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