淺談石油化工管道設(shè)計(jì)的應(yīng)力分析與柔性設(shè)計(jì)

【摘 要】在石油化工裝置中，管道設(shè)計(jì)是主體專業(yè)，管道設(shè)計(jì)的依據(jù)與管道設(shè)計(jì)的內(nèi)容基本相同，怎么樣才能設(shè)計(jì)出既安全又合理的布置是現(xiàn)在石油化工裝置面對(duì)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(duì)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(duì)化工設(shè)計(jì)中管道柔性設(shè)計(jì)和管道應(yīng)力分析進(jìn)行探討，對(duì)管道設(shè)計(jì)中應(yīng)力作用進(jìn)行分析，為優(yōu)化管道柔性設(shè)計(jì)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(yīng)力分析；柔性設(shè)計(jì)

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(jì)的可靠性和安全性問(wèn)題在近年表現(xiàn)得日益突出，而管道的應(yīng)力分析工作則是管道設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)、合理的保障和重要方式。管道設(shè)計(jì)主要包括裝置的設(shè)備布置、管道布置、管道材料設(shè)計(jì)以及管道應(yīng)力分析四項(xiàng)工作。

一、管道應(yīng)力的概念

管道的應(yīng)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(yīng)力形態(tài)是復(fù)雜的。管道應(yīng)力分析與計(jì)算，是管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可為管道做出強(qiáng)度與安全性的評(píng)價(jià)，也可為管道的經(jīng)濟(jì)分析提供依據(jù)。

為研究并控制管道的強(qiáng)度破壞和剛度破壞，引入應(yīng)力這一概念。管道應(yīng)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(yīng)力超出材料本身的強(qiáng)度指標(biāo)，即可認(rèn)為管子及其元件將要發(fā)生強(qiáng)度破壞。

（一）管道的類別

管道在壓力荷載、機(jī)械荷載以及熱負(fù)荷等作用下，整個(gè)管路或某些區(qū)域產(chǎn)生不同性質(zhì)的應(yīng)力。

因此，管道上的應(yīng)力，一般可分為以下三類：

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

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

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

（二）為何進(jìn)行管道應(yīng)力分析

管道應(yīng)力分析的目的主要是解決管道的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)等問(wèn)題，為管道的布置、安裝、配置提供科學(xué)依據(jù)。其具體體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

1.關(guān)于管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性

管道安全性能的總體要求包括耐壓強(qiáng)度、耐腐蝕性和密封性三方面。

2.關(guān)于裝置運(yùn)行的安全性

管道布置如果不合理，整個(gè)裝置運(yùn)行過(guò)程中就會(huì)存在安全隱患，并可能產(chǎn)生各種應(yīng)力問(wèn)題。

如管道在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致下列各種現(xiàn)象的發(fā)生：設(shè)備管口就會(huì)被拉壞或頂壞，各管件連接處損壞，管架被推壞，更有嚴(yán)重者還會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。

二、管道柔性設(shè)計(jì)的概念

管道的柔性是指管道通過(guò)自身變形來(lái)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(jìn)而保證管道上的應(yīng)力在材料許用應(yīng)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(jì)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(diǎn)附加位移等情況發(fā)生如下?lián)p壞：

1.因?yàn)閼?yīng)力過(guò)大產(chǎn)生管道破壞。

2.管道所受推力或力矩過(guò)大導(dǎo)致與其相連設(shè)備產(chǎn)生的應(yīng)力過(guò)大或變形而不能正常運(yùn)行。

3.管道所受推力或力矩過(guò)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(wèn)題的途徑

為解決上述問(wèn)題，在工程應(yīng)用中增加管道柔性時(shí)一般采取下列途徑：

1.改變管道的幾何布置

原則上來(lái)說(shuō)，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(diǎn)固定的前提下，無(wú)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(guò)增加管道長(zhǎng)度和彎頭數(shù)量的方式來(lái)增加管道的柔性。

2.在管道支撐時(shí)選擇彈簧支吊架

彈簧支吊架可以適當(dāng)釋放所支撐點(diǎn)對(duì)垂直位移的約束，進(jìn)而增加管道柔性。但是如果連續(xù)使用彈簧，會(huì)對(duì)管道的穩(wěn)定性有一定影響。

3.增設(shè)膨脹節(jié)

當(dāng)管徑較大、場(chǎng)地空間有限并且需要的補(bǔ)償量又很大，或設(shè)備、工藝等有特殊要求的情況下不能應(yīng)用改變管道走向時(shí)，通常會(huì)在管系中增設(shè)膨脹節(jié)。但是由于波紋膨脹節(jié)制造復(fù)雜、價(jià)格昂貴，并且是管系中的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)盡量避免使用。

三、例舉工程案例

某30萬(wàn)噸/年燒堿項(xiàng)目，儲(chǔ)罐（堿液，濃度0～31%，）與兩臺(tái)離心泵的進(jìn)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(jì)溫度T2=203（℉）；設(shè)計(jì)壓力P2=69（lb/in2）；水壓試驗(yàn)壓力P3=103（lb/in2）。

該管系管道原布置如下圖1所示：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(wèn)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(tái)泵入口法蘭前采用了波紋管道膨脹節(jié)，原來(lái)節(jié)點(diǎn)205、305的剛性承重架保持不變。經(jīng)過(guò)計(jì)算兩臺(tái)泵出口位置受力情況如下：

同樣根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(méi)有特殊要求，也就沒(méi)有必要將節(jié)點(diǎn)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(guò)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(tái)離心泵出口管道優(yōu)化過(guò)程中，不僅解決了泵口受力問(wèn)題，同時(shí)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(shí)大大降低泵出口的垂直荷載，并且在整個(gè)管系中避免了使用彈簧支吊架。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，管道是石油化工裝置的重要組成部分。從應(yīng)力角度進(jìn)行理論分析的管道應(yīng)力分析，為管道系統(tǒng)所需研究的每一節(jié)點(diǎn)提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)。以管道應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)的管道的柔性設(shè)計(jì)，結(jié)合工程實(shí)際情況所做出的更有利于工程實(shí)際的管道設(shè)計(jì)，柔性設(shè)計(jì)不僅僅滿足管道和設(shè)備的應(yīng)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(jì)。在一定的基礎(chǔ)上解決了管道在工作時(shí)遇到的因熱脹冷縮、端點(diǎn)附加位移、支架設(shè)置不當(dāng)?shù)仍虍a(chǎn)生應(yīng)力過(guò)大、變形、泄露等問(wèn)題而影響正常運(yùn)行而產(chǎn)生損壞。管道應(yīng)力分析和管道柔性設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中交替進(jìn)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。

參考文獻(xiàn)：

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