石油化工設(shè)計中的管道應(yīng)力分析

周長江

(江蘇省紡織工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210008)

石油化工設(shè)計中的管道應(yīng)力分析

周長江

(江蘇省紡織工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210008)

在石油化工裝置的管道設(shè)計中，管道應(yīng)力分析至關(guān)重要。本文介紹了管道應(yīng)力分類、詳細(xì)應(yīng)力分析管道的確定方法和管道應(yīng)力分析的主要內(nèi)容。最后，對管道柔性設(shè)計進(jìn)行了簡單分析。

管道應(yīng)力；柔性設(shè)計；應(yīng)力分析

在近年來，管道設(shè)計技術(shù)逐漸為人們所重視，并取得了較大進(jìn)展，管道應(yīng)力分析是管道設(shè)計的基礎(chǔ)，它研究管道在各種荷載作用下產(chǎn)生的力、力矩和應(yīng)力，從而作出對于管道安全性的評價，使設(shè)計的管道盡可能經(jīng)濟(jì)合理。目前管道應(yīng)力分析在石油化工行業(yè)中的安全生產(chǎn)、優(yōu)化設(shè)計、節(jié)約材料等方面起到了顯著的作用，并在各行業(yè)的管道設(shè)計中占據(jù)了重要位置。

1 管道應(yīng)力分類

管道在內(nèi)壓、持續(xù)外載以及熱脹、冷縮和其它位移等載荷作用下，其最大應(yīng)力往往超過材料的屈服極限，使材料在工作狀態(tài)下發(fā)生塑性變形，另外高溫管道的蠕變和應(yīng)力松弛，也將使管系上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。對于不同種類的應(yīng)力應(yīng)當(dāng)區(qū)別對待，根據(jù)它可能產(chǎn)生的效應(yīng)和對于破壞所起的作用不同，給與不同的限定。管道上的應(yīng)力，一般分析一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力三類[1]。

1.1 一次應(yīng)力

一次應(yīng)力是由于外加荷載，如壓力和重力等作用而產(chǎn)生的應(yīng)力。

一次應(yīng)力的特點(diǎn)是非自限性，滿足與外加荷載的平衡關(guān)系，隨外加荷載的增加而增加，且無自限性，當(dāng)其值超過材料的屈服極限時，管道將產(chǎn)生塑性變形而破壞。管道承受的介質(zhì)內(nèi)壓、自重、介質(zhì)重量等持續(xù)外荷載而產(chǎn)生的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力。

1.2 二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是由于管道變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，它不直接與外力平衡。

二次應(yīng)力的特點(diǎn)是具有自限性，當(dāng)管道局部屈服和產(chǎn)生小量變形時應(yīng)力就能降下來。二次應(yīng)力過大時，將使管道產(chǎn)生疲勞破壞。在管道中，二次應(yīng)力一般由熱脹冷縮和端點(diǎn)位移引起。

1.3 峰值應(yīng)力

峰值應(yīng)力是管道或附件由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部熱應(yīng)力效應(yīng)(包括局部應(yīng)力集中)附加到一次應(yīng)力或二次應(yīng)力的增量。

它的特點(diǎn)是不引起顯著的變形，而且在短距離內(nèi)從它的根源衰減，它是一種導(dǎo)致疲勞裂紋或脆性破壞的可能原因。管道附件上小半徑圓角處、焊縫未焊透處的應(yīng)力，均屬于峰值應(yīng)力。

2 需要進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析管道的確定方法

確定哪些管道需要進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，是管道應(yīng)力分析的重要內(nèi)容。所有管道都進(jìn)行應(yīng)力分析顯然沒有必要。但如果進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析的管道過少，可能漏掉某些重要管道，造成安全隱患。因此恰到好處的確定需要進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析的管道非常有必要。管道是否進(jìn)行應(yīng)力分析與管徑、溫度和所連接的設(shè)備有關(guān)。一般來講，管徑較大、溫度較高以及與重要機(jī)器設(shè)備相連的管道需要進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析。由于管內(nèi)介質(zhì)的危害程度、配管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的完善程度和配管設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)水平也對管道是否需要進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析具有重要影響，因此不同行業(yè)、不同工程公司以至于不同設(shè)計項(xiàng)目對哪類管道需要進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析也有不同的規(guī)定。下面對石油化工管道柔性設(shè)計規(guī)范(SH/T 3041-2002)中規(guī)定做詳細(xì)介紹。

2.1 管道柔性設(shè)計分析方法

管道柔性設(shè)計包括簡化分析方法和計算機(jī)分析方法。分析方法應(yīng)根據(jù)管道所連接的設(shè)備類型、管道操作溫度和公稱直徑等設(shè)計條件確定。

2.2 管道柔性設(shè)計中的計算機(jī)分析方法[2]

下列管道宜采用計算機(jī)分析方法進(jìn)行柔性設(shè)計：操作溫度大于400℃或小于-50℃的管道；進(jìn)出加熱爐及蒸汽發(fā)生器的高溫管道；進(jìn)出反應(yīng)器的高溫管道；進(jìn)出汽輪機(jī)的蒸汽管道；進(jìn)出離心壓縮機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)的工藝管道；與離心泵連接的管道，可根據(jù)設(shè)計要求或SH/T 3041-2002中離心泵柔性設(shè)計方法的選擇來確定柔性設(shè)計方法；設(shè)備管口有特殊受力要求的其他管道；利用簡化分析方法分析后，表明需要進(jìn)一步詳細(xì)分析的管道。

2.3 可不進(jìn)行柔性設(shè)計的管道

與運(yùn)行良好的管道柔性相同或基本相當(dāng)?shù)墓艿?；和已分析的管道比較，確認(rèn)有足夠柔性的管道；對具有同一直徑、同一壁厚、無支管、兩端固定、無中間約束并能滿足SH/T 3041-2002公式要求的非極度危害或非高度危害介質(zhì)的管道。

3 管道應(yīng)力分析的主要內(nèi)容

管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動力分析。一個管系對動態(tài)載荷和對一同等大小的靜態(tài)載荷的響應(yīng)完全不同，靜態(tài)載荷是載荷被緩慢地施加使管道系統(tǒng)有足夠的時間來響應(yīng)并在系統(tǒng)內(nèi)部分配，同時使系統(tǒng)保持平衡狀態(tài)，在平衡狀態(tài)，所有的力和力矩都被消除，并且管子不運(yùn)動。動態(tài)載荷是載荷隨時間快速變化，管系沒有時間在內(nèi)部分配載荷，于是力和力矩不能消除，導(dǎo)致產(chǎn)生了不平衡載荷，因此管子發(fā)生運(yùn)動，由于力和力矩的總和并非一定等于零，其內(nèi)部產(chǎn)生的載荷與施加載荷不相等。

3.1 靜力分析[3]通常靜力分析包括：

(1)計算壓力荷載和持續(xù)載荷作用下的一次應(yīng)力，以防止塑性變形破壞。一次應(yīng)力值不超過管材的許用應(yīng)力即認(rèn)為是可靠的。

(2)計算管道熱脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移等位移載荷作用下的二次應(yīng)力，以防止疲勞破壞。二次應(yīng)力需用熱脹許用應(yīng)力范圍來判斷， 熱脹許用應(yīng)力范圍不應(yīng)大于下式計算所得的數(shù)值:

式中：σA——熱脹許用應(yīng)力范圍；

f——在全部工作年限內(nèi)，根據(jù)管道伸縮的總循環(huán)次數(shù)確定應(yīng)力降低系數(shù)。

當(dāng)一次應(yīng)力小于許用應(yīng)力值，其剩余部分可加到上式中的 項(xiàng)內(nèi)，增大熱脹許用應(yīng)力范圍的數(shù)值。

(3)計算管道對設(shè)備的作用力，防止作用力太大，保證設(shè)備正常運(yùn)行。設(shè)備管嘴受力不應(yīng)超過制造廠提供的允許值，對離心泵、加熱爐、空冷器等設(shè)備管嘴允許受力的最嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)為美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)(API)，蒸汽輪機(jī)管嘴受力的最嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)為美國電氣制造商協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)(NEMA SM 23)，計算時可參照執(zhí)行。

(4)計算管道支吊架受力，為支吊架設(shè)計提供依據(jù)。

(5)計算管道上的法蘭受力，防止法蘭泄露。據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，管道上法蘭處的應(yīng)力(不計內(nèi)壓產(chǎn)生的管道應(yīng)力)應(yīng)控制在70 MPa以下，進(jìn)一步較為精確的計算可將法蘭所承受的外力和力矩，折合為當(dāng)量壓力，并與管道的設(shè)計壓力相加作為法蘭的設(shè)計壓力。

3.2 動力分析

動力分析包括：管道自振頻率分析，防止管道系統(tǒng)共振；管道強(qiáng)迫振動響應(yīng)分析，控制管道振動及應(yīng)力；往復(fù)式壓縮機(jī)(泵)氣(液)柱頻率分析，防止氣柱共振；往復(fù)式壓縮機(jī)(泵)壓力脈動分析，控制壓力脈動值。

4 管道柔性設(shè)計

4.1 管道柔性設(shè)計的目的

管道柔性設(shè)計的目的是保證管道在設(shè)計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、端點(diǎn)附加位移、管道支承設(shè)置不當(dāng)?shù)仍蛟斐上铝袉栴}。

(1)管道應(yīng)力過大引起金屬疲勞和(或)管道推力過大造成支架破壞；

(2)管道連接處泄露；

(3)管道推力或力矩過大，使與其連接的設(shè)備產(chǎn)生過大的應(yīng)力或變形，影響設(shè)備正常運(yùn)行。

4.2 管道柔性設(shè)計的方法

管道柔性反映了管道變形的難易程度，表示管道通過自身變形吸收熱脹、冷縮和其它位移變形的能力。通常采用以下三種方法來增加管道柔性，改善管系的受力狀況：改變管道走向，增加管道的自然補(bǔ)償能力。這種補(bǔ)償方式構(gòu)造簡單、運(yùn)行可靠、投資少，被廣泛采用；選用補(bǔ)償器。其特點(diǎn)是補(bǔ)償能力大，占地小，但制造較復(fù)雜，價格高，適用于低壓大直徑管道。常用的補(bǔ)償器有波形補(bǔ)償器、套管式補(bǔ)償器、球形補(bǔ)償器等；選用彈簧支吊架。

4.3 管道柔性設(shè)計時需考慮的問題[4]

在管道柔性設(shè)計中，除考慮管道本身的熱脹冷縮外，還應(yīng)考慮下列管道端點(diǎn)的附加位移。

(1)靜設(shè)備熱脹冷縮時對連接管道施加的附加位移；

(2)轉(zhuǎn)動設(shè)備熱脹冷縮在連接管口處產(chǎn)生的附加位移；

(3)加熱爐管對加熱爐進(jìn)出口管道施加的附加位移；

(4)儲罐等設(shè)備基礎(chǔ)沉降在連接管口處產(chǎn)生的附加位移；

(5)不與主管一起分析的支管，應(yīng)將分支點(diǎn)處主管的位移作為支管端點(diǎn)的附加位移。

5 結(jié)論

綜上所述，在整個石油化工裝置中的管道設(shè)計中，管道的應(yīng)力分析對于管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著緊密的聯(lián)系。清楚哪些管道需要進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析，如何進(jìn)行管道的詳細(xì)應(yīng)力分析和管道的柔性設(shè)計，對管道設(shè)計影響顯著。因此，管道應(yīng)力分析在石油化工的管道設(shè)計中有著重要的作用。

[1] 張德姜，王懷義，劉紹葉．石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計手冊[M]．北京：中國石化出版社，2009．

[2] 張德姜，張發(fā)有，修長征．全國壓力管道設(shè)計審批人員培訓(xùn)教材[M]．北京：中國石化出版社，2011．

[3] 宋岢岢．壓力管道設(shè)計及工程實(shí)例[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

[4] 唐永進(jìn)．壓力管道應(yīng)力分析[M]．北京：中國石化出版社，2003．

(本文文獻(xiàn)格式：周長江.石油化工設(shè)計中的管道應(yīng)力分析[J].山東化工，2017，46(20)：129-130.)

PipelineStressAnalysisinPetrochemicalDesign

ZhouChangjiang

(Jiangsu Province Textile Industry Design amp; Research Institute Co., Ltd., Nanjing 210008, China)

In pipeline design of petrochemical plant, pipeline stress analysis was critical. The paper introduced that the classification of pipeline stress, the determination of detailed stress analysis of pipeline and the main contents of the pipeline stress analysis. In the end, the flexibility design of pipeline was analyzed briefly.

pipeline stress；flexibility design；stress analysis

2017-08-17

周長江(1983—)，山東濟(jì)寧人，工程師，主要從事化工化纖工藝設(shè)計。

TQ055.8+1

A

1008-021X(2017)20-0129-02