石油化工管道設計應力分析基礎上的柔性設計

衣小天

摘 要：我國的石油化工企業(yè)依存國民經濟，借助國民經濟的力量與先進的開采技術逐漸擴大生產規(guī)模，石油化工市場也逐漸形成了興盛發(fā)展的局面。為了給石油開采活動提供更為優(yōu)質的開采環(huán)境，設計人員優(yōu)化了開采準備工作，尤其是在管道施工環(huán)節(jié)中選用了更為適合石油開采環(huán)境的管道設計方法，對管道應力進行分析，采用了柔性設計理念。使石油管道更為穩(wěn)固，本文對這種柔性管道設計方法進行研究。

關鍵詞：石油化工；管道設計；應力分析；柔性設計

石油化工企業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)的重要構成，其對于我國工業(yè)的整體發(fā)展水平存在影響。但是在石油開采期間，開采人員又需要承擔極大的風險，一些石油開采工作中出現(xiàn)的安全事件已經給石油化工企業(yè)的基本信譽度造成了威脅，為了使石油開采以及其他資源利用工作更為安全，石油化工企業(yè)改變了原有的石油管道設計方法，將石油管道系統(tǒng)進一步完善，使管道極具柔性特點，這種設計工作是建設在透徹的應力分析的基礎上的，本文對肉香設計相關工作進行分析。

1 應力分析工作環(huán)節(jié)

1.1 管道應力類型

管道承受的應力承受的主要是管道承受的來自內部與外部的多種影響，內部影響主要包括重力、溫度以及壓力，外部應力存放的環(huán)境氣候影響。這些影響均會影響管道的形態(tài)，使管道出現(xiàn)強制性位移的變動情況，載荷的類型不同，管道承受的應力也存在差異，石油管道需要承受的應力主要有兩種，即一次應力與二次應力。

一次應力主要是在諸如重力、壓力這種外部載荷的影響而形成的，一次應力主要承擔的就是這一類外部荷載，當外部施加的力度增強之后，一次應辦理也會增加。如果管道內部的塑型區(qū)域處于極限擴展的狀態(tài)，其承受的外部荷載也不會增多，但是管道內部還會出現(xiàn)塑性流動情況，管道最終會被破壞。

在管道需要承受端點位移、冷縮以及熱漲等位移性的荷載的時候，管道產生的應力就是二次應力，二次應力可以使管道維持協(xié)調狀態(tài)，在管道體系被有效協(xié)調之后，塑性流動會停止，管道的變形也會隨之停止。

1.2 應力分析的主要作用

通常管道應力分析分為靜力分析和動力分析，本文不討論動力分析內容，靜力分析的任務：使管道中的應力，滿足標準規(guī)范的要求，保證管道自身的安全；使管道對與其相連接的機器、設備的作用力，滿足標準規(guī)范的要求，保證機器、設備的安全；計算管道對支吊架和土建結構的作用力，為支吊架和土建結構的設計提供依據(jù)，保證支吊架和土建結構的安全；計算管道位移，防止位移過大造成支架脫落或管道碰撞，并為彈簧支吊架的選用提供依據(jù)。從安全角度要求管道設計在實際生活中，管道設計的安全性能要求分為：耐壓強度、耐腐蝕性和密封性三方面。在強度和耐腐蝕性方面，運用符合標準的設計材料，防止管道中的石油因為環(huán)境問題而使管道出現(xiàn)問題。另一方面，要保證裝置的正常合理運行。管道布置如果不合理，整個裝置運行過程中就會存在安全罹患，產生各類應力問題。比如在外界溫度變化時產生的熱效力過大，可能會導致管口破損，管架被推壞等后果。

2 柔性設計工作環(huán)節(jié)

在管道自身的應力滿足標準規(guī)范的要求時，因為管道柔性不足而導致法蘭泄漏、管道對設備管咀的推力（矩）不滿足設備供應商的要求，或者管道對結構梁的推力過大等，進而產生安全隱患，甚至使管道或者設備在運行中造成嚴重事故等。

2.1 柔性設計的作用

管道在熱脹冷縮時，將對其相連接的機器、設備和土建結構產生作用力，反之機器、設備和土建結構也將對管道產生反作用力，并在管道中引起應力。當管道系統(tǒng)剛度較大時，推力和應力也較大，并可能導致管道和土建結構的破壞以及影響到機器、設備的正常運行。因此管道應有足夠的柔性。

2.2 基本柔性設計要求

管道設計應該使管道具有必要的柔性，來滿足以下要求：管道應力在標準規(guī)定的允許值內，即二次應力滿足要求；管道對相接設備的力與力矩在設備供應商的允許范圍內，不至于使管道相接的機器、設備產生過大的應力或變形；管道對法蘭的力與力矩應不會導致介質泄漏；管道推力或力矩不會引起管道支吊架的破壞。

在實際管道柔性設計規(guī)定中，還要考慮到：管道溫度應小于等于-50℃，或大于等于100℃；考慮柔性管道的直徑范圍，據(jù)此來設計溫度和管道布置，并視具體情況來確定；存在外加強迫位移的管道應考慮柔性設計；對于敏感設備相連接的管道如離心泵，汽輪機等設備。對石油化工管道設計的多角度應力分析完畢之后，需要依據(jù)應力分析的基礎制作出關于柔性設計的相關方案，具體部分應包括如下內容：管道最大應力所在位置和數(shù)值，對應允許值以及二者的百分比值；支承點、彎頭、管口等關鍵部位在冷、熱態(tài)下的位移；支承在冷、熱態(tài)下所承受的荷載；計算確定的彈簧支承數(shù)據(jù)表，其中應含支承點位移及荷載。

2.3 提升管道柔性的方法

通過以下幾種方法，可以使管道的柔性增加。設計人員首先可以先將管道的原有的幾何布置進行改變，和過去的傳統(tǒng)管道相比，如果的石油應用型管道具有更多的彎頭，其走向也更加復雜，因此設計人員需要將點對點這種類型的管道的數(shù)量增加，借助這種特爾書管道來提升整個管道系統(tǒng)的柔性程度。但是設計人員需要注意，無論是應用三維空間設計，還是使用二維平面設計，都不能改變管道的兩個端點，可以更改的只有管道的幾何布置方式。

在支撐管道的時候，可以應用彈簧型支架，借助這種支架可以使管道支撐系統(tǒng)更具穩(wěn)定性，這種支架在管道系統(tǒng)建設工作之中起到的作用有很多，還可以約束管道在支撐點被釋放之后出現(xiàn)的垂直位移情況，雖然彈簧型支架具有諸多使用優(yōu)勢，但是如果在管道體系之中過多使用這種支架，仍舊會使管道的穩(wěn)定狀態(tài)受到不良影響。

設計人員還可以添加膨脹節(jié)，在不能依靠增設彎道數(shù)量和延長管道長度來解決管道穩(wěn)定性問題的時候，可以借助膨脹節(jié)來使管道具有更強的柔性，但是由于膨脹節(jié)的成本比較高，使用方法復雜，所以這種柔性設計方法并不提倡。

3 結束語

本文對管道設計工作中的兩個工作環(huán)節(jié)進行了分析，首先介紹了應力分析環(huán)節(jié)具體分析的內容，又探究了柔性管道設計環(huán)節(jié)要完成的工作。管道設計是開采環(huán)節(jié)準備共諾的核心任務，如果管道體系不完善，石油等重要資源的運輸工作就無法實現(xiàn)，石油流通工作也就會受到阻礙，在完成應力分析高工作之后，設計人員可以了解到石油管道的質量問題出現(xiàn)的原因，在柔性設計工作之中可以在滿足供應商的需求的同時，合理應對法蘭泄漏以及管道承受的推力過大的情況，減少石油安全隱患出現(xiàn)的概率，設計人員還要全面地考慮到其他的管道影響因素，建設出既完善有充滿柔性的石油管道。

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