石油化工管道應(yīng)力設(shè)計(jì)探究

黃春華

摘要：管道應(yīng)力是指管道在工作中由于受到內(nèi)部介質(zhì)壓力、外界環(huán)境載荷及自身重量的影響，與管道端點(diǎn)發(fā)生強(qiáng)制位移而形成的應(yīng)力。管道承受的應(yīng)力不同，管道自身所受的損害也不同。管道應(yīng)力容易使管道產(chǎn)生安全問(wèn)題，在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中必須予以重視。

關(guān)鍵詞：石油化工；管道應(yīng)力；設(shè)計(jì)

1石油化工管道應(yīng)力分析價(jià)值簡(jiǎn)介

對(duì)石油化工管道進(jìn)行應(yīng)力分析的意義在于通過(guò)發(fā)現(xiàn)管道全線的異常應(yīng)力狀況、判斷管道的安全與否，因此，類(lèi)似于化工管道這種對(duì)于強(qiáng)度、剛度以及柔性都具有一定要求的設(shè)備必須通過(guò)應(yīng)力分析的方式保障其安全。在另一方面，通過(guò)應(yīng)力分析，還可以為管道建設(shè)初期管道的布置狀況提供有效建議，為管道及附屬設(shè)備的安全提供指導(dǎo)。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)化工管道進(jìn)行應(yīng)力分析的價(jià)值主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）確保管道始終處于安全狀況。管道是石油化工企業(yè)十分重要組成部分，因此，保障管道的安全是企業(yè)順利生產(chǎn)的前提，在管道安全判斷方面，我國(guó)已發(fā)布相應(yīng)的要求，要求指出，管道的密封程度、抗腐蝕能力以及抗壓強(qiáng)度是判斷管道安全的關(guān)鍵，在這三方面中，抗壓強(qiáng)度需要通過(guò)應(yīng)力分析的方式進(jìn)行判斷。

（2）確保管道附屬管件始終處于安全狀況。眾所周知，裝置管道周?chē)渴鹩写罅康母綄俟芗?，例如閥門(mén)、三通、彎頭、法蘭等等，由于化工管道內(nèi)的介質(zhì)很多都是有毒、易燃易爆的，如果附屬管件出現(xiàn)泄露現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。例如，當(dāng)管道內(nèi)介質(zhì)的溫度過(guò)高時(shí)，受熱脹冷縮的作用，其附屬管件承受的壓力高于其設(shè)計(jì)壓力將會(huì)出現(xiàn)損壞狀況，從而造成化工氣體泄漏，通過(guò)應(yīng)力分析的方式可以為附屬管件的布置及安全提供保障。

2石油化工管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析

（1）管道應(yīng)力的形式。一次應(yīng)力是管道受到重力、壓力及其他外部荷載而產(chǎn)生的應(yīng)力。一次應(yīng)力會(huì)平衡這些外部荷載，其大小并與外部荷載成正相關(guān)。沒(méi)有自限性是一次應(yīng)力的主要特征之一，即當(dāng)管道受力達(dá)到屈服極限，即使不再增加外部荷載，管道它仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形，直至發(fā)生破壞。二次應(yīng)力由管道變形受到約束而產(chǎn)生，起因?yàn)楣艿罍囟茸兓斐傻男巫円约岸它c(diǎn)位移引起。與一次應(yīng)力不同，二次應(yīng)力具有自限性，當(dāng)局部變形就可以使管道維持協(xié)調(diào)狀態(tài)，管道將不再繼續(xù)發(fā)生形變。

（2）應(yīng)力分析的分類(lèi)。應(yīng)力分析分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種形式。靜態(tài)分析的對(duì)象主要為管道受到的靜態(tài)荷載，即管道自身重力、管道溫度變化引起的形變等不隨時(shí)間發(fā)生變化的載荷。而動(dòng)態(tài)分析的對(duì)象通常包括管道由動(dòng)態(tài)設(shè)備、兩相流、地震引起的振動(dòng)等。

（3）應(yīng)力分析的目的。本文以靜態(tài)分析為主，旨在分析管內(nèi)流體相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下的管道應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)優(yōu)化是管道、設(shè)備及支架受力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，保證管道、設(shè)備及結(jié)構(gòu)安全。通過(guò)模擬，分析并優(yōu)化各種工況下的應(yīng)力狀態(tài)，使得管道及管件滿(mǎn)足其許用應(yīng)力，法蘭墊片符合其溫壓曲線，設(shè)備管口滿(mǎn)足其需用載荷，保證管道與設(shè)備的安全。同時(shí)，應(yīng)力分析為管道相關(guān)的結(jié)構(gòu)向相關(guān)專(zhuān)業(yè)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，相互協(xié)作并優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證結(jié)構(gòu)的安全性。其次對(duì)管道位移進(jìn)行分析，防止由于位移過(guò)大導(dǎo)致的管托滑脫和管道碰撞，并對(duì)彈簧支吊架的選擇和使用提供相應(yīng)的參考依據(jù)。其次，還應(yīng)考慮注意動(dòng)設(shè)備，應(yīng)有效地設(shè)置彈簧支吊架、固定支架、軟連接等以減少其振動(dòng)造成的影響，并通過(guò)優(yōu)化支架，管道走向等避開(kāi)管道共振頻率。最后在具體工作中根據(jù)實(shí)際情況，還應(yīng)注意地震、風(fēng)荷載、雪荷載等偶然載荷的影響，保證生產(chǎn)安全。

3石油化工管道柔性強(qiáng)化設(shè)計(jì)

3.1增加自然補(bǔ)償

管道自身具有一定的補(bǔ)償作用，補(bǔ)償作用能有效防止管道產(chǎn)生變形，當(dāng)管道所受內(nèi)外力較大時(shí)，則需要增設(shè)自然補(bǔ)償。目前，最常見(jiàn)、最高效的自然補(bǔ)償為“π”型補(bǔ)償，但是如果化工管道內(nèi)輸送介質(zhì)的溫度相對(duì)較高，且輸量較大，該種補(bǔ)償器的使用會(huì)受到一定的限制。自然補(bǔ)償?shù)木唧w安裝步驟為：選擇補(bǔ)償類(lèi)型，補(bǔ)償類(lèi)型的選擇需要根據(jù)管道內(nèi)介質(zhì)的溫度及管道管徑?jīng)Q定；對(duì)管道的膨脹量進(jìn)行計(jì)算，管道膨脹量的計(jì)算公式為：膨脹量=膨脹系數(shù)×管長(zhǎng)；確定補(bǔ)償位置，補(bǔ)償位置應(yīng)盡可能靠近兩個(gè)管道固定點(diǎn)的中心位置；對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行校核，確保增加固定點(diǎn)后管道可以始終處于安全狀態(tài)。

3.2選擇支吊架固定

支吊架的主要作用是對(duì)管道的自身重量和外界應(yīng)力進(jìn)行平衡，從而防止管道出現(xiàn)過(guò)度彎曲問(wèn)題，在增加支吊架時(shí)，首先應(yīng)對(duì)管道自身能承受的彎曲應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

在支吊架數(shù)量確定方面，如果從一次應(yīng)力分析結(jié)果出發(fā)，則其數(shù)量就需要增加，從而使得管道自身承受的應(yīng)力降低；如果從二次應(yīng)力分析結(jié)果出發(fā)，則其數(shù)量就需要減少，從而防止支吊架自身對(duì)管道產(chǎn)生約束作用。綜合來(lái)說(shuō)，支吊架的數(shù)量必須根據(jù)所有類(lèi)型應(yīng)力的分析結(jié)果進(jìn)行確定。

3.3改變管道走向

通過(guò)改變管道自身走向是進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)最為間接的方法，這主要是因?yàn)樵诠艿纼啥耸艿郊s束的作用下，改變管道的走向，可能會(huì)使得管道的長(zhǎng)度增加，同時(shí)管道彎頭的數(shù)量也會(huì)得到不同程度的降低，從而使得管道的柔性增加。最有利于管道安全的走向?yàn)長(zhǎng)型走向，這種類(lèi)型的走向僅在兩端管道之間產(chǎn)生了一個(gè)彎頭，同時(shí)還可以保證兩節(jié)管道始終處于最長(zhǎng)狀態(tài)。當(dāng)采用該種方法進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須保證化工單位內(nèi)擁有充足的空間。

3.4汽輪機(jī)與氣壓機(jī)的進(jìn)出口連接管道

（1）汽輪機(jī)和氣壓機(jī)都屬于高速轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，在其制造結(jié)構(gòu)方面，既要預(yù)留機(jī)器的膨脹裕度，又要保持轉(zhuǎn)動(dòng)部件的余隙緊湊，如果管道對(duì)其產(chǎn)生的力和力矩太大，將使設(shè)備的形變和局部的壓力增大，轉(zhuǎn)子和定子之間的摩擦和振動(dòng)增加。因此，在布置管道時(shí)，不僅要滿(mǎn)足管道本身的應(yīng)力設(shè)計(jì)要求，還要滿(mǎn)足機(jī)器進(jìn)出口嘴子的允許受力要求。

（2）管道的走向布置，應(yīng)盡可能適應(yīng)機(jī)器進(jìn)出口嘴子的位移方向。固定支架的位置應(yīng)設(shè)在比較靠近機(jī)器進(jìn)出口嘴子的地方，即在滿(mǎn)足機(jī)器嘴子允許受力要求下應(yīng)盡可能縮短。

（3）在管道設(shè)計(jì)時(shí)，除管道滿(mǎn)足應(yīng)力要求外，汽輪機(jī)或氣壓機(jī)嘴子連接管道對(duì)于嘴子的作用力和力矩也有嚴(yán)格的限制。按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NEMASM23和API617的規(guī)定，不僅要滿(mǎn)足進(jìn)口或出口嘴子本身的受力允許值要求，還要滿(mǎn)足進(jìn)口和出口轉(zhuǎn)移到出口或進(jìn)口中心線綜合的合力和合成力矩的允許值要求。在布置管道時(shí)，往往是比較容易滿(mǎn)足前者，而后者較難滿(mǎn)足，這不僅要求管道布置結(jié)構(gòu)合理，支架適當(dāng)，還應(yīng)要求在設(shè)備布置時(shí)給予注意。

（4）支吊架設(shè)計(jì)要點(diǎn)：（1）汽輪機(jī)和氣壓機(jī)進(jìn)出口嘴子附近第一個(gè)支架應(yīng)盡可能靠近進(jìn)出口嘴子。若進(jìn)出口嘴子向下，則應(yīng)在嘴子中心線的正下方設(shè)彈簧支架；（2）在計(jì)算支架的荷重時(shí)，應(yīng)使支架承擔(dān)進(jìn)出口管道的全部荷重。這樣做可以減小機(jī)器嘴子的垂直方向的受力；（3）為了防止過(guò)大的側(cè)向位移和減少振動(dòng)的影響，可在管道上設(shè)置一些導(dǎo)向支架。總之，對(duì)汽輪機(jī)與氣壓機(jī)進(jìn)出口連接管道的支吊架，除了承受管道荷重之外還應(yīng)考慮減少嘴子的受力問(wèn)題。

綜上所述，在應(yīng)力分析過(guò)程中，對(duì)管道柔性進(jìn)行強(qiáng)化，優(yōu)化管道系統(tǒng)。在滿(mǎn)足工藝要求的前提下，平衡管道系統(tǒng)各組成部分的受力，防止管道本身的破壞、失穩(wěn)和法蘭泄漏，減小設(shè)備接口和支撐結(jié)構(gòu)的受力，從而避免由這些問(wèn)題引起的安全問(wèn)題。進(jìn)而保證安全穩(wěn)定的生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：茂名市潤(rùn)興化工工程有限公司）