石油化工設(shè)計(jì)中管道的應(yīng)力分析

李爭(zhēng)

摘要：應(yīng)力分析是管道設(shè)計(jì)的的基礎(chǔ)，在很大程度上影響化工裝置的正常運(yùn)行。就管道應(yīng)力的主要內(nèi)容、校核條件、管道的應(yīng)力分析范圍界定及管道應(yīng)力分析的方法加以分析，使設(shè)計(jì)人員在了解應(yīng)力分析相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)上保證化工管道的安全可靠。

關(guān)鍵詞：管道設(shè)計(jì)；應(yīng)力分析；柔性設(shè)計(jì)

在整個(gè)石油化工行業(yè)中，管道設(shè)備十分常見，管道設(shè)備屬于石化工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，因此，管道設(shè)計(jì)的安全性及高效性對(duì)于企業(yè)的發(fā)展十分重要。近些年來(lái)，化工管道事故頻繁出現(xiàn)，使得化工管道的安全備受關(guān)注，管道的設(shè)計(jì)問(wèn)題也日益突出。

一般來(lái)說(shuō)，化工管道的設(shè)計(jì)工作十分復(fù)雜，包含應(yīng)力分析、材料選擇以及管道設(shè)備布置等環(huán)節(jié)，目前，為了進(jìn)一步保障管道安全，在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，加入了柔性設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

1應(yīng)力分析的主要內(nèi)容

靜力分析主要是指在靜力荷載的作用下對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析，靜力分析的目的主要是通過(guò)合理的計(jì)算分析防止管道塑形變形破壞、疲勞破壞、管道對(duì)與之相連的機(jī)器作用力過(guò)大，確定合理的支吊架對(duì)土建結(jié)構(gòu)的作用力，防止管道位移過(guò)大造成脫架和碰撞等。

動(dòng)力分析主要是指設(shè)備管道的震動(dòng)分析、管道的地震分析、水錘和沖擊荷載作用下的管道振動(dòng)分析，動(dòng)力分析的目的是為了防止管道系統(tǒng)的機(jī)械共振及震動(dòng)引起的疲勞破壞，防止管道震動(dòng)過(guò)大，防止震動(dòng)對(duì)支架和土建結(jié)構(gòu)造成破壞，防止管道受地震的破壞。

2化工管道應(yīng)力分析價(jià)值簡(jiǎn)介

（1）確保管道始終處于安全狀況。管道對(duì)于化工企業(yè)而言十分重要，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）確保管道附屬設(shè)備始終處于安全狀況。眾所周知，管道周圍部署有大量的附屬設(shè)備，例如三通、法蘭等，由于化工管道內(nèi)的介質(zhì)充滿了危險(xiǎn)性，如果附屬設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，也極易容易產(chǎn)生安全問(wèn)題，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，其附屬設(shè)備會(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設(shè)備的布置及安全提供保障。

3管道柔性設(shè)計(jì)

3.1管道柔性設(shè)計(jì)目的及要求

對(duì)于化工管道而言，管道的首末端以及三通位置處連接有大量的機(jī)械設(shè)備或水泥建筑，當(dāng)管道受到內(nèi)部介質(zhì)的熱脹冷縮作用時(shí)，管道會(huì)對(duì)周圍的機(jī)械設(shè)備或水泥建筑產(chǎn)生一定的作用力，同時(shí)，機(jī)械設(shè)備或水泥建筑也會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生一定的反向作用力，從而使得管道承受的外界應(yīng)力增大，如果管道自身具有很強(qiáng)的剛度，則在反向作用力的推動(dòng)下，會(huì)使得管道周圍的機(jī)械設(shè)備或水泥建筑遭受破壞，因此，在對(duì)管道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須要求管道自身具有一定的柔性。

在對(duì)管道進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足四項(xiàng)要求：管道所承受的應(yīng)力維持于安全狀態(tài)，其二次應(yīng)力必須滿足相應(yīng)的規(guī)范要求；管道周圍附屬設(shè)備或土方建筑所承受的力矩和力必須維持在安全要求內(nèi)，從而防止應(yīng)管道運(yùn)行對(duì)設(shè)備或土方建筑產(chǎn)生破壞；在外力的作用下，管道上的法蘭不會(huì)因自身受力原因引起化工原料泄漏；在管道內(nèi)外力的作用下，不會(huì)對(duì)維持管道平衡的支架產(chǎn)生破壞，從而使得管道始終處于平衡狀態(tài)。

3.2化工管道柔性設(shè)計(jì)方案

在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須從四方面出發(fā)進(jìn)行深層次考慮。

（1）管道溫度，管道溫度不得超過(guò)100℃，同時(shí)，也不得小于-50℃，否則，管道自身極易產(chǎn)生變形，從而危險(xiǎn)自身及附屬設(shè)備安全；

（2）管道直徑，在對(duì)其進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)管道的實(shí)際直徑，對(duì)管道的布置情況進(jìn)行安排；

（3）外力，如果管道長(zhǎng)時(shí)間承受較大的外力作用或者可能會(huì)產(chǎn)生位移，則必須進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)；

（4）附屬設(shè)備，如果管道所連接的附屬設(shè)備較多，例如泵、壓縮機(jī)等，則在設(shè)備連接處需要對(duì)其進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

一般來(lái)說(shuō)，目前的柔性設(shè)計(jì)一般是從三方面出發(fā)對(duì)其進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，分別是增加自然補(bǔ)償、選擇支吊架固定以及改變管道走向。

（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、最高效的自然補(bǔ)償為“π”補(bǔ)償器，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，此時(shí)可使用螺紋管補(bǔ)償器。自然補(bǔ)償?shù)木唧w安裝步驟為：選擇補(bǔ)償類型，補(bǔ)償類型的選擇需要根據(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)。

（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，其計(jì)算公式：

σA=f（1.25σc+0.25σk）

式中：σA———管道自身所能承受的彎曲應(yīng)力，MPa；f———應(yīng)力系數(shù)，該系數(shù)與管道材料有關(guān)，一般情況下，隨著管道鋼級(jí)的增加，其應(yīng)力系數(shù)也會(huì)隨著增加；σc———管道受熱時(shí)所能承受的應(yīng)力，MPa；σk———管道在冷態(tài)作用下管道所能承受的應(yīng)力。

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)所有類型應(yīng)力的分析結(jié)果進(jìn)行確定。

（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。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，管道的應(yīng)力分析是管道設(shè)計(jì)不可或缺的重要組成，在很大程度上保證了化工裝置的安全可靠運(yùn)行。通過(guò)應(yīng)力分析研究管道在各種荷載作用下產(chǎn)生的力、力矩、應(yīng)力、位移等，有助于設(shè)計(jì)人員對(duì)管道安全性做出準(zhǔn)確的判斷，進(jìn)一步優(yōu)化管道的設(shè)計(jì)，使管道更安全、合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋岢岢.工業(yè)管道應(yīng)力分析與工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)石化出版社，2011.

[2]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析（第二版）[M].北京：中國(guó)石化出版社，2009.

（作者單位：海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院）