淺談精細(xì)化工配管中的應(yīng)力分析

沈輝

（中國化學(xué)工程第三建設(shè)有限公司，安徽合肥230601）

化工工程設(shè)計(jì)中的配管設(shè)計(jì)將工藝設(shè)計(jì)工程化、具體化，其直接影響最終的裝置建設(shè)。因此，配管設(shè)計(jì)在整個裝置設(shè)計(jì)中起著十分重要的作用，配管設(shè)計(jì)水平高低直接關(guān)系到裝置投資和建成投產(chǎn)后能否長期、安全、平穩(wěn)運(yùn)行[1-2]。配管設(shè)計(jì)中設(shè)備布置是否合理，管道材料選用是否合適，管道布置是否科學(xué)經(jīng)濟(jì)和美觀，都將直接影響到整個建設(shè)過程。配管設(shè)計(jì)的正確科學(xué)，可以減少裝置的建設(shè)投資，同時有利于裝置投產(chǎn)后的操作和維修，降低裝置投產(chǎn)后的運(yùn)行成本，確保裝置的安全生產(chǎn)。

1 應(yīng)力分析

配管設(shè)計(jì)首先應(yīng)滿足工藝要求，這是化工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。同時，配管設(shè)計(jì)也必須確保管道安裝的可操作性和管道運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性。其中，管道安全是配管設(shè)計(jì)需要慎重考慮的部分。配管設(shè)計(jì)主要包括設(shè)備布置、管道布置、管道材料和管道機(jī)械等內(nèi)容，其中管道機(jī)械即管道應(yīng)力分析是確保管道安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段，也是本文主要探討的內(nèi)容[1]。

1.1 應(yīng)力分類

管道應(yīng)力是管道自身產(chǎn)生的一種內(nèi)力，是決定管道安全最重要的因素之一，可分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力。其中一次應(yīng)力是由壓力、重力等外加載荷作用于管道而產(chǎn)生的內(nèi)力，其無自限性，隨外部載荷增加而不斷提高。當(dāng)其超過管道材料強(qiáng)度（或屈服）極限時，管道將產(chǎn)生不可逆的塑性變形而發(fā)生斷裂等破壞。二次應(yīng)力是指管道由于熱脹冷縮或者端點(diǎn)附加位移等作用造成管道變形受阻而產(chǎn)生的一種內(nèi)力，本身不與外力直接平衡。二次應(yīng)力有自限性，當(dāng)管道產(chǎn)生少量塑性變形時，即可使應(yīng)力顯著降低。峰值應(yīng)力則是由于管道某點(diǎn)所受載荷、結(jié)構(gòu)等發(fā)生局部突變而造成該點(diǎn)應(yīng)力顯著增大，其管道并不會產(chǎn)生明顯變形，但隨著時間變化可能會造成管道疲勞破壞或者脆性斷裂，一般發(fā)生在高溫高壓或者其他劇烈循環(huán)等惡劣工況下[3]。

1.2 應(yīng)力分析分類

管道的應(yīng)力分析可分為靜力分析與動力分析兩類。其中，靜力分析是指管道在靜載荷作用下的力學(xué)分析，其主要內(nèi)容包括：計(jì)算重力、內(nèi)壓等持續(xù)載荷作用下的一次應(yīng)力,防止管道發(fā)生強(qiáng)度破壞；計(jì)算設(shè)備管口、管道法蘭等連接處的作用力,防止管口或者法蘭受力超限破壞、泄漏；計(jì)算管道支吊架受力,保證支吊架安全穩(wěn)固；對管道柔性進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證管道有足夠柔性吸收由于熱脹（冷縮）等附加位移產(chǎn)生的變形。動力分析是指對壓縮機(jī)等往復(fù)機(jī)械管道的振動分析以及風(fēng)載等外載作用下的管道振動分析[3，5]。

在一般精細(xì)化工項(xiàng)目中，由于管道工況較為簡單溫和，高溫高壓或劇烈循環(huán)工況等惡劣工況出現(xiàn)的頻率較小，且大多數(shù)管道布置在室內(nèi)或者低高度空間內(nèi)，所以其管道應(yīng)力分析主要是靜力分析，其中又以進(jìn)行管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力分析為主，較少考慮峰值應(yīng)力影響。

1.3 應(yīng)力分析方法

管道應(yīng)力分析有很多方法，主要方法有經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y法、計(jì)算式判別法、專業(yè)軟件分析法[3-4]，其中經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y法最為簡單和方便，但其主要依靠分析人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，主觀性較強(qiáng)，一般適用于經(jīng)驗(yàn)判斷柔性足夠的管道或者和已經(jīng)正常運(yùn)行管道具有相同或者相似柔性的同類管道等。此方法已經(jīng)能夠滿足大部分精細(xì)化工管道應(yīng)力分析的要求。計(jì)算式判別法則通過判別式來確定管道柔性，其公式為：

式中：D0—管道外徑；L—管道伸展長度；U—管道兩端連線長度；δ—管道總熱位移量；δ=△X2+△Y2+△Z2[3，5]。

此類方法僅適用于兩端固定，無中間約束，無分支，無變徑，無變壁厚，非高度危害介質(zhì)的簡單管道。在精細(xì)化工管道中，管道操作溫度超過100℃時，除了經(jīng)驗(yàn)判斷以外，也可以采用此簡單方法進(jìn)行初步的管道柔性驗(yàn)算，但此方法限制條件過多。當(dāng)目測法和判別式法都不能準(zhǔn)確判定管道柔性時，或者對于較危險(xiǎn)工況下的管道，則有必要采用專業(yè)應(yīng)力分析軟件進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析。目前在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用最多的應(yīng)力分析軟件是CARSARⅡ，也是作者在日常工作中使用的主要軟件。

2 精細(xì)化工管道

2.1 精細(xì)化工管道的特點(diǎn)

作者所參與的項(xiàng)目中大多數(shù)為精細(xì)化工類，故借此文主要談?wù)劸?xì)化工中的管道應(yīng)力分析。精細(xì)化工項(xiàng)目與石油化工項(xiàng)目相比較而言有著十分明顯的區(qū)別。首先精細(xì)化工裝置規(guī)模普遍較小，工藝管道管徑一般在DN150 以下，生產(chǎn)過程為非高溫高壓，操作溫度一般為0℃～150℃，壓力一般不超過1 MPa，大多數(shù)是間歇生產(chǎn)。從危險(xiǎn)性上說，這種間歇操作的小管徑工藝管道比石油化工裝置的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的高溫高壓大管徑管道來說安全許多。這些管道通過上述的經(jīng)驗(yàn)法或者簡單計(jì)算法就可以初步判斷管道柔性是否滿足要求，一般不需要進(jìn)行專門分析計(jì)算。

2.2 非熱力管道應(yīng)力分析

上述工藝管道受熱脹冷縮作用的影響較小，所需要考慮的應(yīng)力主要為一次應(yīng)力。在設(shè)計(jì)中，一般通過確定合適管道壁厚，就可以滿足管道內(nèi)壓載荷要求。在日常設(shè)計(jì)中所確定的管道壁厚遠(yuǎn)超過管道所需的最小壁厚要求，由內(nèi)壓造成管道一次應(yīng)力超限的可能性較小。除通過壁厚控制內(nèi)壓造成的一次應(yīng)力不超限外，還可以通過合理設(shè)置管架支撐管道載荷能夠控制由重力載荷所造成的一次應(yīng)力不超限。如在閥門、小型管道設(shè)備等集中載荷附近設(shè)置支架,以減少偏心載荷和彎曲應(yīng)力；設(shè)備管嘴附近如有集中載荷，須設(shè)置承重支架，以降低管嘴受力；管架間距確保不超過其所支撐的所有管道中每根管道所允許的最大間距中的最小值，并留有一定的富裕，這樣能保證管道不產(chǎn)生過大彎曲變形[3，6]。通過以上一系列措施，可以較容易實(shí)現(xiàn)非熱力工藝管道一次應(yīng)力不超限。而工程實(shí)踐中，因?yàn)橐淮螒?yīng)力超限造成管道破壞的事故占所有管道事故的比例也并不大。

2.3 熱力管道應(yīng)力分析

在精細(xì)化工項(xiàng)目中，雖然工藝管道操作工況較溫和，一般不需要進(jìn)行專門的應(yīng)力計(jì)算，但公用工程管道中則有飽和蒸汽總管、高溫導(dǎo)熱油總管等大管徑熱力管道，其溫度較高，管徑、壁厚較大，除了要考慮一次應(yīng)力外，還要重點(diǎn)分析二次應(yīng)力。根據(jù)胡克定律公式：

式中：σ—管材應(yīng)力；F—固定點(diǎn)推力，N；E—管材彈性模量，MPa；D—管道外徑，mm；d—管道內(nèi)徑，mm；△L—管道伸縮量，mm[3]；L—計(jì)算管長（兩固定點(diǎn)間直線長度），m。

由公式可知，熱力管道所受應(yīng)力與管道材質(zhì)和溫度有關(guān)，而固定點(diǎn)所受推力除與管道材質(zhì)、管道溫度，還與管道管徑和壁厚有關(guān)。因此，操作溫度越高，管徑、壁厚越大，管道所受應(yīng)力和固定支架所受推力越大。對于此種高溫大管徑管道，通過設(shè)置足夠的承重支架即可以控制管道一次應(yīng)力不超限，而管道所受二次應(yīng)力則無法通過簡單方法確定，需要進(jìn)行專門計(jì)算。通過應(yīng)力分析以確保管道擁有足夠柔性，這樣管道可以通過自身變形吸收熱脹冷縮或其他附加位移變形而不造成管道破壞[3]。

通常在配管設(shè)計(jì)中采用改變管道走向，選用波紋管補(bǔ)償器等方法改善管道柔性。但由于補(bǔ)償器較容易發(fā)生泄漏，使用多個彎頭改變管道走向的方法最為常用[3，5]。同時，正確選用支吊架合理分割管道，能夠起到使管道適應(yīng)變形的作用，如固定支架、導(dǎo)向支架等支架設(shè)置的位置和數(shù)量都會影響到管道和支架的受力。當(dāng)然以上措施只是建立在經(jīng)驗(yàn)判斷所做的措施能夠滿足管道柔性的前提下，對于簡單管道確實(shí)可行。但對于復(fù)雜的管道或者不確定的情況，則有必要用CARSARⅡ等應(yīng)力軟件建模驗(yàn)算，最為穩(wěn)妥。

3 結(jié)束語

精細(xì)化工管道的應(yīng)力分析一般比石油化工管道簡單。在精細(xì)化工管道設(shè)計(jì)中，通過設(shè)計(jì)合理的管道形狀、合理的支架位置和功能,能夠較容易保證管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力不超標(biāo)。對于一些高溫大管徑管道，可以通過CARSARⅡ等應(yīng)力軟件，對管道進(jìn)行專業(yè)應(yīng)力分析，以保證管道應(yīng)力不超標(biāo)。