化工管道設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力設(shè)計(jì)

劉金鳳

（河北寰球工程有限公司，河北涿州 072750）

隨著時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)化工企業(yè)步入高速發(fā)展階段，為此，化工管道規(guī)劃是化工企業(yè)的重要內(nèi)容。化工企業(yè)由于其產(chǎn)品的特殊性，決定了它屬于潛在高風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)，對(duì)其管道的運(yùn)行設(shè)計(jì)首要考慮其安全性能。管道應(yīng)力是化工管道常出現(xiàn)的問題之一，故在化工管道的設(shè)計(jì)工作中，對(duì)其應(yīng)力的設(shè)計(jì)關(guān)注舉足輕重。

1 化工企業(yè)管道的應(yīng)力分類

1.1 一次應(yīng)力

一次應(yīng)力，即管道由于外載負(fù)荷過重而產(chǎn)生的自然物理現(xiàn)象，其主要指的是設(shè)計(jì)階段中，管道遇到的重力導(dǎo)致的應(yīng)力以及管道自身由于輸送原料的自身重力產(chǎn)生的應(yīng)力。由于一次應(yīng)力具有沒有限制的特性，在實(shí)踐中，化工管道無法通過抗壓性來應(yīng)對(duì)一次應(yīng)力，其呈正比，無法避免。但是，由于承受壓力的大小不同，對(duì)管道產(chǎn)生的作用力也存在千差萬別，因此，管材本身的性質(zhì)、管道的設(shè)計(jì)往往可以對(duì)其受一次應(yīng)力后產(chǎn)生的變形程度起決定性因素，為此，在進(jìn)行化工管道的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮一次應(yīng)力的不可抗性，在實(shí)際應(yīng)用中可能產(chǎn)生的管道壓力值進(jìn)行合理的預(yù)判，并采取相應(yīng)的緩解措施。可以進(jìn)行管道應(yīng)力分析計(jì)算以后存在強(qiáng)度更高一級(jí)的管材，在設(shè)計(jì)層面克服一次應(yīng)力對(duì)管道未來運(yùn)行產(chǎn)生的變形危害。

1.2 二次應(yīng)力

二次應(yīng)力一般是受管道在運(yùn)行溫度的影響產(chǎn)生的應(yīng)力現(xiàn)象，二次應(yīng)力與管材自身的性能有著密切的關(guān)系?；瘜W(xué)工業(yè)管道的二次次應(yīng)力一般由運(yùn)行中的溫度因素對(duì)化工管材材料產(chǎn)生的脹縮引起的。對(duì)于一次應(yīng)力，二次應(yīng)力具有較高的自覺性和自限性。即當(dāng)化工管材的荷載超過其承載能力的極限時(shí)，管材的某些部位因無法承受外部荷載而發(fā)生了小面積的塑性變形?；瘜W(xué)工業(yè)中的管道，在經(jīng)過一定時(shí)間的塑性變形后，可以根據(jù)自己的受力情況進(jìn)行平均，使管道的應(yīng)力分布均勻，并抽離塑性變形區(qū)的應(yīng)力，保證管道重要受災(zāi)區(qū)慢慢恢復(fù)。因此在管道設(shè)計(jì)中，要充分考慮運(yùn)行工況對(duì)管道的二次應(yīng)力的影響，高溫高壓等條件對(duì)管道的材質(zhì)和壓力等級(jí)都有很高的要求，為防止由于工況的改變，造成管道的應(yīng)力破壞出現(xiàn)影響管道完整性的現(xiàn)象，應(yīng)將局部易受工況影響的管道進(jìn)行局部加強(qiáng)或是更換材質(zhì)。

1.3 峰值應(yīng)力

峰值應(yīng)力指的是管道在運(yùn)行中部分零件脫落或松動(dòng)而造成的應(yīng)力情況，其直接指向化工管道的設(shè)計(jì)過程失誤。而且，峰值應(yīng)力的產(chǎn)生往往會(huì)增加一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)。峰值應(yīng)力雖難以對(duì)化工管道系統(tǒng)造成束性的變形，但也會(huì)對(duì)管道系統(tǒng)形成潛在的損壞風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)此應(yīng)力情況，管道極易出現(xiàn)裂縫、破損與變質(zhì)等問題出現(xiàn)，這樣的潛在威脅從某一角度上也降低了該化工管道的存在價(jià)值，對(duì)于后續(xù)的管道使用也會(huì)造成影響，可能出現(xiàn)問題。特別是由于峰值應(yīng)力的狀況，管道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，很容易出現(xiàn)局部設(shè)計(jì)不合理造成管道運(yùn)行存在潛在的危害。

2 管道應(yīng)力的分析方法

2.1 動(dòng)力分析

在管道實(shí)際預(yù)應(yīng)力的分析過程之中加強(qiáng)對(duì)于流體的動(dòng)力分析能夠使得工業(yè)在設(shè)計(jì)以及開展過程之中擁有較好的表現(xiàn)，使得相應(yīng)的管道預(yù)應(yīng)力能夠得到最科學(xué)完整的評(píng)估與分析。

（1）化學(xué)管道在進(jìn)行相應(yīng)的物質(zhì)流體運(yùn)輸過程之中，針對(duì)不同流體以及相應(yīng)介質(zhì)中不同的性質(zhì)，根據(jù)性質(zhì)之間的差異性將實(shí)際管道的設(shè)計(jì)過程之中融入介質(zhì)自身的因素，使得管道在實(shí)際使用過程之中避免出現(xiàn)共振等現(xiàn)象，使得相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力變大，影響到管道的使用壽命以及使用效果。

（2）復(fù)式壓縮機(jī)對(duì)于化學(xué)管道的影響依舊很大，在實(shí)際使用與生產(chǎn)過程之中必須將復(fù)式壓縮機(jī)條件干擾考慮到實(shí)際預(yù)應(yīng)力分析過程之中，加強(qiáng)對(duì)于測(cè)量以及測(cè)試工作的精確程度，提升后續(xù)建設(shè)以及使用的效率。復(fù)式壓縮機(jī)在實(shí)際使用過程之中對(duì)于管道帶來的影響也來自于共振現(xiàn)象的發(fā)生，通常情況之中，復(fù)式壓縮機(jī)氣柱的頻率以及相應(yīng)壓力動(dòng)脈等使得整個(gè)振動(dòng)的頻率發(fā)生一定程度的改變，在使用過程之中就很可能出現(xiàn)共振現(xiàn)象，對(duì)于管道造成較大的損傷。

（3）在管道的預(yù)應(yīng)力考慮過程之中將相應(yīng)的外在聯(lián)合作用力也要考慮到實(shí)際的設(shè)計(jì)過程之中，相比較于自身管道設(shè)計(jì)過程之中受到自身設(shè)備以及設(shè)計(jì)的影響，外在預(yù)應(yīng)力對(duì)于整個(gè)管道也會(huì)產(chǎn)生較大的影響，但是外在綜合動(dòng)力來源隨著實(shí)際情況的工作環(huán)境不同也會(huì)產(chǎn)生較大的差異，因此在實(shí)際使用過程之中將相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力外在綜合力根據(jù)實(shí)際情況考慮到最終預(yù)應(yīng)力的影響之中，對(duì)于加強(qiáng)整個(gè)預(yù)應(yīng)力的測(cè)試以及設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都有著十分重要的意義。

2.2 靜力分析

針對(duì)管道的使用狀況標(biāo)準(zhǔn)制定中，預(yù)應(yīng)力是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。石油在生產(chǎn)或運(yùn)輸中，其需要經(jīng)過管道運(yùn)輸方式進(jìn)行運(yùn)輸，管道的強(qiáng)度與承載能力會(huì)直接影響到石油運(yùn)輸?shù)陌踩耘c時(shí)效性。同時(shí)，管道的預(yù)應(yīng)力承受能力，還會(huì)直接影響到石油管道維修工作中的承載能力等，對(duì)于確保石油管道維修工作高效開展有著重要的影響。針對(duì)石油管道的原始數(shù)據(jù)測(cè)量中，測(cè)量的最大缺陷深度、最大缺陷長(zhǎng)度和石油管道的極限拉伸長(zhǎng)度等都需要進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算。這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)于石油管道的維修有著十分重要的影響。特別是在海底管道的最大許用操作中，管道所承受的壓力會(huì)直接影響到石油管道維修的安全性。在維修中，應(yīng)該最大程度地降低管道所承受的壓力，避免在維修過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故。在確保工作壓力相對(duì)穩(wěn)定后，接下來需要對(duì)管道內(nèi)的防腐保溫層等進(jìn)行雜物清理，并在檢查無誤后繼續(xù)投入使用。另外，除了預(yù)應(yīng)力這一種力以外，管道受到熱力學(xué)原理的影響、其熱脹冷縮后還會(huì)造成管道的偏移，導(dǎo)致管道實(shí)際使用出現(xiàn)問題。

3 化工管道設(shè)計(jì)中降低應(yīng)力的策略

3.1 設(shè)置管道支架

設(shè)置管道支架來降低化工管道的應(yīng)力原理，是通過分擔(dān)管道的壓力于重力。對(duì)此，管道支架在設(shè)置的過程中，應(yīng)去除部分承重力，以支架的撐力來緩和化工管道承擔(dān)的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其能夠在一定程度上評(píng)價(jià)管道對(duì)預(yù)應(yīng)力的承受強(qiáng)度，可以確保管道在實(shí)際使用中有著更高的安全性。另外，管道的承壓能力根強(qiáng)的情況下，其管道自身的密度也會(huì)變大，進(jìn)而還可以提高管道的抗腐蝕能力，可以確保管道在實(shí)際使用中有著更加安全的使用效果，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 增加管網(wǎng)的柔韌性

在選擇化工管道的材質(zhì)上也可以對(duì)其柔韌性予以合理的要求，柔韌性作為抗壓能力的一種，能夠在抵抗管道應(yīng)力時(shí)予以一定的抗壓性與自限性。這種完善管道硬件措施的方法，同時(shí)在進(jìn)行管道材質(zhì)的選擇上，要避免不能出現(xiàn)裂痕與縫面。柔韌性較高的管材，受到應(yīng)力沖擊時(shí)極易造成管材裂痕從而導(dǎo)致管道的峰值應(yīng)力過大，這樣會(huì)在出現(xiàn)問題后造成整個(gè)管道系統(tǒng)的癱瘓。故在選擇材料時(shí)應(yīng)細(xì)致檢查管材是否有細(xì)小裂痕。選擇柔韌性強(qiáng)的管道材質(zhì)，能夠在設(shè)計(jì)管道走向的過程中，以最小彎度實(shí)現(xiàn)管道走向的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化、懸空化，使管道與自然因素的基本概率降低，那么其管道受自然條件而發(fā)生一次應(yīng)力的情況就會(huì)相應(yīng)減少。這不僅達(dá)到了降低管道應(yīng)力的概率，同時(shí)也減少了化工管道工程造價(jià)的成本。對(duì)化工管道采取柔韌性較好的管材選擇，與柔性設(shè)計(jì)有著一定的聯(lián)系。柔性設(shè)計(jì)，即根據(jù)管道變形的相應(yīng)特點(diǎn)和規(guī)律，在管系設(shè)計(jì)上對(duì)其變形這一物理變化概念予以相應(yīng)產(chǎn)生因素的區(qū)分。例如在管道發(fā)生變形時(shí)，可以通過對(duì)基本成因的不同分析而采取相應(yīng)的解決政策，以保證相應(yīng)的管道承受能力，防止管道在運(yùn)行中產(chǎn)生位移或是變形的不良現(xiàn)象出現(xiàn)。熱脹冷縮或是自身原因造成的管道變形，可以對(duì)應(yīng)地選用加長(zhǎng)管道或是端點(diǎn)附移的合理設(shè)計(jì)，從而保障設(shè)備的運(yùn)行不受管道應(yīng)力的影響，也最大限度地避免了由于管道疲勞或水平力矩過大造成的輔助支架破壞等情況。

3.3 采取冷緊措施進(jìn)行降低應(yīng)力

冷緊現(xiàn)象的發(fā)生主要源于管道自身有彈性，在預(yù)應(yīng)力的影響之下，自身的形狀以及性質(zhì)受到一定的影響，從而產(chǎn)生相應(yīng)的形變，最后達(dá)到預(yù)應(yīng)力預(yù)期效果，加強(qiáng)對(duì)于管道自身的保護(hù)以及使用。此外，在實(shí)際使用過程之中管道也會(huì)受到流體自身的熱力學(xué)原理發(fā)生熱脹冷縮，導(dǎo)致局部發(fā)生彎曲或者是形變現(xiàn)象，從而又進(jìn)一步增加了管道的扭曲程度，影響到管道的實(shí)際使用，此外，較大程度的扭曲現(xiàn)象甚至?xí)沟昧黧w在運(yùn)輸過程之中造成泄漏現(xiàn)象，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)過程的生命財(cái)產(chǎn)以及相應(yīng)的工作人員的人身健康都造成了威脅，干擾正常的實(shí)際生產(chǎn)。冷緊性容許的技巧，就是利用化學(xué)管件表面的熱應(yīng)力，使化學(xué)管件局部完成熱脹應(yīng)力，在化學(xué)管件的熱態(tài)下，對(duì)其某一區(qū)域進(jìn)行密集的推力和力矩，以達(dá)到減小區(qū)域的應(yīng)力。這一減壓技巧對(duì)于防止化學(xué)管道因過度彎曲而引起的漏油現(xiàn)象很有幫助。在管道設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行了冷緊錯(cuò)位實(shí)驗(yàn)，該技術(shù)允許在熱伸展?fàn)顟B(tài)下發(fā)生的應(yīng)力被施加到冷狀態(tài)下，并通過低壓力管道端口出發(fā)生的推力和力矩，同時(shí)降低了熱伸展應(yīng)力，減弱了對(duì)管道的持續(xù)影響。冷緊固過程緩沖了在管道持續(xù)性處發(fā)生的應(yīng)力，減少了管道受外力的影響，從而保證了管道的安全高效，因此冷緊固措施也是必須采用的重要措施。

4 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)化工企業(yè)的管道正常運(yùn)行，保障企業(yè)的安全高效生產(chǎn)，管道設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行管道的應(yīng)力分析。同時(shí)，在設(shè)計(jì)和敷設(shè)的過程中，要考慮到管道自身的應(yīng)力的需求，以及企業(yè)所在區(qū)域可能發(fā)生的一些外界干擾，嚴(yán)格要求管道的應(yīng)力設(shè)計(jì)，從而全方位地提高化工企業(yè)的管道柔性，避免承受應(yīng)力引起管道斷裂等不良現(xiàn)象的發(fā)生，為企業(yè)和員工帶來負(fù)面影響。同時(shí)要采取合理的應(yīng)對(duì)措施，降低由于應(yīng)力的存在出現(xiàn)的安全問題，通過合理的應(yīng)對(duì)手段延長(zhǎng)管道的使用壽命，保證員工的生命財(cái)產(chǎn)安全，提高企業(yè)的運(yùn)行效益。