石油化工管道設(shè)計應(yīng)力分析基礎(chǔ)上的柔性設(shè)計

趙麗京 （武漢金中石化工程有限公司，湖北 武漢 430000）

在石油化工行業(yè)中，管道是石油化工行業(yè)的生命線。管道設(shè)計對石油化工行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。近年來，發(fā)生了多起石油化工廠事故，使石油化工管道的安全性和可靠性在社會上引起了廣泛關(guān)注，石油化工管道設(shè)計工作的重要性日益突出。管道設(shè)計工作是非常復(fù)雜的，主要包括四個部分，分別是管道應(yīng)力分析、管道布置、管道材料設(shè)計和設(shè)備布置，其中管道應(yīng)力分析是管道設(shè)計的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。管道應(yīng)力分析對管道的安全性、可靠性和經(jīng)濟性具有重要影響。通過應(yīng)力分析分析，可以為管道做出強度與安全性的評價，為管道的經(jīng)濟分析提供依據(jù)。目前柔性設(shè)計在管道設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，在應(yīng)力分析基礎(chǔ)上的柔性設(shè)計成為石油化工管道安全性和可靠性的重要保障。

1 管道應(yīng)力簡述

在管道設(shè)計中，為了方便針對管道的強度破壞進(jìn)行研究及管道的剛度破壞進(jìn)行研究，引入應(yīng)力這一概念。受外界因素的影響，包括溫度、濕度等因素，通常材料會發(fā)生變形，材料內(nèi)部為了抵抗這種變形，內(nèi)部各部分會相互作用產(chǎn)生內(nèi)力，這時候在材料截面上，單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)力就是應(yīng)力。管道的應(yīng)力主要是由于管道承受內(nèi)部壓力、外部壓力以及熱膨脹引起的。當(dāng)管道材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到最大值，此時仍不能抵抗外部載荷，這樣會使管道的強度遭到破壞。

1.1 管道應(yīng)力分類

管道往往要受多種外部壓力的共同影響，不僅受熱負(fù)荷的影響，也要受機械載荷的影響，此外還要受壓力載荷等的影響。由于管路不同，管道的區(qū)域不同，在外部壓力作用下，管道會產(chǎn)生不同性質(zhì)的應(yīng)力。管道應(yīng)力主要包括以下幾類。一類是一次應(yīng)力。管道在受到?jīng)_擊荷載、內(nèi)壓等作用下會產(chǎn)生剪應(yīng)力和正應(yīng)力，這就是一次應(yīng)力。一次應(yīng)力與外力相平衡，保持管道不變形。如果為了平衡外力，一次外力超過了極限，管道會發(fā)生塑性變形，從而遭到破壞。所以要留有足夠的寬裕度，以保證材料不發(fā)生屈服。一類是二次應(yīng)力。管道受到外界壓力，發(fā)生了變形，變形會對材料產(chǎn)生束縛，在這種情況下管道產(chǎn)生的剪應(yīng)力和正應(yīng)力就是二次應(yīng)力。二次應(yīng)力主要是為協(xié)調(diào)變形而產(chǎn)生的應(yīng)力，它不能直接與外力平衡。二次應(yīng)力具有自限性的特點，只要有發(fā)生細(xì)小塑性變形就會使二次應(yīng)力變低。交變的次數(shù)會影響二次應(yīng)力的界定，交變的應(yīng)力范圍會直接決定二次應(yīng)力的范圍。一般情況下，管道重復(fù)受二次應(yīng)力，會產(chǎn)生疲勞破壞。三類是峰值應(yīng)力。所謂峰值應(yīng)力就是最高值應(yīng)力，當(dāng)荷載發(fā)生突變，當(dāng)管道結(jié)構(gòu)發(fā)生的突變，這時候局部應(yīng)力不會迅速集中，從而產(chǎn)生峰值應(yīng)力。通常在管道的轉(zhuǎn)彎處、氣孔處和焊接處會產(chǎn)生峰值應(yīng)力。峰值應(yīng)力不會引起管道的顯著變形，但會給管道帶來疲勞性裂紋。

1.2 管道應(yīng)力分析目的

管道應(yīng)力分析主要是通過解決各種問題來保障管道的安全性和可靠性。像管道的強度問題、管道的震動問題等都需要通過用力分析來解決。同時，管道應(yīng)力分析可以為管道布置提供科學(xué)的依據(jù)，為管道安裝提供科學(xué)的參考。具體來說管道應(yīng)力分析目的主要有以下幾點。一是保證管道設(shè)計符合安全要求。石油化工管道對安全有更好的要求，根據(jù)我國的相關(guān)國家規(guī)定，主要從三個方面來評判管道的安全性能，分別是密封性、耐腐蝕性和耐壓強度。其中耐壓強度主要是通過通過管道應(yīng)力分析來實現(xiàn)的。二是保證裝置運行的安全性。石油化工管道通常輸送的是一些易燃易爆的物品，管道布置必須科學(xué)合理，保證不會有任何安全隱患在裝置運行中。在布置管道的時候，如果不夠科學(xué)，管道就會出現(xiàn)應(yīng)力問題，帶來安全隱患。

例如當(dāng)管道的熱應(yīng)力過大時，會導(dǎo)致管件損壞等問題，影響安全生產(chǎn)。管道布置不合理，在動力設(shè)備旁，會發(fā)生共振現(xiàn)象，影響整個系統(tǒng)裝置的安全運行。應(yīng)力分析可以為管道布置提供科學(xué)依據(jù)。

2 管道柔性設(shè)計

近年來，在管道設(shè)計中引入了柔性設(shè)計的理念，進(jìn)一步提高了管道設(shè)計的水平。管道有一個重要特征，就是它有一定的柔性。柔性是管道的一個重要性能。當(dāng)溫度變化時，管道會通過自身變形來適應(yīng)溫度變化，這是管道柔性的一個表現(xiàn)。當(dāng)設(shè)備基礎(chǔ)沉降時，管道會通過自身變形來適應(yīng)位移的變化，這也是管道柔性的一個表現(xiàn)。當(dāng)外界發(fā)生變化時，管道通過自身變化來保證材料上應(yīng)力在可控范圍內(nèi)，從而保證管道的性能。由于溫度變化、內(nèi)壓變化、荷載變化等，管道會出現(xiàn)不同程度的損壞，主要包括以下幾個方面。一是管道由于應(yīng)力超過的范圍而產(chǎn)生了破壞。二是管道支架由于推力過大而遭到了破壞。三是管道發(fā)生泄漏。四是與管道相連的設(shè)備由于管道變形而不能正常運行。管道柔性設(shè)計正是要防止這些問題的產(chǎn)生。下面介紹幾種增加管道柔性的措施。一是用彈簧支吊架支撐管道。用彈簧支吊架可以有效的增加管道的柔性。在管道的支撐點，用彈簧支吊架，支撐點就不用受垂直位移的控制。同時彈簧吊架不宜連續(xù)使用，會影響管道的穩(wěn)定性。二是改變管道的幾何布置。在增加管道柔性的時候，這是一種最理想的方法。不管是在二維平面內(nèi)的管道布置，還是在三維空間內(nèi)的管道布置，改變管道幾何布置的方法是相同的，一種方法是增加彎頭的數(shù)量，一種方法是增加管道的長度。同時在改變管道的幾何布置的時候，要保證管道兩端點固定不變。三是增設(shè)膨脹節(jié)。雖然改變管道布置是增加管道柔性比較理想的方法，但在一些條件和特殊情況下是不能采用的，比如管道的直徑太大，比如管道的設(shè)備工藝有特殊要求，比如受到場地的限制。在這些情況下可以通過增加膨脹節(jié)來增加管道的柔性。但是波紋膨脹節(jié)一般在管道系統(tǒng)中是比較薄弱的環(huán)節(jié)，制作工藝非常復(fù)雜，而且成本也非常高，所以在管道設(shè)計中一般都盡量避免使用。

3 工程實例

某地方有一個大的燒堿項目，年生產(chǎn)能力可達(dá)40萬噸。在針對儲罐和離心泵的進(jìn)出口管道進(jìn)行檢查的時候發(fā)現(xiàn)了問題。對入泵口管道進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)管道的受力和力矩都不符合國家的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，存在一定的安全隱患。需要對離心泵的管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計?？紤]到離心泵氣蝕余量的問題，管道設(shè)計必須短而直，在對管道進(jìn)行柔化設(shè)計的時候，不能采用改變管道走向的方法。在該項目中，為了保證生產(chǎn)效率，泵入口管道必須是同軸度的。這樣對管道的進(jìn)行柔性設(shè)計的時候，也不能采用使用彈簧支架的方法。所以，最后采用了增加膨脹節(jié)的方法對進(jìn)行柔性設(shè)計。通過上述方法對離心泵管道進(jìn)行優(yōu)化后，很好的解決了泵口的受力問題，同時降低了操作難度，消除了管道在運行過程中存在的安全隱患。

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