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

錢勝輝，柯先梅（洛陽瑞銘石化技術(shù)有限公司，河南洛陽 471003）

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

錢勝輝，柯先梅
（洛陽瑞銘石化技術(shù)有限公司，河南洛陽 471003）

近年來，多起石油化工事故的發(fā)生引起了廣泛關(guān)注，對(duì)于石油化工的安全性也受到管理層的重視。石油化工安全基礎(chǔ)在于化工管道，管道是石油化工裝置中不可缺少的組成部分，它連接著各種設(shè)備和相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)施，保障著各類流體安全輸送。針對(duì)石油化工設(shè)計(jì)中的管道設(shè)計(jì)在應(yīng)力分析及管道的柔性設(shè)計(jì)，為管道的經(jīng)濟(jì)分析提供依據(jù)。

石油化工；應(yīng)力分析；柔性設(shè)計(jì)

管道在石油化工行業(yè)起著舉重若輕的作用，它是化工行業(yè)的生命線，沒有管道的建造和設(shè)計(jì)，石油運(yùn)輸根本不現(xiàn)實(shí)。而常見的石油化工管道設(shè)計(jì)工作非常復(fù)雜，本文通過從應(yīng)力分析及管道的柔性設(shè)計(jì)，為石油化工管道的安全性和可靠性提供保障。

1　管道應(yīng)力分析簡(jiǎn)介

管道應(yīng)力分析，實(shí)際上是指對(duì)管道進(jìn)行包括應(yīng)力計(jì)算在的力學(xué)分析，并使分析結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，從而保證管道自身和與其相連接的機(jī)器設(shè)備以及土建結(jié)構(gòu)的安全。

1.1管道應(yīng)力分類

管道應(yīng)力是指管系在受管內(nèi)介質(zhì)的壓力、溫度、重力和外部影響如管道外保溫、風(fēng)雪地震等自然條件以及管道端點(diǎn)所受的強(qiáng)制位移等載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力。不同類型的載荷對(duì)管道產(chǎn)生不同類型的破壞，我們將這些不同載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力分為兩類：一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。

一次應(yīng)力：由于壓力、重力和其他外力載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。它是外部載荷的實(shí)際承擔(dān)者，隨外力的增加而增加，當(dāng)管道內(nèi)的塑性區(qū)擴(kuò)展達(dá)到極限狀態(tài)，即使外力載荷不再增加，管道仍將產(chǎn)生不可限制的塑性流動(dòng)，直至破壞。

二次應(yīng)力：由于熱脹、冷縮、端點(diǎn)位移等位移載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。它是為了滿足管系變形協(xié)調(diào)條件所產(chǎn)生的應(yīng)力，只要彈塑性總變形量能協(xié)調(diào)管系中的不連續(xù)性，塑性流動(dòng)就自動(dòng)停止，變形不再繼續(xù)增大。

1.2管道應(yīng)力分析的意義和目的

通常管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動(dòng)力分析，本文不討論動(dòng)力分析內(nèi)容，靜力分析的任務(wù)：

（1）使管道中的應(yīng)力，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，保證管道自身的安全；

（2）使管道對(duì)與其相連接的機(jī)器、設(shè)備的作用力，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，保證機(jī)器、設(shè)備的安全；

（3）計(jì)算管道對(duì)支吊架和土建結(jié)構(gòu)的作用力，為支吊架和土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，保證支吊架和土建結(jié)構(gòu)的安全；

（4）計(jì)算管道位移，防止位移過大造成支架脫落或管道碰撞，并為彈簧支吊架的選用提供依據(jù)。

1.2.1從安全角度要求管道設(shè)計(jì)

在實(shí)際生活中，管道設(shè)計(jì)的安全性能要求分為：耐壓強(qiáng)度、耐腐蝕性和密封性三方面。在強(qiáng)度和耐腐蝕性方面，運(yùn)用符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)材料，防止管道中的石油因?yàn)榄h(huán)境問題而使管道出現(xiàn)問題。另一方面，要保證裝置的正常合理運(yùn)行。管道布置如果不合理，整個(gè)裝置運(yùn)行過程中就會(huì)存在安全罹患，產(chǎn)生各類應(yīng)力問題。比如在外界溫度變化時(shí)產(chǎn)生的熱效力過大，可能會(huì)導(dǎo)致管口破損，管架被推壞等后果。如果本身是動(dòng)力設(shè)備，就要考慮到不能讓震源的振動(dòng)頻率與管道固有的固體頻率相等以防產(chǎn)生共振現(xiàn)象，破壞管道。

2　管道柔性設(shè)計(jì)概述

2.1施行管道柔性設(shè)計(jì)的必要性

管道在熱脹冷縮時(shí)，將對(duì)其相連接的機(jī)器、設(shè)備和土建結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力，反之機(jī)器、設(shè)備和土建結(jié)構(gòu)也將對(duì)管道產(chǎn)生反作用力，并在管道中引起應(yīng)力。當(dāng)管道系統(tǒng)剛度較大時(shí)，推力和應(yīng)力也較大，并可能導(dǎo)致管道和土建結(jié)構(gòu)的破壞以及影響到機(jī)器、設(shè)備的正常運(yùn)行。因此管道應(yīng)有足夠的柔性。

2.2增加管道柔性的措施

為解決上述的四大問題，在工程中增加管道柔性一般采取以下措施：

（1）改變管道的幾何布置。與傳統(tǒng)管道相連相比，增加了管道的彎頭數(shù)量和管道的走向，通過設(shè)置數(shù)量更多的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)管道數(shù)量，增加管道的柔性。不管是在二維平面還是三維空間內(nèi)，在改變幾何布置的時(shí)候，保證管道兩端點(diǎn)固定不變。

（2）在管道支撐時(shí)選擇彈簧支吊架。利用彈簧支吊架，可以適當(dāng)釋放支承點(diǎn)對(duì)垂直位移的約束，但不能使用太多，若連續(xù)使用可能影響管道的穩(wěn)定性。

（3）增設(shè)膨脹節(jié)。在一些特殊情況下，增加管道長(zhǎng)度和彎道數(shù)量不可行，比如管道直徑太大或?qū)に囈筝^為特殊，此時(shí)采用增加膨脹節(jié)的方法增加管道柔性。但由于其造價(jià)昂貴，制造工序復(fù)雜，在實(shí)際情況中應(yīng)避免使用。

2.3管道柔性設(shè)計(jì)的一般要求

管道設(shè)計(jì)應(yīng)該使管道具有必要的柔性，來滿足以下要求：①管道應(yīng)力在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值內(nèi)，即二次應(yīng)力滿足要求；②管道對(duì)相接設(shè)備的力與力矩在設(shè)備供應(yīng)商的允許范圍內(nèi)，不至于使管道相接的機(jī)器、設(shè)備產(chǎn)生過大的應(yīng)力或變形；③管道對(duì)法蘭的力與力矩應(yīng)不會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)泄漏；④管道推力或力矩不會(huì)引起管道支吊架的破壞。

2.4管道柔性設(shè)計(jì)時(shí)考慮范圍和報(bào)告要求

在實(shí)際管道柔性設(shè)計(jì)規(guī)定中，還要考慮到：①管道溫度應(yīng)小于等于-50℃，或大于等于100℃；②考慮柔性管道的直徑范圍，據(jù)此來設(shè)計(jì)溫度和管道布置，并視具體情況來確定；③存在外加強(qiáng)迫位移的管道應(yīng)考慮柔性設(shè)計(jì)；④對(duì)于敏感設(shè)備相連接的管道如離心泵，汽輪機(jī)等設(shè)備。

對(duì)石油化工管道設(shè)計(jì)的多角度應(yīng)力分析完畢之后，需要依據(jù)應(yīng)力分析的基礎(chǔ)制作出關(guān)于柔性設(shè)計(jì)的相關(guān)方案，具體部分應(yīng)包括如下內(nèi)容：①管道最大應(yīng)力所在位置和數(shù)值，對(duì)應(yīng)允許值以及二者的百分比值；②支承點(diǎn)、彎頭、管口等關(guān)鍵部位在冷、熱態(tài)下的位移；③支承在冷、熱態(tài)下所承受的荷載；④計(jì)算確定的彈簧支承數(shù)據(jù)表，其中應(yīng)含支承點(diǎn)位移及荷載。

3　工程實(shí)例分析

某120萬t/a重油催化裂化項(xiàng)目，煙氣輪機(jī)（以下簡(jiǎn)稱煙機(jī)）進(jìn)口管道，介質(zhì)條件：溫度650℃，壓力0.35MPa，管徑Φ1 020×12，材質(zhì)06Cr19Ni10。管道自三旋出口EL+25000下至EL+7000m，后水平向前約12m進(jìn)入煙機(jī)。此管道管徑大、溫度高且煙機(jī)管咀受力允許值較小，采用常規(guī)設(shè)計(jì)自然補(bǔ)償不可能滿足要求。為此我們?cè)诹⒐苌喜贾昧?個(gè)鉸鏈型膨脹節(jié)在水平管上又布置了1個(gè)鉸鏈型膨脹節(jié)，自上而下為膨脹節(jié)A，B，C構(gòu)成平面內(nèi)三鉸鏈型膨脹節(jié)系統(tǒng)，豎直管段的熱膨脹將由B和C兩個(gè)膨脹節(jié)的動(dòng)作來吸收，水平管段的熱膨脹由A和B 兩個(gè)膨脹節(jié)來吸收。并且在管口的位置設(shè)置了彈簧吊架，進(jìn)一步降低垂直方向的受力，最終使煙機(jī)入口管咀的受力值降到了可被接受的程度。

4　結(jié)束語

在管道自身的應(yīng)力滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求時(shí)，因?yàn)楣艿廊嵝圆蛔愣鴮?dǎo)致法蘭泄漏、管道對(duì)設(shè)備管咀的推力（矩）不滿足設(shè)備供應(yīng)商的要求，或者管道對(duì)結(jié)構(gòu)梁的推力過大等，進(jìn)而產(chǎn)生安全隱患，甚至使管道或者設(shè)備在運(yùn)行中造成嚴(yán)重事故等。因此還必須充分考慮高溫、大管徑以及與敏感設(shè)備相邊的管道的柔性。

[1] 趙麗京.石油化工管道設(shè)計(jì)應(yīng)力分析基礎(chǔ)上的柔性設(shè)計(jì)[J].化工管理，2015，（26）：55-56.

[2] 崔廣東.石油化工管道設(shè)計(jì)的應(yīng)力分析與柔性設(shè)計(jì)[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013，（16）：45-46.

[3] 李曉亮.化工裝置中安全閥工藝設(shè)計(jì)及附屬管道應(yīng)力分析[D].大連理工大學(xué)，2014.

[4] 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析 第二版[M].中國石化出版，2009.

Petrochemical Pipeline Design Based on Stress Analysis of Flexible Design

Qian Sheng-hui，Ke Xian-mei

In recent years，oil and chemical accidents more than aroused widespread concern for the safety of petrochemicals has also been management's attention.Petrochemical security infrastructure that chemical pipelines，pipes are petrochemical installations indispensable part of it is connected to various devices and systems related facilities to ensure the safe transport of various types of fluid. Design for petrochemical piping design and pipe stress analysis in a flexible design，provide the basis for economic analysis pipeline.

petrochemical；stress analysis；flexible design

TE973.1

A

1003-6490（2016）03-0024-02

2016-02-10

錢勝輝（1985—），男，河南洛陽人，助理工程師，主要研究方向?yàn)槭突す艿涝O(shè)計(jì)和管道應(yīng)力分析。