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)

麻海龍 俆 冬

沈陽中現(xiàn)油氣管道工程有限公司

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)

麻海龍 俆 冬

沈陽中現(xiàn)油氣管道工程有限公司

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。在石油化工行業(yè)中，管道設(shè)計(jì)的可靠性和安全性問題在近年表現(xiàn)得日益突出，而管道的應(yīng)力分析工作則是管道設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)、合理的保障和重要方式。目前柔性設(shè)計(jì)在管道設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，在應(yīng)力分析基礎(chǔ)上的柔性設(shè)計(jì)成為石油化工管道安全性和可靠性的重要保障。文章就此進(jìn)行分析。

石油化工管道設(shè)計(jì)；應(yīng)力分析；柔性設(shè)計(jì)

1.管道應(yīng)力簡介

為研究并控制管道的強(qiáng)度破壞和剛度破壞，引入應(yīng)力這一概念。材料由于外因受力、溫差、濕度變化等而產(chǎn)生變形時(shí)，在材料內(nèi)部各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因作用，并力圖使材料從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置。而在所考察的截面某一點(diǎn)單位面積上的內(nèi)力，稱為應(yīng)力。

由此不難看出，管道應(yīng)力的概念避開了管子及其元件的規(guī)格尺寸、壁厚等因素的影響，只要外部荷載使材料產(chǎn)生的應(yīng)力超出材料本身的強(qiáng)度指標(biāo)，即可認(rèn)為管子及其元件將要發(fā)生強(qiáng)度破壞。

1.1 管道分類

管道在壓力荷載、機(jī)械荷載以及熱負(fù)荷等作用下，整個(gè)管路或某些區(qū)域產(chǎn)生不同性質(zhì)的應(yīng)力，因此，管道上的應(yīng)力，一般可分為以下三類：

一次應(yīng)力由：于外加荷載的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力如壓力和重力等，其本身與外力平衡。

二次應(yīng)力：由于變形受到約束所產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力如熱膨脹、附加位移、安裝誤差或振動荷載等，其本身不直接與外力相平衡。

峰值應(yīng)力：由于荷載或結(jié)構(gòu)形狀的局部突變?nèi)绻艿乐行〉霓D(zhuǎn)彎半徑處、焊縫咬邊處或材料本身夾渣、氣孔處而引起的局部應(yīng)力集中的最高應(yīng)力值。

1.2 管道應(yīng)力分析目的

管道應(yīng)力分析的目的主要是解決管道的強(qiáng)度、剛度、振動等問題，為管道的布置、安裝、配置提供科學(xué)依據(jù)。其具體體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

保證管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全的要求：管道安全性能的總體要求包括耐壓強(qiáng)度、耐腐蝕性和密封性三方面。

保證裝置運(yùn)行的安全性：管道布置如果不合理，整個(gè)裝置運(yùn)行過程中就會存在安全隱患，并可能產(chǎn)生各種應(yīng)力問題。如管道在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力過大，則會導(dǎo)致下列各種現(xiàn)象的發(fā)生設(shè)備管口就會被拉壞或頂壞，各管件連接處損壞焊縫連接時(shí)會被拉裂，法蘭連接則出現(xiàn)變形導(dǎo)致泄露，管架被推壞，更有嚴(yán)重者還會發(fā)生燃燒或爆炸。另外，如果是動力設(shè)備，當(dāng)震源的激振與管系固有頻率相同時(shí)，則會導(dǎo)致整個(gè)裝置系統(tǒng)發(fā)生共振，此時(shí)損壞的則是設(shè)備本身和與其相連的建筑物。

2.管道柔性設(shè)計(jì)

近年來，在管道設(shè)計(jì)中引入了柔性設(shè)計(jì)的理念，進(jìn)一步提高了管道設(shè)計(jì)的水平。管道有一個(gè)重要特征，就是它有一定的柔性。柔性是管道的一個(gè)重要性能。當(dāng)溫度變化時(shí)，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(gè)表現(xiàn)。當(dāng)設(shè)備基礎(chǔ)沉降時(shí)，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(gè)表現(xiàn)。當(dāng)外界發(fā)生變化時(shí)，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(gè)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(yùn)行。管道柔性設(shè)計(jì)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(diǎn)，用彈簧支吊架，支撐點(diǎn)就不用受垂直位移的控制。同時(shí)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(shí)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(shí)在改變管道的幾何布置的時(shí)候，要保證管道兩端點(diǎn)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(jì)中一般都盡量避免使用。

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)(以下簡稱煙機(jī))進(jìn)口管道，介質(zhì)條件：溫度650℃，壓力0.35MPa，管徑Φ1020x12，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。為此我們在立管上布置了2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。

綜上所述，管道的應(yīng)力分析是從應(yīng)力角度進(jìn)行的理論分析，為管道系統(tǒng)所需研究的每一節(jié)點(diǎn)人為設(shè)定受力情況提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)。因?yàn)楣艿廊嵝圆蛔愣鴮?dǎo)致法蘭泄漏、管道對設(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。所以，在實(shí)際的應(yīng)該過程中，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]梁亞玲.對石油化工管道應(yīng)力設(shè)計(jì)要點(diǎn)的思考[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2016，11：72.

[2]張冰，聶科研，宮雪.石油化工管道設(shè)計(jì)的影響因素及注意事項(xiàng)分析[J].黑龍江科技信息，2016，18：34.

[3]柯先梅，錢勝輝.如何正確分析化工管道設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力[J].化工管理，2016，18：220.