化工裝置中的管道應(yīng)力分析及優(yōu)化

孫 偉

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510655)

在許多項(xiàng)目的工藝管線中，經(jīng)常存在著溫度較低或溫度較高的管線，這些管線或者因?yàn)闊崦浝淇s而產(chǎn)生位移，或者在受到外力的作用后產(chǎn)生形變，導(dǎo)致金屬管道內(nèi)部原子間的相對位置也隨之發(fā)生改變，這種力的改變量稱之為內(nèi)力。內(nèi)力是沿著管道的整個(gè)斷面連續(xù)分布的，單位面積上的內(nèi)力強(qiáng)度，即稱之為應(yīng)力。管道工程師在設(shè)計(jì)管道走向時(shí)，既需要滿足工藝的要求，也需要考慮管道應(yīng)力可能造成的影響。

1 化工管道應(yīng)力分析的目的

管道是石油化工裝置的重要組成環(huán)節(jié)之一，在不同的工況下，管道的運(yùn)作也會(huì)受到各種因素的影響，從而影響管道的安全性。管道應(yīng)力分析設(shè)計(jì)應(yīng)保證管道在設(shè)計(jì)和工作條件下，具有足夠的強(qiáng)度和合適的剛度，防止管道因熱脹冷縮、支承或端點(diǎn)的附加位移及其它的荷載(如壓力、自重、風(fēng)、地震、雪等)造成下列問題：(1)管道的應(yīng)力過大或金屬疲勞引起管道或支架破壞。(2)管道連接處泄漏。(3)管道作用在與其相聯(lián)的設(shè)備上的載荷過大，或在設(shè)備上產(chǎn)生大的變形或應(yīng)力，而影響了設(shè)備的正常運(yùn)行。(4)管架因強(qiáng)度或剛度不夠而造成管架破壞。(5)管道的位移量過大而引起的管道自身或其它管道的非正常運(yùn)行或破壞。(6)機(jī)械振動(dòng)、聲頻振動(dòng)、流體錘、壓力脈動(dòng)、安全閥泄放等動(dòng)荷載造成的管道振動(dòng)及破壞。

不合理的管道走向，會(huì)使裝置在運(yùn)行過程中存在風(fēng)險(xiǎn)和隱患，管線產(chǎn)生的應(yīng)力過大，對設(shè)備造成破壞等各種問題。對管道應(yīng)力的研究就是要通過相關(guān)的軟件，精確的計(jì)算和分析，合理的布置管道走向，通過π彎、管架、補(bǔ)償器等等，來吸收或限制管道應(yīng)力，從而保障裝置的正常生產(chǎn)運(yùn)作，增加管道的使用壽命。

2 化工管道的應(yīng)力分析

隨著石油化工裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工藝復(fù)雜程度越來越高，管線的溫度、壓力、壁厚等也隨之增大。原則上，所有的管線均應(yīng)做應(yīng)力分析，并根據(jù)管線的類別(溫度、壓力、口徑、壁厚、所連接的設(shè)備的荷載要求等)確定應(yīng)力分析的方法和詳細(xì)程度。如果項(xiàng)目中沒有具體規(guī)定，則可以將應(yīng)力分析管線分為Ⅰ類管線、Ⅱ類管線、Ⅲ類管線，見圖1。

圖1 應(yīng)力分析管線分類

常用的管線應(yīng)力分析方法有：目測法、簡單分析發(fā)、計(jì)算輔助應(yīng)力分析法(CAESARⅡ)等。對于Ⅰ類管線采用目測檢驗(yàn)或者簡化分析法即可，Ⅱ類管線可采用簡化計(jì)算方法進(jìn)行分析計(jì)算，適用于高壓管線、鍋爐水管線、天然氣及液化氣管線、工藝管線等，Ⅲ類管線應(yīng)該嚴(yán)格的進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算分析。對與具有對載荷敏感的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械相連的管線，與往復(fù)式、離心式壓縮機(jī)、透平相連接的溫度高于120℃管線，與空冷器相連接的溫度高于120℃管線等也需利用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算分析。

(1)目測法：根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)或與已分析過的管線的比較相類似，則采用目測的方法已經(jīng)足夠，不需要進(jìn)行更詳細(xì)的應(yīng)力分析。此時(shí)，需目測者具有相當(dāng)?shù)墓こ探?jīng)驗(yàn)。

(2)簡單分析法：簡單分析將確保管線有足夠的柔性，以吸收位移(熱膨脹)。盡管簡單分析不能提供準(zhǔn)確的載荷和應(yīng)力，但這種分析簡單而快速，它要求管線具有同一直徑，兩端固定，無中間約束。

式中：D-管子外徑，mm；Y-管子吸收的總位移，mm；L-兩固定點(diǎn)間管子總長度，m；U-兩固定點(diǎn)間的直線距離，m。

(3)計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)力分析法：使用專門的管道應(yīng)力分析軟件(CAESARⅡ)對管道進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算和結(jié)果分析。計(jì)算并分析評定管道各分支點(diǎn)的應(yīng)力、約束點(diǎn)和端點(diǎn)(設(shè)備管口)的力和力矩等。管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動(dòng)力分析。對一般管道，通常只做靜力分析即可。但對一些特殊工況的管線則應(yīng)做動(dòng)力分析(如往復(fù)泵、往復(fù)式壓縮機(jī)的進(jìn)出口管線)。靜力分析包括：1)管道在持續(xù)外載(壓力、自重、集中力等)作用下的一次應(yīng)力計(jì)算及評定；2)管道在溫度荷載及端點(diǎn)附加位移載荷作用下的二次應(yīng)力計(jì)算及評定；3)管道對設(shè)備管口的作用力計(jì)算；4)管道支吊架的受力計(jì)算；5)管道上的法蘭和分支點(diǎn)受力計(jì)算。動(dòng)力分析包括：1)管道固有頻率分析；2)管道強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析；3)往復(fù)式壓縮機(jī)(泵)氣柱頻率分析；4)往復(fù)式壓縮機(jī)(泵)壓力脈動(dòng)分析。

3 化工管道應(yīng)力優(yōu)化措施

在設(shè)計(jì)管道時(shí)，應(yīng)充分考慮管道應(yīng)力的影響因素，盡量規(guī)避二次應(yīng)力的出現(xiàn)，采取有效措施調(diào)整管道布置，改善受力過大等情況，從而增加管線和設(shè)備的使用壽命。

3.1 合理設(shè)置管道支架

管道的設(shè)計(jì)也是管架的設(shè)計(jì)，正確的設(shè)置管道支架對減輕管道一次應(yīng)力和管道二次應(yīng)力有著重要的作用，兩個(gè)相鄰管架的距離應(yīng)在管道最大跨距內(nèi)，用固定架限制管道各向線位移及角位移，吸收因管道熱膨脹受阻或壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生的力及力矩，用導(dǎo)向架限制管道的徑向位移，用限位架限制管道的軸向位移等。合理的管架設(shè)計(jì)可以控制管道形變，降低管道震動(dòng)。

3.2 增加管道的柔性設(shè)計(jì)

在化工裝置的設(shè)計(jì)過程中，隨著管道長度的不斷增加，所產(chǎn)生的管道位移也隨之增大，對于長距離管道，在兩個(gè)限位點(diǎn)之間利用π彎來改變管道走向，提高管道對于位移的吸收能力。還可以通過安裝膨脹節(jié)和彈簧架，提高管道的自然補(bǔ)償能力，以防管道在應(yīng)力作用下形變。

3.3 采用管道冷緊法緩解管道應(yīng)力

管道的冷緊是讓管道在冷狀態(tài)下的拉力去抵消熱狀態(tài)下的位移，從而降低熱脹應(yīng)力下管道端點(diǎn)產(chǎn)生的推力和力矩，并不改變應(yīng)力范圍，同時(shí)也可以防止法蘭連接處發(fā)生泄漏。但是與轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備相連接的管線，不允許使用冷緊的方法。

4 結(jié)語

化工壓力管道的應(yīng)力分析對于工業(yè)管道的設(shè)計(jì)有著十分重要的作用，管道設(shè)計(jì)水平的高低也是衡量一個(gè)設(shè)計(jì)公司實(shí)力水平的重要因素。管道應(yīng)力是管道設(shè)計(jì)中必須考慮的問題，只有通過精確的計(jì)算，對管道應(yīng)力加以約束，才能使設(shè)計(jì)更加完善，確保裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，增加管道使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]姜 崴.管道應(yīng)力分析軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].山西化工,2004,24(2):65-67.

[2]申青云.有關(guān)化工設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力的分析[J].山東工業(yè)技術(shù),2014(19):33.

[3]杜志勇.管道應(yīng)力分析在工程上的應(yīng)用[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2011(2):35-37.

[4]韋 征.顧順超.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,2015(16):180.