化工管道應(yīng)力分析基礎(chǔ)上的柔性設(shè)計(jì)

王虎臣

(華陸工程科技有限責(zé)任公司,陜西 西安 710065)

在整個(gè)石油化工行業(yè)中，管道設(shè)備十分常見，管道設(shè)備屬于石化工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，因此，管道設(shè)計(jì)的安全性及高效性對于企業(yè)的發(fā)展十分重要。近些年來，化工管道事故頻繁出現(xiàn)，使得化工管道的安全備受關(guān)注，管道的設(shè)計(jì)問題也日益突出[1]。一般來說，化工管道的設(shè)計(jì)工作十分復(fù)雜，包含應(yīng)力分析、材料選擇以及管道設(shè)備布置等環(huán)節(jié)，目前，為了進(jìn)一步保障管道安全，在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，加入了柔性設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。但是由于柔性設(shè)計(jì)剛剛起步，其發(fā)展并不成熟，且研究成果較少，這給化工管道的設(shè)計(jì)人員帶來了較大的困擾。針對柔性設(shè)計(jì)研究不足的問題，文章將從應(yīng)力分析入手，在此基礎(chǔ)上分析柔性設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，為化工管道柔性設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 化工管道應(yīng)力種類分析

(1) 一次應(yīng)力分析。一次應(yīng)力分析指的是對化工管道所承受的載荷進(jìn)行分析，這里所討論的載荷指的是內(nèi)外應(yīng)力以及剪切力，其中，外應(yīng)力又包含風(fēng)載荷、人為載荷等。當(dāng)管道所承受的載荷達(dá)到超過管道自身的屈服強(qiáng)度時(shí)，管道會產(chǎn)生塑形變形，嚴(yán)重時(shí)可能會出現(xiàn)斷裂問題，所以，為了保障管道安全，在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，管道的屈服強(qiáng)度必須留有一定的裕量，管道所受載荷應(yīng)力計(jì)算公式如式(1)所示。一般來說，一次應(yīng)力分析最為重要，因?yàn)檫@些應(yīng)力對管道安全的威脅程度最大，在對管道進(jìn)行安全校核時(shí)，應(yīng)根據(jù)管道的屈服極限進(jìn)行評價(jià)[2]。

σ=FN/A

(1)

式中：FN——管道所受的載荷力，N；A——管道的橫截面積，mm。

(2) 二次應(yīng)力分析。二次應(yīng)力分析主要指的是對管道所受的約束作用進(jìn)行分析，這些約束作用包括熱脹冷縮所產(chǎn)生的應(yīng)力以及位移產(chǎn)生的應(yīng)力等，熱應(yīng)力計(jì)算公式如式(2)所示，這些約束并不是直接由外力產(chǎn)生，也不會與外力達(dá)到平衡，只能依靠管道本身來協(xié)調(diào)自身安全。當(dāng)管道所承受的約束超過其塑形變形強(qiáng)度時(shí)，管道就會產(chǎn)生危險(xiǎn)。一般來說，如果管道的塑形變形強(qiáng)度較高，則管道抵抗二次應(yīng)力的能力就越強(qiáng)，且自身安全性就越高。二次應(yīng)力不會直接對管道產(chǎn)生損壞，而是通過反復(fù)的二次應(yīng)力循環(huán)危險(xiǎn)管道安全。管道軸向和橫向變形公式如式(3)和(4)所示：

σ=αEΔt

(2)

ε=(l1-l)/l

(3)

ε′=(b1-b)/b

(4)

式中：α——管道的線變形系數(shù)；E——管道的彈性模量，GPa；Δt——管道工作時(shí)與安裝時(shí)的溫度之差，℃；l1——管道變形后的軸向長度，m；l——管道原始軸向長度，m；b1——管道變形后的橫向長度，m；b——管道原始橫向長度，m。

(3) 峰值應(yīng)力分析。峰值應(yīng)力分析主要指的是對管道某一位置處可能出現(xiàn)的最大應(yīng)力進(jìn)行分析，一般情況下，該最大應(yīng)力主要是由一次應(yīng)力和二次應(yīng)力疊加而成，峰值應(yīng)力不會引起管道變形，而是會直接引起管道穿孔，因此，峰值應(yīng)力對管道的威脅程度最大。管道所處環(huán)境的溫度、濕度等因素都會對其產(chǎn)生影響。在對峰值應(yīng)力進(jìn)行分析時(shí)，主要所采用的方法為實(shí)驗(yàn)法。

應(yīng)力影響因素及危險(xiǎn)性統(tǒng)計(jì)表如表1。

表1 應(yīng)力影響因素及危險(xiǎn)性統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical list of stress influencing factors and risks

2 化工管道應(yīng)力分析價(jià)值簡介

對化工管道進(jìn)行應(yīng)力分析的意義在于通過發(fā)現(xiàn)管道全線的異常應(yīng)力狀況、判斷管道的安全與否，因此，類似于化工管道這種對于強(qiáng)度、剛度以及柔性都具有一定要求的設(shè)備必須通過應(yīng)力分析的方式保障其安全[3]。在另一方面，通過應(yīng)力分析，還可以為管道建設(shè)初期管道的布置狀況提供有效建議，為管道及附屬設(shè)備的安全提供指導(dǎo)。具體來說，對化工管道進(jìn)行應(yīng)力分析的價(jià)值主要在于以下兩個(gè)方面：

(1) 確保管道始終處于安全狀況。管道對于化工企業(yè)而言十分重要，因此，保障管道的安全是企業(yè)順利生產(chǎn)的前提，在管道安全判斷方面，我國已發(fā)布相應(yīng)的要求，要求指出，管道的密封程度、抗腐蝕能力以及抗壓強(qiáng)度是判斷管道安全的關(guān)鍵，在這三方面中，抗壓強(qiáng)度需要通過應(yīng)力分析的方式進(jìn)行判斷。

(2) 確保管道附屬設(shè)備始終處于安全狀況。眾所周知，管道周圍部署有大量的附屬設(shè)備，例如三通、法蘭等，由于化工管道內(nèi)的介質(zhì)充滿了危險(xiǎn)性，如果附屬設(shè)備出現(xiàn)問題，也極易容易產(chǎn)生安全問題，例如，當(dāng)管道內(nèi)介質(zhì)的溫度過高時(shí)，受熱脹冷縮的作用，其附屬設(shè)備會出現(xiàn)損壞狀況，從而造成化工氣體泄漏，通過應(yīng)力分析的方式可以為附屬設(shè)備的布置及安全提供保障[4]。

3 管道柔性設(shè)計(jì)

3.1 管道柔性設(shè)計(jì)目的及要求

對于化工管道而言，管道的首末端以及三通位置處連接有大量的機(jī)械設(shè)備或水泥建筑，當(dāng)管道受到內(nèi)部介質(zhì)的熱脹冷縮作用時(shí)，管道會對周圍的機(jī)械設(shè)備或水泥建筑產(chǎn)生一定的作用力，同時(shí)，機(jī)械設(shè)備或水泥建筑也會對管道產(chǎn)生一定的反向作用力，從而使得管道承受的外界應(yīng)力增大，如果管道自身具有很強(qiáng)的剛度，則在反向作用力的推動下，會使得管道周圍的機(jī)械設(shè)備或水泥建筑遭受破壞，因此，在對管道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須要求管道自身具有一定的柔性[5]。在對管道進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足四項(xiàng)要求：管道所承受的應(yīng)力維持于安全狀態(tài)，其二次應(yīng)力必須滿足相應(yīng)的規(guī)范要求；管道周圍附屬設(shè)備或土方建筑所承受的力矩和力必須維持在安全要求內(nèi)，從而防止應(yīng)管道運(yùn)行對設(shè)備或土方建筑產(chǎn)生破壞；在外力的作用下，管道上的法蘭不會因自身受力原因引起化工原料泄漏；在管道內(nèi)外力的作用下，不會對維持管道平衡的支架產(chǎn)生破壞，從而使得管道始終處于平衡狀態(tài)。

3.2 化工管道柔性設(shè)計(jì)方案

在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，必須從四方面出發(fā)進(jìn)行深層次考慮。

(1) 管道溫度，管道溫度不得超過100 ℃，同時(shí)，也不得小于-50 ℃，否則，管道自身極易產(chǎn)生變形，從而危險(xiǎn)自身及附屬設(shè)備安全[6]；

(2) 管道直徑，在對其進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)管道的實(shí)際直徑，對管道的布置情況進(jìn)行安排；

(3) 外力，如果管道長時(shí)間承受較大的外力作用或者可能會產(chǎn)生位移，則必須進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)；

(4) 附屬設(shè)備，如果管道所連接的附屬設(shè)備較多，例如泵、壓縮機(jī)等，則在設(shè)備連接處需要對其進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

一般來說，目前的柔性設(shè)計(jì)一般是從三方面出發(fā)對其進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，分別是增加自然補(bǔ)償、選擇支吊架固定以及改變管道走向。

(1) 增加自然補(bǔ)償。管道自身具有一定的補(bǔ)償作用，補(bǔ)償作用能有效防止管道產(chǎn)生變形，當(dāng)管道所受內(nèi)外力較大時(shí)，則需要增設(shè)自然補(bǔ)償。目前，最常見、最高效的自然補(bǔ)償為“π”補(bǔ)償器，但是如果化工管道內(nèi)輸送介質(zhì)的溫度相對較高，且輸量較大，該種補(bǔ)償器的使用會受到一定的限制，此時(shí)可使用螺紋管補(bǔ)償器。自然補(bǔ)償?shù)木唧w安裝步驟為：選擇補(bǔ)償類型，補(bǔ)償類型的選擇需要根據(jù)管道內(nèi)介質(zhì)的溫度及管道管徑?jīng)Q定；對管道的膨脹量進(jìn)行計(jì)算，管道膨脹量的計(jì)算公式為：膨脹量=膨脹系數(shù)×管長；確定補(bǔ)償位置，補(bǔ)償位置應(yīng)盡可能靠近兩個(gè)管道固定點(diǎn)的中心位置；對管道應(yīng)力進(jìn)行校核，確保增加固定點(diǎn)后管道可以始終處于安全狀態(tài)。

(2) 選擇支吊架固定。支吊架的主要作用是對管道的自身重量和外界應(yīng)力進(jìn)行平衡，從而防止管道出現(xiàn)過度彎曲問題，在增加支吊架時(shí)，首先應(yīng)對管道自身能承受的彎曲應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式：

σA=f(1．25σc+0．25σk)

(5)

式中：σA——管道自身所能承受的彎曲應(yīng)力，MPa；f——應(yīng)力系數(shù)，該系數(shù)與管道材料有關(guān)，一般情況下，隨著管道鋼級的增加，其應(yīng)力系數(shù)也會隨著增加；σc——管道受熱時(shí)所能承受的應(yīng)力，MPa；σk——管道在冷態(tài)作用下管道所能承受的應(yīng)力。

在支吊架數(shù)量確定方面，如果從一次應(yīng)力分析結(jié)果出發(fā)，則其數(shù)量就需要增加，從而使得管道自身承受的應(yīng)力降低；如果從二次應(yīng)力分析結(jié)果出發(fā)，則其數(shù)量就需要減少，從而防止支吊架自身對管道產(chǎn)生約束作用。綜合來說，支吊架的數(shù)量必須根據(jù)所有類型應(yīng)力的分析結(jié)果進(jìn)行確定。

(3) 改變管道走向。通過改變管道自身走向是進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)最為間接的方法，這主要是因?yàn)樵诠艿纼啥耸艿郊s束的作用下，改變管道的走向，可能會使得管道的長度增加，同時(shí)管道彎頭的數(shù)量也會得到不同程度的降低，從而使得管道的柔性增加。最有利于管道安全的走向?yàn)長型走向，這種類型的走向僅在兩端管道之間產(chǎn)生了一個(gè)彎頭，同時(shí)還可以保證兩節(jié)管道始終處于最長狀態(tài)。當(dāng)采用該種方法進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須保證化工單位內(nèi)擁有充足的空間。

4 實(shí)例設(shè)計(jì)

我國某化工企業(yè)內(nèi)的管道如圖1所示，其管道數(shù)據(jù)如表2所示。該管道沿線連接有大量的設(shè)備，同時(shí)，從圖中還可以看出，原管道錯(cuò)綜復(fù)雜，十分不利于其安全運(yùn)行。

圖1 化工管道原圖Fig.1 Original draft of chemical piping

參數(shù)名稱數(shù)值材料X60規(guī)格291×8(mm)保溫層厚度12(mm)工作溫度62 ℃工作壓力3.6 MPa設(shè)計(jì)溫度85 ℃設(shè)計(jì)壓力5.4 MPa

在改變管道走向方面，由于該企業(yè)管道上方具有很大空間，為了節(jié)約管道及附件的占地面積，在進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使管道向上方延伸，在另一方面，向上方延伸還能有效增加管道的長度，增加其自身柔性強(qiáng)度；在增加自然補(bǔ)償方面，考慮到管道沿線存在大量設(shè)備，且管道兩個(gè)固定點(diǎn)之間的距離較短，因此，僅在管道沿線設(shè)備位置增加螺紋鋼補(bǔ)償器；在選擇支吊架固定方面，管道向上方延伸需要進(jìn)行吊裝，因此管道沿線正好可以敷設(shè)大量的吊架。最終管道優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 管道柔性設(shè)計(jì)優(yōu)化圖Fig.2 Design optimization chart of pipeline flexibility

5 結(jié)論

通過實(shí)例分析表明，對管道進(jìn)行應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)十分重要。在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，必須從一次應(yīng)力、二次應(yīng)力以及峰值應(yīng)力三方面出發(fā)，進(jìn)行深入研究三種應(yīng)力工作原理以及對管道運(yùn)行帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，峰值應(yīng)力的危險(xiǎn)性最大。在進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)時(shí)，可以采取的方案有三種類型，分別是增加自然補(bǔ)償、選擇支吊架固定、改變管道走向，多種設(shè)計(jì)方案同時(shí)兼顧，其效果更佳，化工管道運(yùn)行安全性更高。