石油化工管道應(yīng)力設(shè)計

李佳南

摘要：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)。

關(guān)鍵詞：石油化工，管道設(shè)計，應(yīng)力分析

引言

石油化工管道是針對石油化工材料運輸?shù)淖畛Ｓ玫牟糠?，它在工廠內(nèi)的作用一方面可以進行石油化工類原料的運輸，另一方面也可以將相應(yīng)的設(shè)備與系統(tǒng)進行連接。因此，石油化工管道是工廠內(nèi)部一個非常常見但又非常重要的部分，所以在進行石油化工管道設(shè)計的過程中，設(shè)計師應(yīng)當對于石油化工外管設(shè)計及應(yīng)力情況進行分析，從而保證石油化工管道的安全性與穩(wěn)定性，保證工廠的運轉(zhuǎn)效率的同時，也針對工人的安全進行了保障。

一、石油化工的管道設(shè)計

（一）管廊的寬度

在進行石油化工管道設(shè)計的過程中，首先要針對管廊進行設(shè)計。關(guān)于石油化工管廊的寬度，主要由管道的具體數(shù)量、管道的具體口徑以及儀表槽架的具體大小等多種因素來確定，并且在進行管廊設(shè)計的過程中，為了保證后期出現(xiàn)問題可以進行檢修會更換原件，因此需要在進行廊道設(shè)計的過程中留出一定的寬度。

（二）管廊的高度

在進行管廊設(shè)計的過程中，除了要進行寬度的設(shè)計以外，還需要針對管廊的高度進行設(shè)計。管廊的高度需要以換熱器、各種泵類等設(shè)備進行檢修時所需要的高度空間來確定，當管廊橫跨道路時，還需要根據(jù)車輛通行所需要的的高度來確定具體的管廊高度。

（三）管廊管道的布置原則

在進行管廊管道布置的過程中，有一些原則需要注意，才能夠保證石油化工外管的設(shè)計合理，例如，在進行管道布置時，應(yīng)當將重量較大或口徑較大的管道靠近管廊柱子附近布置，重量較小的小口徑管道則可以放置在管架的中間，以避免管架垮塌或出現(xiàn)彎折;在布置液化烴類管道以及低溫管道時，應(yīng)當使其遠離熱管道，為了保證后期檢修方便，因此管道的法蘭及閥門等應(yīng)當靠近管廊;再如進行雙層管廊的布置過程中，應(yīng)當將腐蝕性管廊放置在下層，將泄壓管道、無聊管道、儀表等防治在上層，且兩者應(yīng)當保持一定距離，從而避免腐蝕性管道出現(xiàn)泄漏，造成危險;在進行管廊布置的過程中，一旦出現(xiàn)管道直徑改變的情況，就需要通過使用底平偏心大小頭將管底的標高保持一致。通過在進行外觀設(shè)計的過程中進行這樣原則的是同來保證管廊內(nèi)部管道的安全性與可用性。

二、管道應(yīng)力簡述

（一）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，當荷載發(fā)生突變，當管道結(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。

（二）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)。

三、石油化工管道的應(yīng)力分析

（一）承重分析

所謂一次應(yīng)力，其實就是外界對于石油化工管道所產(chǎn)生的壓力、重力等力的統(tǒng)稱。在進行管道設(shè)計的過程中，想要將應(yīng)力限度維持在一個合格的范圍內(nèi)而不會超標，一般是通過設(shè)置管廊支架的方式進行控制，若出現(xiàn)了一次應(yīng)力過大的情況，管道的撓度系統(tǒng)通常就會被破壞掉。因此，在進行管道建設(shè)的過程中，應(yīng)當避免針對施工工藝進行隨意的修改，但是改后產(chǎn)生的一次應(yīng)力大小也可以通過使用支吊架的方式來進行合理的調(diào)節(jié)。當管道建設(shè)完成后，一次應(yīng)力通常會具有一種平衡性，但是隨著管道的荷載不斷增加，一次應(yīng)力的量也會不斷地進行增加，一旦一次應(yīng)力超過了管道所能夠承受的最大極限，那么管道就會變形，非常容易發(fā)生危險。

（二）石油化工管道中的二次應(yīng)力

二次應(yīng)力與一次應(yīng)力最大的不同之處就在于二次應(yīng)力主要來源于外力，且二次應(yīng)力具有較一次應(yīng)力而言更加不平衡的特性。對于石油化工管道而言，一旦管道發(fā)生了變形，那么就會收到約束，這一過程中，再產(chǎn)生

在進行管道設(shè)計的過程中，如果想要借助支吊架對于管道應(yīng)力端點相應(yīng)推力進行控制時，設(shè)計師需要針對管道進行除了剛性支架以外的杠桿加以考慮。這是因為石油化工管道本身的特性就在于其是剛性較強的彈性體，可以做到借助支梁以將管道荷載進行合理分配的作用，只要有剛性支架就會伴有杠桿效應(yīng)。例如，在進行石油化工管道布置的過程中，需要針對壓縮機、機泵等設(shè)備的支架布置進行較為合理的安排，從而將對管嘴所承受的力矩以及力進行降低，以保證力的大小能夠滿足接管荷載限值的具體要求。

（三）應(yīng)用剛性吊架以及限位吊架

針對石油化工管道的震動加以控制，可以通過針對石油化工管道的鋼制支架進行合理的設(shè)置與設(shè)計，使其可以承受震動與荷載。一般情況下，由于剛性吊架的結(jié)構(gòu)非常簡單，制作工藝方面沒有難度，因此，其價格一般來說都較為低廉，進行安裝后，后期進行維護的價格也處于一個較低的水平。在進行垂直管道的設(shè)計過程中，如果想要使用剛性管道，就必須進行限位吊架的合理配置，從而減少對拉桿的扭轉(zhuǎn)，以保證石油化工管道的實際安全性能，在進行安裝與實際應(yīng)用的過程中，施工人員需要遵循一些安裝的原則與規(guī)范，保證安裝完成后吊架能夠產(chǎn)生相應(yīng)的效果。

結(jié)束語：

針對石油化工管道的外管設(shè)計以及其應(yīng)力進行分析，能夠使設(shè)計人員更加了解應(yīng)當如何進行設(shè)計工作，提升了石油化工管道的穩(wěn)定性與安全性，使石油化工管道在進行設(shè)計后能夠進行長期的穩(wěn)定運輸?shù)耐瑫r，也能夠針對管道的安全性進行保障。

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