石油化工管道设计应力分析基础上的柔性设计

钱胜辉，柯先梅（洛阳瑞铭石化技术有限公司，河南洛阳 471003）

石油化工管道设计应力分析基础上的柔性设计

钱胜辉，柯先梅
（洛阳瑞铭石化技术有限公司，河南洛阳 471003）

近年来，多起石油化工事故的发生引起了广泛关注，对于石油化工的安全性也受到管理层的重视。石油化工安全基础在于化工管道，管道是石油化工装置中不可缺少的组成部分，它连接着各种设备和相关的系统设施，保障着各类流体安全输送。针对石油化工设计中的管道设计在应力分析及管道的柔性设计，为管道的经济分析提供依据。

石油化工；应力分析；柔性设计

管道在石油化工行业起着举重若轻的作用，它是化工行业的生命线，没有管道的建造和设计，石油运输根本不现实。而常见的石油化工管道设计工作非常复杂，本文通过从应力分析及管道的柔性设计，为石油化工管道的安全性和可靠性提供保障。

1　管道应力分析简介

管道应力分析，实际上是指对管道进行包括应力计算在的力学分析，并使分析结果满足标准规范的要求，从而保证管道自身和与其相连接的机器设备以及土建结构的安全。

1.1管道应力分类

管道应力是指管系在受管内介质的压力、温度、重力和外部影响如管道外保温、风雪地震等自然条件以及管道端点所受的强制位移等载荷作用下产生的应力。不同类型的载荷对管道产生不同类型的破坏，我们将这些不同载荷作用下产生的应力分为两类：一次应力和二次应力。

一次应力：由于压力、重力和其他外力载荷的作用所产生的应力。它是外部载荷的实际承担者，随外力的增加而增加，当管道内的塑性区扩展达到极限状态，即使外力载荷不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏。

二次应力：由于热胀、冷缩、端点位移等位移载荷的作用所产生的应力。它是为了满足管系变形协调条件所产生的应力，只要弹塑性总变形量能协调管系中的不连续性，塑性流动就自动停止，变形不再继续增大。

1.2管道应力分析的意义和目的

通常管道应力分析分为静力分析和动力分析，本文不讨论动力分析内容，静力分析的任务：

（1）使管道中的应力，满足标准规范的要求，保证管道自身的安全；

（2）使管道对与其相连接的机器、设备的作用力，满足标准规范的要求，保证机器、设备的安全；

（3）计算管道对支吊架和土建结构的作用力，为支吊架和土建结构的设计提供依据，保证支吊架和土建结构的安全；

（4）计算管道位移，防止位移过大造成支架脱落或管道碰撞，并为弹簧支吊架的选用提供依据。

1.2.1从安全角度要求管道设计

在实际生活中，管道设计的安全性能要求分为：耐压强度、耐腐蚀性和密封性三方面。在强度和耐腐蚀性方面，运用符合标准的设计材料，防止管道中的石油因为环境问题而使管道出现问题。另一方面，要保证装置的正常合理运行。管道布置如果不合理，整个装置运行过程中就会存在安全罹患，产生各类应力问题。比如在外界温度变化时产生的热效力过大，可能会导致管口破损，管架被推坏等后果。如果本身是动力设备，就要考虑到不能让震源的振动频率与管道固有的固体频率相等以防产生共振现象，破坏管道。

2　管道柔性设计概述

2.1施行管道柔性设计的必要性

管道在热胀冷缩时，将对其相连接的机器、设备和土建结构产生作用力，反之机器、设备和土建结构也将对管道产生反作用力，并在管道中引起应力。当管道系统刚度较大时，推力和应力也较大，并可能导致管道和土建结构的破坏以及影响到机器、设备的正常运行。因此管道应有足够的柔性。

2.2增加管道柔性的措施

为解决上述的四大问题，在工程中增加管道柔性一般采取以下措施：

（1）改变管道的几何布置。与传统管道相连相比，增加了管道的弯头数量和管道的走向，通过设置数量更多的点对点管道数量，增加管道的柔性。不管是在二维平面还是三维空间内，在改变几何布置的时候，保证管道两端点固定不变。

（2）在管道支撑时选择弹簧支吊架。利用弹簧支吊架，可以适当释放支承点对垂直位移的约束，但不能使用太多，若连续使用可能影响管道的稳定性。

（3）增设膨胀节。在一些特殊情况下，增加管道长度和弯道数量不可行，比如管道直径太大或对工艺要求较为特殊，此时采用增加膨胀节的方法增加管道柔性。但由于其造价昂贵，制造工序复杂，在实际情况中应避免使用。

2.3管道柔性设计的一般要求

管道设计应该使管道具有必要的柔性，来满足以下要求：①管道应力在标准规定的允许值内，即二次应力满足要求；②管道对相接设备的力与力矩在设备供应商的允许范围内，不至于使管道相接的机器、设备产生过大的应力或变形；③管道对法兰的力与力矩应不会导致介质泄漏；④管道推力或力矩不会引起管道支吊架的破坏。

2.4管道柔性设计时考虑范围和报告要求

在实际管道柔性设计规定中，还要考虑到：①管道温度应小于等于-50℃，或大于等于100℃；②考虑柔性管道的直径范围，据此来设计温度和管道布置，并视具体情况来确定；③存在外加强迫位移的管道应考虑柔性设计；④对于敏感设备相连接的管道如离心泵，汽轮机等设备。

对石油化工管道设计的多角度应力分析完毕之后，需要依据应力分析的基础制作出关于柔性设计的相关方案，具体部分应包括如下内容：①管道最大应力所在位置和数值，对应允许值以及二者的百分比值；②支承点、弯头、管口等关键部位在冷、热态下的位移；③支承在冷、热态下所承受的荷载；④计算确定的弹簧支承数据表，其中应含支承点位移及荷载。

3　工程实例分析

某120万t/a重油催化裂化项目，烟气轮机（以下简称烟机）进口管道，介质条件：温度650℃，压力0.35MPa，管径Φ1 020×12，材质06Cr19Ni10。管道自三旋出口EL+25000下至EL+7000m，后水平向前约12m进入烟机。此管道管径大、温度高且烟机管咀受力允许值较小，采用常规设计自然补偿不可能满足要求。为此我们在立管上布置了2个铰链型膨胀节在水平管上又布置了1个铰链型膨胀节，自上而下为膨胀节A，B，C构成平面内三铰链型膨胀节系统，竖直管段的热膨胀将由B和C两个膨胀节的动作来吸收，水平管段的热膨胀由A和B 两个膨胀节来吸收。并且在管口的位置设置了弹簧吊架，进一步降低垂直方向的受力，最终使烟机入口管咀的受力值降到了可被接受的程度。

4　结束语

在管道自身的应力满足标准规范的要求时，因为管道柔性不足而导致法兰泄漏、管道对设备管咀的推力（矩）不满足设备供应商的要求，或者管道对结构梁的推力过大等，进而产生安全隐患，甚至使管道或者设备在运行中造成严重事故等。因此还必须充分考虑高温、大管径以及与敏感设备相边的管道的柔性。

[1] 赵丽京.石油化工管道设计应力分析基础上的柔性设计[J].化工管理，2015，（26）：55-56.

[2] 崔广东.石油化工管道设计的应力分析与柔性设计[J].中国石油和化工标准与质量，2013，（16）：45-46.

[3] 李晓亮.化工装置中安全阀工艺设计及附属管道应力分析[D].大连理工大学，2014.

[4] 唐永进.压力管道应力分析 第二版[M].中国石化出版，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

钱胜辉（1985—），男，河南洛阳人，助理工程师，主要研究方向为石油化工管道设计和管道应力分析。