化工装置中的管道应力分析及优化

孙 伟

(广东寰球广业工程有限公司，广东 广州 510655)

在许多项目的工艺管线中，经常存在着温度较低或温度较高的管线，这些管线或者因为热胀冷缩而产生位移，或者在受到外力的作用后产生形变，导致金属管道内部原子间的相对位置也随之发生改变，这种力的改变量称之为内力。内力是沿着管道的整个断面连续分布的，单位面积上的内力强度，即称之为应力。管道工程师在设计管道走向时，既需要满足工艺的要求，也需要考虑管道应力可能造成的影响。

1 化工管道应力分析的目的

管道是石油化工装置的重要组成环节之一，在不同的工况下，管道的运作也会受到各种因素的影响，从而影响管道的安全性。管道应力分析设计应保证管道在设计和工作条件下，具有足够的强度和合适的刚度，防止管道因热胀冷缩、支承或端点的附加位移及其它的荷载(如压力、自重、风、地震、雪等)造成下列问题：(1)管道的应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏。(2)管道连接处泄漏。(3)管道作用在与其相联的设备上的载荷过大，或在设备上产生大的变形或应力，而影响了设备的正常运行。(4)管架因强度或刚度不够而造成管架破坏。(5)管道的位移量过大而引起的管道自身或其它管道的非正常运行或破坏。(6)机械振动、声频振动、流体锤、压力脉动、安全阀泄放等动荷载造成的管道振动及破坏。

不合理的管道走向，会使装置在运行过程中存在风险和隐患，管线产生的应力过大，对设备造成破坏等各种问题。对管道应力的研究就是要通过相关的软件，精确的计算和分析，合理的布置管道走向，通过π弯、管架、补偿器等等，来吸收或限制管道应力，从而保障装置的正常生产运作，增加管道的使用寿命。

2 化工管道的应力分析

随着石油化工装置规模的不断扩大，工艺复杂程度越来越高，管线的温度、压力、壁厚等也随之增大。原则上，所有的管线均应做应力分析，并根据管线的类别(温度、压力、口径、壁厚、所连接的设备的荷载要求等)确定应力分析的方法和详细程度。如果项目中没有具体规定，则可以将应力分析管线分为Ⅰ类管线、Ⅱ类管线、Ⅲ类管线，见图1。

图1 应力分析管线分类

常用的管线应力分析方法有：目测法、简单分析发、计算辅助应力分析法(CAESARⅡ)等。对于Ⅰ类管线采用目测检验或者简化分析法即可，Ⅱ类管线可采用简化计算方法进行分析计算，适用于高压管线、锅炉水管线、天然气及液化气管线、工艺管线等，Ⅲ类管线应该严格的进行计算机辅助计算分析。对与具有对载荷敏感的转动机械相连的管线，与往复式、离心式压缩机、透平相连接的温度高于120℃管线，与空冷器相连接的温度高于120℃管线等也需利用计算机辅助进行严格的计算分析。

(1)目测法：根据以往的经验或与已分析过的管线的比较相类似，则采用目测的方法已经足够，不需要进行更详细的应力分析。此时，需目测者具有相当的工程经验。

(2)简单分析法：简单分析将确保管线有足够的柔性，以吸收位移(热膨胀)。尽管简单分析不能提供准确的载荷和应力，但这种分析简单而快速，它要求管线具有同一直径，两端固定，无中间约束。

式中：D-管子外径，mm；Y-管子吸收的总位移，mm；L-两固定点间管子总长度，m；U-两固定点间的直线距离，m。

(3)计算机辅助应力分析法：使用专门的管道应力分析软件(CAESARⅡ)对管道进行详细的应力计算和结果分析。计算并分析评定管道各分支点的应力、约束点和端点(设备管口)的力和力矩等。管道应力分析分为静力分析和动力分析。对一般管道，通常只做静力分析即可。但对一些特殊工况的管线则应做动力分析(如往复泵、往复式压缩机的进出口管线)。静力分析包括：1)管道在持续外载(压力、自重、集中力等)作用下的一次应力计算及评定；2)管道在温度荷载及端点附加位移载荷作用下的二次应力计算及评定；3)管道对设备管口的作用力计算；4)管道支吊架的受力计算；5)管道上的法兰和分支点受力计算。动力分析包括：1)管道固有频率分析；2)管道强迫振动响应分析；3)往复式压缩机(泵)气柱频率分析；4)往复式压缩机(泵)压力脉动分析。

3 化工管道应力优化措施

在设计管道时，应充分考虑管道应力的影响因素，尽量规避二次应力的出现，采取有效措施调整管道布置，改善受力过大等情况，从而增加管线和设备的使用寿命。

3.1 合理设置管道支架

管道的设计也是管架的设计，正确的设置管道支架对减轻管道一次应力和管道二次应力有着重要的作用，两个相邻管架的距离应在管道最大跨距内，用固定架限制管道各向线位移及角位移，吸收因管道热膨胀受阻或压力脉动而产生的力及力矩，用导向架限制管道的径向位移，用限位架限制管道的轴向位移等。合理的管架设计可以控制管道形变，降低管道震动。

3.2 增加管道的柔性设计

在化工装置的设计过程中，随着管道长度的不断增加，所产生的管道位移也随之增大，对于长距离管道，在两个限位点之间利用π弯来改变管道走向，提高管道对于位移的吸收能力。还可以通过安装膨胀节和弹簧架，提高管道的自然补偿能力，以防管道在应力作用下形变。

3.3 采用管道冷紧法缓解管道应力

管道的冷紧是让管道在冷状态下的拉力去抵消热状态下的位移，从而降低热胀应力下管道端点产生的推力和力矩，并不改变应力范围，同时也可以防止法兰连接处发生泄漏。但是与转动设备相连接的管线，不允许使用冷紧的方法。

4 结语

化工压力管道的应力分析对于工业管道的设计有着十分重要的作用，管道设计水平的高低也是衡量一个设计公司实力水平的重要因素。管道应力是管道设计中必须考虑的问题，只有通过精确的计算，对管道应力加以约束，才能使设计更加完善，确保装置的正常运转，增加管道使用寿命。

参考文献

[1]姜 崴.管道应力分析软件在化工设计中的应用[J].山西化工,2004,24(2):65-67.

[2]申青云.有关化工设计中管道应力的分析[J].山东工业技术,2014(19):33.

[3]杜志勇.管道应力分析在工程上的应用[J].中国高新技术企业,2011(2):35-37.

[4]韦 征.顾顺超.如何正确分析化工管道设计中的管道应力[J].化工管理,2015(16):180.