石油化工管道的柔性设计

赵 辉 刘逸飞

中海油石化工程有限公司 （山东济南 250014）

在石油化工行业，管道的设计水平直接关系到装置建设的投资和装置开车投产后能否长期安全稳定地运行。近年来，化工装置的数量及规模越来越大，装置运行中因管道应力过大造成的安全事故时常发生。为了避免因管道应力问题发生的安全事故，在工程设计过程中通过应力分析对管道或管系进行柔性设计，以保证装置的安全稳定运行，从而减少安全事故引起的人员伤亡及经济损失[1]。

1 石油化工管道柔性设计

1.1 管道柔性的概念

管道的一个重要特征是具有一定的柔性。管道的柔性是反映其变形难易程度的一个物理概念。当温度变化时，管道会通过自身变形来予以适应；当设备基础沉降时，管道会通过自身变形来适应位移的变化。可见，管道的柔性就是管道通过自身变形来吸收因温度、荷载、压力等因素引起的外形变化或其他原因产生的位移，保证管道上的应力在材料许用应力范围内的性能[2-3]。

1.2 管道柔性设计的目的

由于温度变化、内压变化、荷载变化等，管道系统会出现不同程度的问题，主要包括以下几个方面：一是由于应力过大或金属疲劳而引起管道破坏；二是管道支架由于受到过大的推力而遭到破坏；三是管道焊接或法兰连接处产生过大应力发生泄漏；四是与管道相连的设备由于受到过大推力而不能正常运行。管道柔性设计可以使管道系统具有足够的柔性，通过管道自身变形或管道位移降低管道应力，从而防止上述问题的产生。

1.3 管道柔性设计的原理

管道系统上的任何一处受力点，通常受到三个方向应力的作用，即轴向应力（SL）、环向应力（SP）、剪切应力（ST）。这三个方向的应力会影响管道材料的力学性能，如果应力超过材料的许用应力，则会使材料失效，甚至发生破坏。通常使用当量应力强度（简称“应力强度”）来衡量应力对材料的这种影响，需要根据相应的强度理论来求解应力强度[4]。

（1）最大主应力强度理论

应力状态下，其强度计算准则表达式为：

式中：S 为最大主应力，MPa；SL为轴向应力，MPa；SP为环向应力，MPa；ST为剪切应力 ，MPa。

该理论仅指材料发生断裂破坏时，其受力横截面上的最大主应力即是最危险的应力。

（2）最大变形强度理论

应力状态下，其强度计算准则表达式为：

式中：εmax为材料最大变形量；[ε]为材料允许变形量。

该理论仅指材料断裂破坏时，最大变形将是受力横截面最危险的情况。

（3）变形能强度理论

应力状态下，其强度计算准则表达式为：

该理论仅指材料的破坏或性能失效，取决于材料单位体积变形所积累的位能（即变形能），当其达到临界值时，则视为最危险的情况。

（4）最大剪切应力强度理论

应力状态下，其强度计算准则表达式为：

该理论是指材料的破坏或性能失效，仅取决于材料所受的最大剪切应力。目前，美国和我国的管道设计规范均依照最大剪切应力强度理论编制和实施，该理论认为：材料最危险的应力应是当其达到屈服点时（材料开始滑移）的最大均匀剪切应力，而该值正好等于最大主应力与最小主应力之差的均值。

式中：τmax为最大均匀剪切应力，MPa；δmax为最大主应力，MPa；δmin为最小主应力，MPa；[δi]为屈服应力，MPa。

2 增加管道柔性的方法

2.1 改变管道空间走向

改变管道的走向，实质上是通过增加管系长度和弯头数量来实现管系柔性的增加。增加弯头数量相当于增加了变形点的数量，且弯头的刚度较小，当管系发生较大位移或其他形变时，弯头可以在一定程度上降低管系刚度，吸收这部分位移或形变。管道布置中，在满足设备位置、工艺要求、操作要求等条件的基础上，为使管道的空间走向和结构尺寸满足管道柔性的要求，通常将管道设置为π形弯（a）、Z形弯（b）、L形弯（c）等，如图 1所示。

2.2 设置管道柔性件

当因管径较大、场地受限等不能改变管道走向时，可以考虑采用增加管道柔性件的方式来吸收管道的位移形变，缓解管道中的应力和对边界约束的附加力。

图1 管道走向设置

常见的管道柔性件有波纹管式补偿器、套筒式补偿器、球形补偿器。波纹管式补偿器是石化装置中常用的一种管道柔性元件，它是利用一组或数组塑性较好、厚度较薄的波纹管容易变形的特点来达到吸收管道热膨胀的目的。波纹管式补偿器的种类很多，常用的有自由型、四连杆横向型、单式铰链型、单式万向铰链型、复式拉杆型、弯管压力平衡型等型式。套筒式或球形补偿器容易因填料松弛而发生泄漏，故在石化装置中很少采用，在剧毒、易燃、易爆介质管道中严禁采用。

与改变管道走向的自然补偿方式相比，管道柔性件具有补偿能力大、占用空间小、安装简单、设计方便等优点；但管道柔性件在管道中是薄弱环节，其安全性较低，且价格较高[5]。因此，在管道设计中优先选用改变管道走向的自然补偿方式。

2.3 使用弹簧支吊架

刚性支架一般不会增加管道的柔性，常利用其约束管道的位移，防止较大的位移转移到与管道相连接的设备上，或因位移过大而影响临近的管道[6]。

将某些位置上的刚性支架改为弹簧支吊架可以增加管道的柔性。对于管道上某一个节点来说，没有支架时该节点没有约束，也可以认为其约束点的刚度为零。当该点设置刚性支架时，沿支架方向的位移受到限制，该约束点的刚度为无穷大。弹簧支架的刚度介于二者之间，它对管道的位移有一定的约束作用，但也可以允许管道在约束方向上有一定位移。因此，将管道上的一些刚性支架改为弹簧支架，能够增加管道的变形量，增加管道柔性，从而缓解支架处的约束作用，减小管道应力。

2.4 减少管道摩擦力

当管道中的各单元因热膨胀而发生位移时，它将与相关的支撑面产生摩擦力。摩擦力与支撑约束相似，即它对管道的热膨胀总是起阻碍作用，或者说它会降低管道的柔性。但摩擦力与刚性支架的阻碍作用也有区别，它并不能完全阻止管道元件的热膨胀。对于小直径管道来说，摩擦力一般是比较小的，其对热膨胀的阻力也很小，可以忽略不计。

对于大直径（400 mm及以上）管道来说，其摩擦力可能会很大，此时就应考虑摩擦力的影响（摩擦系数见表1）。管廊上内径不低于200 mm的距离管道、常减压装置的转油线、催化装置的烟气管道等都是应考虑摩擦力影响的典型管线。对于常减压装置的转油线来说，由于其支撑点较高，支架刚度又不宜太大（太大时经济性差），此时如果发生较大的摩擦力，会危及到支架的安全。因此工程中通常将其承重支架改为滚动支架、摆式支架或者自润滑的低摩擦支架等，以减少其摩擦力，从而减少管道热膨胀对支架的影响。另外，系统管廊上的长距离大口径管道也常采用摩擦力较小的滚动支架、摆式支架等。

表1 摩擦系数

3 小结

影响管道柔性、降低管道应力的方式有很多，进行管道柔性设计时，在保证管道具有足够柔性来吸收管道变形且符合相关设计规范的前提下，应注意避免使管道系统过分柔性，这样不但可以防止管道因过分柔性产生振动，还能减少大量投资。因此，在工程设计中设计人员需要根据设备的布置情况、工艺系统的要求、安全操作等因素确定增加管道柔性的方式，最终使管道达到合格标准：（1）管道上各点的二次应力值应小于许用应力范围；（2）管道对设备管口的推力和力矩应在允许的范围内；（3）管道的最大位移量应能满足管道布置的要求。

参考文献：

[1]黄静.管道的柔性设计[J].小氮肥设计技术,2002,23(2)：20-25.

[2]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.

[3]肖昀昀.石油化工管道设计应力分析基础上柔性设计[J].工程技术（全文版）,2016(12)：228.

[4]浩斯巴雅尔.关于压力管道的应力分析 [J].中国石油和化工标准与质量,2013(11)：113.

[5]于咏梅.压力管道柔性设计及金属波纹管膨胀节的选用[J].河南化工,2009,26(1)：36-37.

[6]刘龙.压力管道的柔性设计及弹簧支吊架选用 [J].山东化工,2015(22)：125-126.