化工管道应力分析基础上的柔性设计

王虎臣

(华陆工程科技有限责任公司,陕西 西安 710065)

在整个石油化工行业中，管道设备十分常见，管道设备属于石化工业发展的基础，因此，管道设计的安全性及高效性对于企业的发展十分重要。近些年来，化工管道事故频繁出现，使得化工管道的安全备受关注，管道的设计问题也日益突出[1]。一般来说，化工管道的设计工作十分复杂，包含应力分析、材料选择以及管道设备布置等环节，目前，为了进一步保障管道安全，在应力分析的基础上，加入了柔性设计环节。但是由于柔性设计刚刚起步，其发展并不成熟，且研究成果较少，这给化工管道的设计人员带来了较大的困扰。针对柔性设计研究不足的问题，文章将从应力分析入手，在此基础上分析柔性设计的相关要求，并提出相应的设计方案，为化工管道柔性设计的进一步发展奠定基础。

1 化工管道应力种类分析

(1) 一次应力分析。一次应力分析指的是对化工管道所承受的载荷进行分析，这里所讨论的载荷指的是内外应力以及剪切力，其中，外应力又包含风载荷、人为载荷等。当管道所承受的载荷达到超过管道自身的屈服强度时，管道会产生塑形变形，严重时可能会出现断裂问题，所以，为了保障管道安全，在进行管道设计时，管道的屈服强度必须留有一定的裕量，管道所受载荷应力计算公式如式(1)所示。一般来说，一次应力分析最为重要，因为这些应力对管道安全的威胁程度最大，在对管道进行安全校核时，应根据管道的屈服极限进行评价[2]。

σ=FN/A

(1)

式中：FN——管道所受的载荷力，N；A——管道的横截面积，mm。

(2) 二次应力分析。二次应力分析主要指的是对管道所受的约束作用进行分析，这些约束作用包括热胀冷缩所产生的应力以及位移产生的应力等，热应力计算公式如式(2)所示，这些约束并不是直接由外力产生，也不会与外力达到平衡，只能依靠管道本身来协调自身安全。当管道所承受的约束超过其塑形变形强度时，管道就会产生危险。一般来说，如果管道的塑形变形强度较高，则管道抵抗二次应力的能力就越强，且自身安全性就越高。二次应力不会直接对管道产生损坏，而是通过反复的二次应力循环危险管道安全。管道轴向和横向变形公式如式(3)和(4)所示：

σ=αEΔt

(2)

ε=(l1-l)/l

(3)

ε′=(b1-b)/b

(4)

式中：α——管道的线变形系数；E——管道的弹性模量，GPa；Δt——管道工作时与安装时的温度之差，℃；l1——管道变形后的轴向长度，m；l——管道原始轴向长度，m；b1——管道变形后的横向长度，m；b——管道原始横向长度，m。

(3) 峰值应力分析。峰值应力分析主要指的是对管道某一位置处可能出现的最大应力进行分析，一般情况下，该最大应力主要是由一次应力和二次应力叠加而成，峰值应力不会引起管道变形，而是会直接引起管道穿孔，因此，峰值应力对管道的威胁程度最大。管道所处环境的温度、湿度等因素都会对其产生影响。在对峰值应力进行分析时，主要所采用的方法为实验法。

应力影响因素及危险性统计表如表1。

表1 应力影响因素及危险性统计表Tab.1 Statistical list of stress influencing factors and risks

2 化工管道应力分析价值简介

对化工管道进行应力分析的意义在于通过发现管道全线的异常应力状况、判断管道的安全与否，因此，类似于化工管道这种对于强度、刚度以及柔性都具有一定要求的设备必须通过应力分析的方式保障其安全[3]。在另一方面，通过应力分析，还可以为管道建设初期管道的布置状况提供有效建议，为管道及附属设备的安全提供指导。具体来说，对化工管道进行应力分析的价值主要在于以下两个方面：

(1) 确保管道始终处于安全状况。管道对于化工企业而言十分重要，因此，保障管道的安全是企业顺利生产的前提，在管道安全判断方面，我国已发布相应的要求，要求指出，管道的密封程度、抗腐蚀能力以及抗压强度是判断管道安全的关键，在这三方面中，抗压强度需要通过应力分析的方式进行判断。

(2) 确保管道附属设备始终处于安全状况。众所周知，管道周围部署有大量的附属设备，例如三通、法兰等，由于化工管道内的介质充满了危险性，如果附属设备出现问题，也极易容易产生安全问题，例如，当管道内介质的温度过高时，受热胀冷缩的作用，其附属设备会出现损坏状况，从而造成化工气体泄漏，通过应力分析的方式可以为附属设备的布置及安全提供保障[4]。

3 管道柔性设计

3.1 管道柔性设计目的及要求

对于化工管道而言，管道的首末端以及三通位置处连接有大量的机械设备或水泥建筑，当管道受到内部介质的热胀冷缩作用时，管道会对周围的机械设备或水泥建筑产生一定的作用力，同时，机械设备或水泥建筑也会对管道产生一定的反向作用力，从而使得管道承受的外界应力增大，如果管道自身具有很强的刚度，则在反向作用力的推动下，会使得管道周围的机械设备或水泥建筑遭受破坏，因此，在对管道进行设计时，必须要求管道自身具有一定的柔性[5]。在对管道进行柔性设计时必须满足四项要求：管道所承受的应力维持于安全状态，其二次应力必须满足相应的规范要求；管道周围附属设备或土方建筑所承受的力矩和力必须维持在安全要求内，从而防止应管道运行对设备或土方建筑产生破坏；在外力的作用下，管道上的法兰不会因自身受力原因引起化工原料泄漏；在管道内外力的作用下，不会对维持管道平衡的支架产生破坏，从而使得管道始终处于平衡状态。

3.2 化工管道柔性设计方案

在对其进行设计的过程中，必须从四方面出发进行深层次考虑。

(1) 管道温度，管道温度不得超过100 ℃，同时，也不得小于-50 ℃，否则，管道自身极易产生变形，从而危险自身及附属设备安全[6]；

(2) 管道直径，在对其进行柔性设计时，必须根据管道的实际直径，对管道的布置情况进行安排；

(3) 外力，如果管道长时间承受较大的外力作用或者可能会产生位移，则必须进行柔性设计；

(4) 附属设备，如果管道所连接的附属设备较多，例如泵、压缩机等，则在设备连接处需要对其进行专门设计。

一般来说，目前的柔性设计一般是从三方面出发对其进行具体设计，分别是增加自然补偿、选择支吊架固定以及改变管道走向。

(1) 增加自然补偿。管道自身具有一定的补偿作用，补偿作用能有效防止管道产生变形，当管道所受内外力较大时，则需要增设自然补偿。目前，最常见、最高效的自然补偿为“π”补偿器，但是如果化工管道内输送介质的温度相对较高，且输量较大，该种补偿器的使用会受到一定的限制，此时可使用螺纹管补偿器。自然补偿的具体安装步骤为：选择补偿类型，补偿类型的选择需要根据管道内介质的温度及管道管径决定；对管道的膨胀量进行计算，管道膨胀量的计算公式为：膨胀量=膨胀系数×管长；确定补偿位置，补偿位置应尽可能靠近两个管道固定点的中心位置；对管道应力进行校核，确保增加固定点后管道可以始终处于安全状态。

(2) 选择支吊架固定。支吊架的主要作用是对管道的自身重量和外界应力进行平衡，从而防止管道出现过度弯曲问题，在增加支吊架时，首先应对管道自身能承受的弯曲应力进行计算，其计算公式：

σA=f(1．25σc+0．25σk)

(5)

式中：σA——管道自身所能承受的弯曲应力，MPa；f——应力系数，该系数与管道材料有关，一般情况下，随着管道钢级的增加，其应力系数也会随着增加；σc——管道受热时所能承受的应力，MPa；σk——管道在冷态作用下管道所能承受的应力。

在支吊架数量确定方面，如果从一次应力分析结果出发，则其数量就需要增加，从而使得管道自身承受的应力降低；如果从二次应力分析结果出发，则其数量就需要减少，从而防止支吊架自身对管道产生约束作用。综合来说，支吊架的数量必须根据所有类型应力的分析结果进行确定。

(3) 改变管道走向。通过改变管道自身走向是进行柔性设计最为间接的方法，这主要是因为在管道两端受到约束的作用下，改变管道的走向，可能会使得管道的长度增加，同时管道弯头的数量也会得到不同程度的降低，从而使得管道的柔性增加。最有利于管道安全的走向为L型走向，这种类型的走向仅在两端管道之间产生了一个弯头，同时还可以保证两节管道始终处于最长状态。当采用该种方法进行柔性设计时，首先必须保证化工单位内拥有充足的空间。

4 实例设计

我国某化工企业内的管道如图1所示，其管道数据如表2所示。该管道沿线连接有大量的设备，同时，从图中还可以看出，原管道错综复杂，十分不利于其安全运行。

图1 化工管道原图Fig.1 Original draft of chemical piping

参数名称数值材料X60规格291×8(mm)保温层厚度12(mm)工作温度62 ℃工作压力3.6 MPa设计温度85 ℃设计压力5.4 MPa

在改变管道走向方面，由于该企业管道上方具有很大空间，为了节约管道及附件的占地面积，在进行柔性设计时尽可能使管道向上方延伸，在另一方面，向上方延伸还能有效增加管道的长度，增加其自身柔性强度；在增加自然补偿方面，考虑到管道沿线存在大量设备，且管道两个固定点之间的距离较短，因此，仅在管道沿线设备位置增加螺纹钢补偿器；在选择支吊架固定方面，管道向上方延伸需要进行吊装，因此管道沿线正好可以敷设大量的吊架。最终管道优化设计如图2所示。

图2 管道柔性设计优化图Fig.2 Design optimization chart of pipeline flexibility

5 结论

通过实例分析表明，对管道进行应力分析的基础上进行柔性设计十分重要。在进行应力分析时，必须从一次应力、二次应力以及峰值应力三方面出发，进行深入研究三种应力工作原理以及对管道运行带来的安全风险，峰值应力的危险性最大。在进行柔性设计时，可以采取的方案有三种类型，分别是增加自然补偿、选择支吊架固定、改变管道走向，多种设计方案同时兼顾，其效果更佳，化工管道运行安全性更高。