管道設計中應力管線的柔性分析

張世偉，黃閃閃

(1.浙江省天正設計工程有限公司，浙江 杭州 310012；2.洛陽石化工程設計有限公司，河南 洛陽 471000)

0 引言

石化及化工裝置的管道設計工作是整個工廠設計中的重要一環(huán)，不僅需要滿足化工工藝流程的要求，還需要正確選取管道及管件材料，同時還需考慮管系相連的設備、管系自身的受力狀況。在國內(nèi)的各大、中型石化及化工類設計院專業(yè)分工中，管道設計工作一般包含三個內(nèi)容：一是設備布置及管道布置；二是管道及管件的材料選用；三是高溫高壓等各種苛刻工況下管道的應力分析。管線的應力分析，一般通過CAESAR II 軟件進行。對于應力管線，當管線遇到熱脹冷縮或發(fā)生位移等情況，根據(jù)CAESAR II 軟件應力報告合理調(diào)整管道布置或支吊架型式，可以有效避免出現(xiàn)管線損壞的情況或者管線不能配合設備使用，甚至設備不能平穩(wěn)運轉等情況。在管道設計時，對于簡單的應力管線，工程設計人員可以根據(jù)應力分析知識及相關工程經(jīng)驗在設計初期就對管系的柔性進行提升，使管系及相連的設備在運行過程中有更好的安全性，從而保證裝置能夠長時間安全平穩(wěn)運行。

1 管道柔性的概念及柔性設計的目的

1.1 管道柔性的概念

管道的一個重要特征就是管道要有一定的柔性。管道的柔性是反應其變形難易程度的一個物理概念[1]。裝置內(nèi)管線設計時，當管道中介質(zhì)的溫度變化，尤其是溫度升高時，如果設計時已預先考慮過通過增加彎頭等方式來增加柔性，管道就會通過自身變形來吸收管路介質(zhì)溫度變化所產(chǎn)生的熱脹量。對罐區(qū)設計時，當設備基礎發(fā)生沉降時，如果管道柔性較好，設備所相連接的管道會通過自身變形來適應基礎沉降引起的管道位移變化。但如果設計時因場地受限等原因無法通過繞彎等方式增加管線柔性，就必須通過設置金屬軟管等方式來消減設備基礎沉降帶來的影響。由此可見，當管系因溫度變化、荷載改變等因素引起的熱脹冷縮等管子外形變化或者管系受到推力帶來位移變化時，管道可通過自身的變形來吸收這些變化，這也即管道的柔性。

在進行管道設計時，不僅要考慮安全性，保證管道具有足夠柔性來吸收位移變形，保證應力在材料許用應力范圍內(nèi)。同時設計時需考慮經(jīng)濟性，盡量使管道長度短，所用管件少，從而節(jié)省投資。管道設計時，常采用如下措施來提高管道的柔性：

(1)改變管道走向等自然補償?shù)姆绞剑?/p>

(2)調(diào)整支吊架型式，改變支吊架位置；

(3)選用波形補償器等各類柔性件。

1.2 柔性設計的目的

管道柔性設計的目的是保證管道系統(tǒng)在溫度變化、內(nèi)壓變化、荷載變化等不同程度的問題出現(xiàn)時，管道不會因自身熱脹冷縮、管道支架設置不合理、端點附加位移過大等原因造成一系列問題。通常，管道系統(tǒng)沒有柔性容易出現(xiàn)下列問題：

(1)管道應力過大引起的管道破壞；

(2)金屬疲勞或者超過材料許用應力范圍引起的管道破壞；

(3)管道法蘭連接處或者管道焊接處因應力過大而發(fā)生泄漏；

(4)管系中某處的管道支架因受到管子過大的推力或者所受的力矩過大而發(fā)生破壞；

(5)因管道本身受到過大推力從而導致與管道相連設備也受到過大推力而不能正常工作。

通過管道的柔性設計，可以使管道通過自身變形或者管道位移降低管道所受的管道應力，讓整個管道系統(tǒng)具有足夠的柔性，防止上述問題在石油化工管道設計中發(fā)生。

2 增加管道柔性的方法

在石化及化工管道設計中，增加管道柔性常見的措施：自然補償；改變支吊架型式；設置補償器等管道柔性件。

2.1 自然補償

自然補償即通過調(diào)整各段管道的長度或增加彎頭數(shù)量來改變管道走向。在設計中，增加彎頭數(shù)量相當于增加了管系中變形點的數(shù)量[1]。當管系中有較大位移或其他變形發(fā)生時，由于彎頭的剛度較小，增加彎頭可以吸收這部分位移所帶來的形變量，從而降低管系剛度，增加管系的柔性。當管系方向發(fā)生變化時，如果兩段管道長度差距過大，也不利于吸收熱脹。設計時，使兩段長度相等或者相近，管系因溫度變化等原因引起的形變就能得到很好的吸收，管道的柔性也能得到很好的改善。自然補償常見的方法有設置“π”型彎、“Z”型彎、“L”型彎等。

2.2 改變支吊架型式

正確選用支吊架，可以調(diào)整和改善管系的受力狀況，使管系適應變形的需要，并使管系端點推力在許用范圍內(nèi)[2]。在支架的設計中，管系中的剛性支架一般只起到承重、支撐、約束管道位移的作用，并不能增加管道的柔性。剛性支架通過約束管道的位移，可防止管子把較大的位移轉移到其相連接的設備上，或者是管子因產(chǎn)生較大的位移而影響相鄰的管道。但同時如果剛性支架處管道位移過大，尤其是垂直方向的位移，選用剛性支架會造成管道在此處因受到過大的應力而造成管道破壞。這時在設計中把該剛性支架改為彈簧支吊架就可以很好地解決管道位移過大的情況，達到增加管道柔性的目的。彈簧支吊架不僅對管系運行過程中產(chǎn)生的位移有一定的約束作用，也可避免管系在支架處垂直位移過大而造成管道破壞，所以合理設置彈簧支吊架在管道設計中具有重要意義。但是在設計中要把握一個原則，彈簧支吊架不是設置的越多越好。彈簧支吊架的剛度遠低于普通剛性支架，因此如果管系中彈簧支吊架設置過多的話，管系各點位移方向就會失去控制，而管系穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生偏斜和振動。同時彈簧支吊架價格也較高，經(jīng)濟性較差。

2.3 設置補償器等管道柔性件

管道設計時，當遇到管道因管徑過大或所處空間受限等原因不能通過改變管道走向等自然補償方式來提高管道柔性時，可以考慮采用設置補償器等管道柔性件的方式來吸收管道因溫度變化等所產(chǎn)生的位移形變，從而增加管道柔性，保證管系正常運行。在壓力管道設計中常用的有波紋管式補償器、套筒式補償器、球形補償器等管道柔性件。與設置“π”型補償?shù)茸匀谎a償方式來改變管道走向的方法相比，波紋管式補償器等管道柔性件雖具有補償能力大、占用空間小、設計方便、安裝簡單等一系列優(yōu)點，但是其制造較為復雜，安全性相對較低，經(jīng)濟性較差，故在設計中需綜合考慮各種情況后再選用。

3 簡單管道應力分析實例

3.1 “π”型彎的設計及應用

“π”型彎由于其具有結構簡單、設計方便、投資較小、運行可靠等優(yōu)點，是管網(wǎng)設計中最常見且應用最廣泛的一種補償形式，其設置主要是為了防止兩固定支架間的管道發(fā)生軸向位移而引起應力集中從而破壞管道。管道設計時常用的“π”型彎一般有平面“π”型彎及立體“π”型彎兩種形式?！唉小毙蛷澩ǔ２贾迷趦蓚€固定支架的中間位置，同時為避免管道的橫向位移過大，在其兩側宜布置導向支架，其導向架與“π”型彎的距離一般為32 到40 倍的管道公稱直徑。另外，“π”型彎在設置時與固定點的距離不宜小于兩個固定點之間間距的三分之一，主要是為了保持“π”型彎兩個臂長發(fā)揮同等的補償作用[3]。

國內(nèi)東北某港口城市某大型石化項目的系統(tǒng)管網(wǎng)設計中，“π”型彎即作為主要補償形式，在項目中得到了大量應用，局部設置如圖1 所示。以該項目為例，“π”型彎一般設在兩個固定點中間。固定點的設立一般遵循如下原則：中壓蒸汽按50 m 左右設置固定點；重油(渣油、蠟油、未轉化油、重污油、脫瀝青油)、堿渣、低壓蒸汽、凝結水按100 m 左右設置固定點；柴油、潤滑油、輕污油按150 m 左右設置固定點；凈化水(伴熱)、含芳烴廢水(伴熱)、酸性水、堿液、廢胺液、貧富液、冷媒水、氮氣、凈化風、熱水按200 m 左右設置固定點。以上是大致的原則，在具體設計時還要根據(jù)管線溫度做適當調(diào)整，設置補償?shù)臏囟葢〔僮鳒囟然蛘羝祾邷囟取?/p>

圖1 國內(nèi)某項目管網(wǎng)的“π”型彎設置

3.2 運用CAESAR 軟件進行管線柔性設計

以中石化某公司二甲苯裝置深度熱集成節(jié)能改造項目為例，該項目主要是換熱網(wǎng)絡優(yōu)化，其中包括脫庚烷塔進料換熱流程優(yōu)化、脫庚烷塔底液換熱流程優(yōu)化、吸附分離進料換熱流程優(yōu)化。同時，針對裝置存在的問題，對對二甲苯裝置的二甲苯分餾單元、異構化單元和吸附分離單元進行節(jié)能改造，實現(xiàn)芳烴裝置能量梯級利用，回收利用二甲苯塔頂冷凝液和脫庚烷塔頂油氣熱量，同時優(yōu)化二甲苯塔進料和脫庚烷塔進料溫度。本次改造主要內(nèi)容是新增換熱器4 臺，新增機泵2 臺。其中新增一臺高通量換熱器17-E-12A，原17-E-12 保留，與17-E-12A 并聯(lián)切換使用。

在進行管道布置的時候，由于成品塔底液從二甲苯裝置成品塔(17-E-03) 塔底重沸器17-E-12 和17-E-12A 的殼程出口匯合后進入成品塔塔底，介質(zhì)的操作溫度為165 ℃，操作壓力為0.09 MPaG，為汽液兩相介質(zhì)，容易發(fā)生振動，必須對所布置的管道進行應力分析，以保證管道的柔性達到要求。該管線材質(zhì)為20#鋼，管徑為450 mm，最初設計的管道布置如圖2 所示。

圖2 成品塔與重沸器間管線最初的管道布置圖

用CAESAR II 建立模型進行分析，發(fā)現(xiàn)原管道布置下設備管嘴受力不滿足要求。用CAESAR II 調(diào)整后的管道走向如圖3 所示。

圖3 成品塔與重沸器間管線Caesar模型圖

分析節(jié)點受力，得出節(jié)點50 處有一個向上的位移量，用CAESAR II 軟件計算得出彈簧工作報告，如圖4 所示。

從圖4 所知，節(jié)點50 處需設置彈簧。該彈簧工作荷載為9 436 N，安裝荷載為10 420 N，位移6.576 mm，荷載變化率為10%，查閱相關國家標準規(guī)范即可選取到相應的彈簧支吊架。最終呈現(xiàn)的彈簧裝配圖如圖5 所示。

圖4 CAESAR II 軟件計算得出彈簧工作表

圖5 彈簧裝配圖

4 結語

在管道設計過程中，根據(jù)管道的操作工況等優(yōu)化管線設計，合理提高管道柔性，對管系安全穩(wěn)定運行至關重要。在柔性設計中，要根據(jù)不同的情況，合理選取增加管道柔性的方法?！唉小毙蛷潯⒀a償器等柔性件以及彈簧支吊架各有自己適宜的工作環(huán)境，選取時需綜合考慮安全性、便捷性及經(jīng)濟性。