石油化工壓力管道柔性設計的淺析

黃曉敏

(中石化廣州工程有限公司,廣東 廣州 510620)

1 概述

連接石油化工裝置的壓力管道就像人體的動脈一樣，起著重要的作用。管道能否正常的運行將直接影響著裝置的安全及企業的經濟效益，而管道的柔性對管道的安全運行有著顯著的影響。

隨著科技的進步石化工藝技術提高，高溫高壓管道在石化企業得到大量的應用，管道布置的合理性顯得越來越重要。否則裝置生產運行過程中可能因為管道因熱脹冷縮而導致管道法蘭連接處泄漏，過大的推力和力矩使設備產生變形；管道柔性不足局部應力集中導致管道位移過大，支架位置的移動、托空、失效、金屬疲勞，最終引起管道斷裂。對于石化企業常規的、工藝技術成熟、設備定型的石油化工裝置是否運行平穩、滿足工藝要求、滿足安全生產要求、滿足檢修要求、滿足環保要求，在很大程度取決于管道柔性的設計水平。管道應力分析是管道安全運行的保證，是管道柔性設計中不可忽視的重要環節。

2 管道應力分析的原理與方法

2.1 管道應力分析的原理

最早的應力分析是把管系在工作狀態下，在線性彈性范圍內的由內在的應力和外在荷載引起的應力和應變綜合起來考慮。以管系不發生屈服的值作為極限值 ，超過這一極值管道應力即失效。顯然這種方法是比較保守落后的，已經不適應現在石化工業的要求了。

為了充分的利用金屬管道材料的彈性性能的特點，故在做管道應力分析時將應力分為一次應力、二次應力和三次應力并且分別驗算。一次應力就是管道承受的內壓和持續的可變的外載而產生的。一次應力使管壁上產生三個相互垂直的正應力即周向應力、軸向應力和徑向應力。一次應力沒有自限性，始終隨管道上施加的外載而變，分析時不僅要驗算管道的內壓而且還要驗算管道所承受的外載，內壓驗算實質上就是驗算管道壁厚是否滿足要求，外載驗算實質上就是驗算管道的跨距是否滿足要求，即確定管道的支架之間最大允許跨距。因此對于一次應力驗算采用極限分析，必須合格。二次應力就是管道隨著溫度的變化產生熱漲、冷縮及位移受到約束而產生的應力。當二次應力超過管道材料的屈服極限時，管道會出現局部屈服和產生少量的塑性變形使得二次應力下降，此為二次應力的自限性。由于該特點，管系上的應力改變并且重新分布，管道在工作狀態或冷狀態的應變又達到了平衡。二次應力是由管道不穩定的熱漲、冷縮及位移的大小和循環次數而決定的，因此對于二次應力驗算不是很嚴格。三次應力是一次應力和二次應力的和，是內壓、持續外載和熱漲產生的最大合成應力，因此三次應力驗算必須合格。

2.2 管道應力分析方法

管道應力分析方法通常有：經驗法、公式法以及計算機法。計算機分析法已成為設計院進行管道應力分析的主要方法，最常用的是國際流行的CAESR/II管道應力分析軟件，特點是成熟、精確、快速。

3 確定壓力管道進行應力分析的方法

管道詳細設計階段要根據以往的經驗布置管道，盡量增加其柔性，減少應力計算次數。選用適當的方法對管系進行應力分析將有助于提高設計效率。

3.1 利用經驗公式判別壓力管道是否需進行詳細應力分析的方法

一般對能滿足下列判別式的管系，可以不做完整應力分析。

式中:D0——管子外徑mm;

Δ——管段總位移mm;

Δ=(Δx2+Δy2+Δz2)1/2;

Δx、Δy、Δz——分別為管段在x、y、z軸方向的位移mm；

U——管段兩固定點的直線距離m；

L——管段在兩固定點的展開長度m。

但上式有其限制條件，按照美國ASME壓力管路規范(ANSI/ASME B31.3)中的備注可知，該經驗公式不適用以下幾種情況：

a.在劇烈循環條件下運行有疲勞危險的管道，如延遲焦化裝置的焦炭塔進料和油氣管道。

b.彎管應力增強系數i ≥5的大直徑薄壁管道。

c.端點的附加位移量占總位移量大部分的管道。

d.兩固定點間的管道總長度(L)與固定點間的直線距離(U)的比值L/U>2.5的不等腿U形彎管，或接近直線的鋸齒狀管道。

e.與離心泵連接的管道，可根據設計要求確定柔性設計方法。

f.采用經驗公式對于管道柔性進行初步判斷，其結果在一般情況下是偏于安全的，但無法保證其絕對可靠，對于裝置內重要管道，如加熱爐轉油線、汽輪機、氣壓機等轉動機器進出口的連接管道等需要進行詳細的應力分析。

3.2 一般壓力容器和加熱爐等設備的連接管道的應力分析范圍和方法

(1)50 ≤ Dn<150，ΔT ≥ 330℃；Dn≥ 150，ΔT ≥ 180℃的管道應用計算機進行詳細應力分析。

(2)Dn< 50，ΔT ≥ 330℃；50 ≤ Dn≤ 100,230℃≤ΔT <330℃；150 ≤ Dn<500, 80℃≤ ΔT ≤ 180℃；

Dn ≥ 150，40℃≤ΔT≤180℃的管道利用圖表法進行應力分析。

(3)Dn< 50，ΔT <330℃；50 ≤ Dn<100，ΔT <230℃；100 ≤ Dn<500, ΔT <180℃；以及Dn>500，ΔT <40℃的管道由設計者經驗進行判斷。

3.3 回轉機械及空冷器周圍的管道應力分析范圍和方法

(1)50 ≤ Dn <100，ΔT ≥ 180℃；Dn > 100，ΔT ≥180℃的管道應用計算機進行詳細應力分析。

(2)Dn <50，ΔT ≥ 180℃；50 ≤ Dn <100，80℃≤Δ<180℃；Dn≥ 100，ΔT <180℃的管道利用圖表法進行應力分析。

(3)Dn <50，ΔT <180℃；50 ≤ Dn<100，ΔT <80℃的管道由設計者經驗進行判斷。

4 管道應力分析的設計要求

4.1 管道應力分析的任務

管道應力分析的任務，是在管道布置時，通過改變管道的空間走向，增加或減少管道支架的數量、選擇合理的支吊架形式，用以防止管道因熱脹冷縮而導致管道法蘭連接處泄漏，及過大的推力和力矩使設備產生變形，管道柔性不足局部應力集中導致管道位移過大，導致管道支架位置的移動、托空、失效、金屬疲勞引起管道斷裂。

4.2 管道應力分析合格的判斷

管道是否具有足夠的柔性，是要通過管道的應力分析和作用力來確定的。主要包括以下三個方面的內容。

(1)管道在內壓和持續外載作用下產生的一次應力，應不大于管道材料的需用應力。內壓是在徑、壁厚和材料選擇時已經考慮過的問題，一般情況下，按照標準規定選擇管子則可。持續外載主要是管道自重(包括介質重、隔熱材料重)、風、雪載荷等，這在管道支吊架選用恰當的情況下是不成問題的。所以在應力分析中一次應力一般情況下是合格的，有時還有余量。

(2)管道在熱漲、冷縮和位移受約束產生的二次應力，應不大于管道材料的熱膨脹許用應力范圍。當管道的二次應力超過管道材料的熱膨脹許用應力范圍，而管道的一次應力低于管道的需用應力時，允許將一次應力未用足的這部分許用應力加在熱膨脹許用應力范圍中，以擴大二次應力的許用應力范圍。

(3)對于連接到轉動機械如汽輪機、氣壓機及泵等的進出口嘴子上的管道，其對于轉動機械進出口嘴子的推力和力矩，應不大于機器制造廠提出的允許值規定。

5 管道應力分析步驟及管道布置調整

(1)根據不同石油化工裝置，確定需要進行管道應力分析的管道范圍。

(2)優先規劃裝置要求進行應力計算的管道，初步確定管道的空間走向，確定支架的形式及支架的位置。一般情況下對于水平管道通常設置滑動支架、吊架等，對于垂直管道通常設置承重支架、導向支架等，對于有垂直位移的管道通常設置彈簧支架。

(3)畫出規劃好需要進行管道應力計算管道的三維視圖，明確標注出管道等級、介質的狀態(氣體、液體、固體)、設計壓力、設計溫度、操作壓力、操作溫度、管道的腐蝕裕量、支架位置、閥門的位置及閥門的重量、與管道相連接的設備及設備圖紙等等必要的信息。

(4)輸入管道應力分析軟件對管道進行應力分析。

(5)根據管道應力分析結果，對管道空間布置進行調整，對支吊架的位置、支吊架的形式進行調整，直到整個管道應力、管端、各個支撐點在x軸、y軸、z軸方向作用力及力矩符合到要求為止。

(6)與管道相連接的設備、機泵等管嘴的機械強度是否能夠承受管端推力和力矩，管端的最大推力和力矩是否在設備、機泵等管嘴能夠承受的機械強度安全范圍內。如果超出設備、機泵等管嘴能夠承受的機械強度安全范圍，那么調整的方法有 a根據管道應力分析結果在適位置加合適量冷緊；b調整管道的空間走向，增加管道的柔性；c 在端附合適的位置加設導向支架等。

(7)管道中各支點的作用力，是選擇支架形式的設計依據。

(8)管道中各支吊點的作用力、位移量是彈簧支吊選型設計的依據。

6 幾種重要管道的應力分析設計要點

6.1 加熱爐轉油線

(1)在設備平面布置時就應考慮轉油線的設計問題，如常減壓蒸餾裝置布置時，爐子與塔的間距在保證入塔前蒸發段直管不小于15M的情況下盡量靠近。其相對位置以能保證轉油線的各分支管布置對稱，介質分配均勻為宜。如果塔的進料口為切稱，介質流量分配均勻為宜。如果塔的進料口為切線進入，應將進料口的中心線與加熱爐中心線對齊。這樣既有利于分支管的壓力降均衡又便于轉油線的應力計算。

(2)加熱爐轉油線在應力計算時利用爐出口前的一根爐管作為整個管道系統的一部分考慮，可以增加管道的柔性，對于圓筒爐的立式爐管更為有效。圓筒爐的立管在爐頂部設有支架，下部回彎頭處設有導向管套，爐管熱脹可向下移動，不會影響爐管上部出口的連接管道。頂部支架為承重支架，不是固定的。前后左右都能有一定范圍的自由活動。從管道柔性設計考慮，此活動范圍保持50mm為宜，按現場實際情況可以做到。

(3)對于帶有燒焦系統或再生系統的轉油線，一般具有兩種操作條件，管道的垂直方向位移不同，甚至管道自重由于介質變化也有所不同。在進行應力分析時，應結合兩種不同的操作情況全面分析管道的柔性，看其是否滿足要求。另外在彈簧支吊架的設計方面，按照正常操作條件下計算選用之后，尚應按照燒焦或再生的操作條件下進行核算。

6.2 汽輪機與氣壓機的進出口連接管道

(1)汽輪機和氣壓機都屬于高速轉動設備，在其制造結構方面，既要預留機器的膨脹裕度，又要保持轉動部件的余隙緊湊，如果管道對其產生的力和力矩太大，將使設備的形變和局部的壓力增大，轉子和定子之間的摩擦和振動增加。因此，在布置管道時，不僅要滿足管道本身的應力設計要求，還要滿足機器進出口嘴子的允許受力要求。

(2)管道的走向布置，應盡可能適應機器進出口嘴子的位移方向。固定支架的位置應設在比較靠近機器進出口嘴子的地方，即在滿足機器嘴子允許受力要求下應盡可能縮短。

(3)在管道設計時，除管道滿足應力要求外，汽輪機或氣壓機嘴子連接管道對于嘴子的作用力和力矩也有嚴格的限制。按照美國標準NEMASM23和API617的規定，不僅要滿足進口或出口嘴子本身的受力允許值要求，還要滿足進口和出口轉移到出口或進口中心線綜合的合力和合成力矩的允許值要求。在布置管道時，往往是比較容易滿足前者，而后者較難滿足，這不僅要求管道布置結構合理，支架適當，還應要求在設備布置時給予注意。

(4)支吊架設計要點：①汽輪機和氣壓機進出口嘴子附近第一個支架應盡可能靠近進出口嘴子。若進出口嘴子向下，則應在嘴子中心線的正下方設彈簧支架；②在計算支架的荷重時，應使支架承擔進出口管道的全部荷重。這樣做可以減小機器嘴子的垂直方向的受力；③為了防止過大的側向位移和減少振動的影響，可在管道上設置一些導向支架。總之，對汽輪機與氣壓機進出口連接管道的支吊架，除了承受管道荷重之外還應考慮減少嘴子的受力問題。

6.3 泵的進出口管道

(1)隨著泵效率的提高，制造日益精密，管道的作用力和力矩要求越來越嚴格。同汽輪機與氣壓機的進出口連接管道一樣，在管道進行應力分析時，要看管道自身的應力是否合格，不僅要滿足管道自身的應力設計要求，還要看管道對泵的作用力和力矩是否在泵的承受范圍內。泵的允許承受力在美國石油學會API-610中有明確規定。

(2)管道的走向布置，應盡可能少用彎頭減少壓力損失，同事對進口管道保證步步低。

(3)由于泵多采用一開一備，在進行管道應力分析時應采用工況組合，通過計算可求出管道對設備在操作狀態下和安裝狀態下的用力和力矩。這些力和力矩是以“熱態吊零”或“冷態吊零”為假設條件的。若熱態吊零，則需校核冷態條件下泵嘴受力是否滿足規范或制造廠的要求。反之，冷態吊零時則需校核熱態條件下泵嘴受力，使其滿足要求。

(4)泵與設備的布置可就近布置，也可稍遠布置。

(5)支吊架設計要點：①降低活動支架吊架的剛度，采用剛度小的可變彈簧支吊架或恒力支吊架；②當采用支架時，如果計算程序有計算摩擦力的功能，則應利用此功能，如無此功能，則應對其計算結果人為地加以修正；③在泵出口嘴子附近的剛度上設置限位支架；④在設計彈簧時，應使嘴子附近的彈簧承擔進出口管道的全部荷重，這樣做可以減少機器嘴子的垂直方向的受力。

6.4 氣液兩相流的管道及緊急放空系統的管道

氣液兩相流的管道由于其介質溫度、壓力的變化，在管道設計時，應盡可能減少縮徑、轉彎、氣袋、液袋，并注意支架設置和選型，以減少管道振動程度。管道壓力波動產生的激振力以及管道振動均會使管道承受交變載荷，致使管道遭受疲勞破壞，在應力分析時，應使管系的應力保持在較低的水平，防止管道在設計壽命時間內發生疲勞破壞。

對緊急放空系統的管道，在應力分析時，應考慮該系統管道放空時的苛刻工況，使管道布置滿足應力要求，同時，由于該系統壓力變化非常快，其應力幅也較大，在應力分析時，也應使管系的應力保持在較低的水平。

7 結論

應力分析是壓力管道安全運行的重要保證，不同的管道其應力水平的要求也不同，一般管系的應力水平應符合應力分析判據；與轉動設備(如汽輪機、氣壓機、泵)進出口連接的管道，不僅要滿足管道本身的應力設計要求，還要滿足機泵進出口嘴子的允許受力要求；存在交變荷載的管道應使管系的應力保持在較低的水平。總之，對管道進行應力分析，一方面，保證管道的安全運行；另一方面，減小壓力，降低成本。