化工裝置中的管道應力分析及優化

孫 偉

(廣東寰球廣業工程有限公司，廣東 廣州 510655)

在許多項目的工藝管線中，經常存在著溫度較低或溫度較高的管線，這些管線或者因為熱脹冷縮而產生位移，或者在受到外力的作用后產生形變，導致金屬管道內部原子間的相對位置也隨之發生改變，這種力的改變量稱之為內力。內力是沿著管道的整個斷面連續分布的，單位面積上的內力強度，即稱之為應力。管道工程師在設計管道走向時，既需要滿足工藝的要求，也需要考慮管道應力可能造成的影響。

1 化工管道應力分析的目的

管道是石油化工裝置的重要組成環節之一，在不同的工況下，管道的運作也會受到各種因素的影響，從而影響管道的安全性。管道應力分析設計應保證管道在設計和工作條件下，具有足夠的強度和合適的剛度，防止管道因熱脹冷縮、支承或端點的附加位移及其它的荷載(如壓力、自重、風、地震、雪等)造成下列問題：(1)管道的應力過大或金屬疲勞引起管道或支架破壞。(2)管道連接處泄漏。(3)管道作用在與其相聯的設備上的載荷過大，或在設備上產生大的變形或應力，而影響了設備的正常運行。(4)管架因強度或剛度不夠而造成管架破壞。(5)管道的位移量過大而引起的管道自身或其它管道的非正常運行或破壞。(6)機械振動、聲頻振動、流體錘、壓力脈動、安全閥泄放等動荷載造成的管道振動及破壞。

不合理的管道走向，會使裝置在運行過程中存在風險和隱患，管線產生的應力過大，對設備造成破壞等各種問題。對管道應力的研究就是要通過相關的軟件，精確的計算和分析，合理的布置管道走向，通過π彎、管架、補償器等等，來吸收或限制管道應力，從而保障裝置的正常生產運作，增加管道的使用壽命。

2 化工管道的應力分析

隨著石油化工裝置規模的不斷擴大，工藝復雜程度越來越高，管線的溫度、壓力、壁厚等也隨之增大。原則上，所有的管線均應做應力分析，并根據管線的類別(溫度、壓力、口徑、壁厚、所連接的設備的荷載要求等)確定應力分析的方法和詳細程度。如果項目中沒有具體規定，則可以將應力分析管線分為Ⅰ類管線、Ⅱ類管線、Ⅲ類管線，見圖1。

圖1 應力分析管線分類

常用的管線應力分析方法有：目測法、簡單分析發、計算輔助應力分析法(CAESARⅡ)等。對于Ⅰ類管線采用目測檢驗或者簡化分析法即可，Ⅱ類管線可采用簡化計算方法進行分析計算，適用于高壓管線、鍋爐水管線、天然氣及液化氣管線、工藝管線等，Ⅲ類管線應該嚴格的進行計算機輔助計算分析。對與具有對載荷敏感的轉動機械相連的管線，與往復式、離心式壓縮機、透平相連接的溫度高于120℃管線，與空冷器相連接的溫度高于120℃管線等也需利用計算機輔助進行嚴格的計算分析。

(1)目測法：根據以往的經驗或與已分析過的管線的比較相類似，則采用目測的方法已經足夠，不需要進行更詳細的應力分析。此時，需目測者具有相當的工程經驗。

(2)簡單分析法：簡單分析將確保管線有足夠的柔性，以吸收位移(熱膨脹)。盡管簡單分析不能提供準確的載荷和應力，但這種分析簡單而快速，它要求管線具有同一直徑，兩端固定，無中間約束。

式中：D-管子外徑，mm；Y-管子吸收的總位移，mm；L-兩固定點間管子總長度，m；U-兩固定點間的直線距離，m。

(3)計算機輔助應力分析法：使用專門的管道應力分析軟件(CAESARⅡ)對管道進行詳細的應力計算和結果分析。計算并分析評定管道各分支點的應力、約束點和端點(設備管口)的力和力矩等。管道應力分析分為靜力分析和動力分析。對一般管道，通常只做靜力分析即可。但對一些特殊工況的管線則應做動力分析(如往復泵、往復式壓縮機的進出口管線)。靜力分析包括：1)管道在持續外載(壓力、自重、集中力等)作用下的一次應力計算及評定；2)管道在溫度荷載及端點附加位移載荷作用下的二次應力計算及評定；3)管道對設備管口的作用力計算；4)管道支吊架的受力計算；5)管道上的法蘭和分支點受力計算。動力分析包括：1)管道固有頻率分析；2)管道強迫振動響應分析；3)往復式壓縮機(泵)氣柱頻率分析；4)往復式壓縮機(泵)壓力脈動分析。

3 化工管道應力優化措施

在設計管道時，應充分考慮管道應力的影響因素，盡量規避二次應力的出現，采取有效措施調整管道布置，改善受力過大等情況，從而增加管線和設備的使用壽命。

3.1 合理設置管道支架

管道的設計也是管架的設計，正確的設置管道支架對減輕管道一次應力和管道二次應力有著重要的作用，兩個相鄰管架的距離應在管道最大跨距內，用固定架限制管道各向線位移及角位移，吸收因管道熱膨脹受阻或壓力脈動而產生的力及力矩，用導向架限制管道的徑向位移，用限位架限制管道的軸向位移等。合理的管架設計可以控制管道形變，降低管道震動。

3.2 增加管道的柔性設計

在化工裝置的設計過程中，隨著管道長度的不斷增加，所產生的管道位移也隨之增大，對于長距離管道，在兩個限位點之間利用π彎來改變管道走向，提高管道對于位移的吸收能力。還可以通過安裝膨脹節和彈簧架，提高管道的自然補償能力，以防管道在應力作用下形變。

3.3 采用管道冷緊法緩解管道應力

管道的冷緊是讓管道在冷狀態下的拉力去抵消熱狀態下的位移，從而降低熱脹應力下管道端點產生的推力和力矩，并不改變應力范圍，同時也可以防止法蘭連接處發生泄漏。但是與轉動設備相連接的管線，不允許使用冷緊的方法。

4 結語

化工壓力管道的應力分析對于工業管道的設計有著十分重要的作用，管道設計水平的高低也是衡量一個設計公司實力水平的重要因素。管道應力是管道設計中必須考慮的問題，只有通過精確的計算，對管道應力加以約束，才能使設計更加完善，確保裝置的正常運轉，增加管道使用壽命。

參考文獻

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