石油化工設計中管道的應力分析

李爭

摘要：應力分析是管道設計的的基礎，在很大程度上影響化工裝置的正常運行。就管道應力的主要內容、校核條件、管道的應力分析范圍界定及管道應力分析的方法加以分析，使設計人員在了解應力分析相關知識的基礎上，從設計上保證化工管道的安全可靠。

關鍵詞：管道設計；應力分析；柔性設計

在整個石油化工行業中，管道設備十分常見，管道設備屬于石化工業發展的基礎，因此，管道設計的安全性及高效性對于企業的發展十分重要。近些年來，化工管道事故頻繁出現，使得化工管道的安全備受關注，管道的設計問題也日益突出。

一般來說，化工管道的設計工作十分復雜，包含應力分析、材料選擇以及管道設備布置等環節，目前，為了進一步保障管道安全，在應力分析的基礎上，加入了柔性設計環節。

1應力分析的主要內容

靜力分析主要是指在靜力荷載的作用下對管道進行應力分析，靜力分析的目的主要是通過合理的計算分析防止管道塑形變形破壞、疲勞破壞、管道對與之相連的機器作用力過大，確定合理的支吊架對土建結構的作用力，防止管道位移過大造成脫架和碰撞等。

動力分析主要是指設備管道的震動分析、管道的地震分析、水錘和沖擊荷載作用下的管道振動分析，動力分析的目的是為了防止管道系統的機械共振及震動引起的疲勞破壞，防止管道震動過大，防止震動對支架和土建結構造成破壞，防止管道受地震的破壞。

2化工管道應力分析價值簡介

（1）確保管道始終處于安全狀況。管道對于化工企業而言十分重要，因此，保障管道的安全是企業順利生產的前提，在管道安全判斷方面，我國已發布相應的要求，要求指出，管道的密封程度、抗腐蝕能力以及抗壓強度是判斷管道安全的關鍵，在這三方面中，抗壓強度需要通過應力分析的方式進行判斷。

（2）確保管道附屬設備始終處于安全狀況。眾所周知，管道周圍部署有大量的附屬設備，例如三通、法蘭等，由于化工管道內的介質充滿了危險性，如果附屬設備出現問題，也極易容易產生安全問題，例如，當管道內介質的溫度過高時，受熱脹冷縮的作用，其附屬設備會出現損壞狀況，從而造成化工氣體泄漏，通過應力分析的方式可以為附屬設備的布置及安全提供保障。

3管道柔性設計

3.1管道柔性設計目的及要求

對于化工管道而言，管道的首末端以及三通位置處連接有大量的機械設備或水泥建筑，當管道受到內部介質的熱脹冷縮作用時，管道會對周圍的機械設備或水泥建筑產生一定的作用力，同時，機械設備或水泥建筑也會對管道產生一定的反向作用力，從而使得管道承受的外界應力增大，如果管道自身具有很強的剛度，則在反向作用力的推動下，會使得管道周圍的機械設備或水泥建筑遭受破壞，因此，在對管道進行設計時，必須要求管道自身具有一定的柔性。

在對管道進行柔性設計時必須滿足四項要求：管道所承受的應力維持于安全狀態，其二次應力必須滿足相應的規范要求；管道周圍附屬設備或土方建筑所承受的力矩和力必須維持在安全要求內，從而防止應管道運行對設備或土方建筑產生破壞；在外力的作用下，管道上的法蘭不會因自身受力原因引起化工原料泄漏；在管道內外力的作用下，不會對維持管道平衡的支架產生破壞，從而使得管道始終處于平衡狀態。

3.2化工管道柔性設計方案

在對其進行設計的過程中，必須從四方面出發進行深層次考慮。

（1）管道溫度，管道溫度不得超過100℃，同時，也不得小于-50℃，否則，管道自身極易產生變形，從而危險自身及附屬設備安全；

（2）管道直徑，在對其進行柔性設計時，必須根據管道的實際直徑，對管道的布置情況進行安排；

（3）外力，如果管道長時間承受較大的外力作用或者可能會產生位移，則必須進行柔性設計；

（4）附屬設備，如果管道所連接的附屬設備較多，例如泵、壓縮機等，則在設備連接處需要對其進行專門設計。

一般來說，目前的柔性設計一般是從三方面出發對其進行具體設計，分別是增加自然補償、選擇支吊架固定以及改變管道走向。

（1）增加自然補償。管道自身具有一定的補償作用，補償作用能有效防止管道產生變形，當管道所受內外力較大時，則需要增設自然補償。目前，最常見、最高效的自然補償為“π”補償器，但是如果化工管道內輸送介質的溫度相對較高，且輸量較大，該種補償器的使用會受到一定的限制，此時可使用螺紋管補償器。自然補償的具體安裝步驟為：選擇補償類型，補償類型的選擇需要根據管道內介質的溫度及管道管徑決定；對管道的膨脹量進行計算，管道膨脹量的計算公式為：膨脹量=膨脹系數×管長；確定補償位置，補償位置應盡可能靠近兩個管道固定點的中心位置；對管道應力進行校核，確保增加固定點后管道可以始終處于安全狀態。

（2）選擇支吊架固定。支吊架的主要作用是對管道的自身重量和外界應力進行平衡，從而防止管道出現過度彎曲問題，在增加支吊架時，首先應對管道自身能承受的彎曲應力進行計算，其計算公式：

σA=f（1.25σc+0.25σk）

式中：σA———管道自身所能承受的彎曲應力，MPa；f———應力系數，該系數與管道材料有關，一般情況下，隨著管道鋼級的增加，其應力系數也會隨著增加；σc———管道受熱時所能承受的應力，MPa；σk———管道在冷態作用下管道所能承受的應力。

在支吊架數量確定方面，如果從一次應力分析結果出發，則其數量就需要增加，從而使得管道自身承受的應力降低；如果從二次應力分析結果出發，則其數量就需要減少，從而防止支吊架自身對管道產生約束作用。綜合來說，支吊架的數量必須根據所有類型應力的分析結果進行確定。

（3）改變管道走向。通過改變管道自身走向是進行柔性設計最為間接的方法，這主要是因為在管道兩端受到約束的作用下，改變管道的走向，可能會使得管道的長度增加，同時管道彎頭的數量也會得到不同程度的降低，從而使得管道的柔性增加。

4結語

綜上所述，管道的應力分析是管道設計不可或缺的重要組成，在很大程度上保證了化工裝置的安全可靠運行。通過應力分析研究管道在各種荷載作用下產生的力、力矩、應力、位移等，有助于設計人員對管道安全性做出準確的判斷，進一步優化管道的設計，使管道更安全、合理。

參考文獻：

[1]宋岢岢.工業管道應力分析與工程應用[M].北京：中國石化出版社，2011.

[2]唐永進.壓力管道應力分析（第二版）[M].北京：中國石化出版社，2009.

（作者單位：海洋石油工程股份有限公司設計院）