石油化工管道的柔性設計

胡艷求 武漢金中石化工程有限公司 武漢 430223

1 管道的柔性設計

管道柔性反映了管道變形的難易程度，表示管道通過自身變形吸收由于溫度變化引起熱脹、冷縮和其它位移產生變形的能力。壓力管道柔性設計的目的，就是使管道系統在各種工況下具有足夠的柔性，防止由于管道的溫度、自重、內壓和外載變化或因管道支架受限和管道端點的附加位移而發生下列情況[1-2]：①管道應力超標或金屬疲勞導致管道破壞；②管道接頭連接(含彎頭、三通)處泄漏；③管道的熱脹冷縮引起推力或力矩過大，造成設備管口受力超過設備設計標準，影響設備正常運行；④管道熱脹冷縮引起的推力或力矩過大引起管道支架或生根結構件破壞。

1.1 管系柔性改善的方法

1.1.1 優化管架位置及型式

不同的支架型式對管系的熱脹約束作用是不同的。剛性支架的剛度無窮大，限制了約束方向的位移；彈性支架的剛度較小，它對管道有一定的約束作用，同時又允許管道有一定的位移[3]。優化管道支吊架的型式和位置來改善管道柔性時只能在一定范圍內改善管道柔性。

1.1.2 優化管道的空間走向

在管道布置時，設備布置一般不再調整，因此管系兩端的位置也就固定不變了。當管道在某一方向過于剛硬時，增加與其垂直方向的管道長度可減小管道剛度[2]?？梢栽谄矫婧涂臻g布置允許的情況下，將管道走向優化，將管道整體走向改為“L”形管段、“U”形管段或空間“Z”形。若管道彎頭若設置得當，即使在不增加管道展開總長的情況下也可提高管道柔性[4]。

1.1.3 選用管道補償器

管道補償器又稱為伸縮器或伸縮節、膨脹節,主要用于補償管道受溫度變化而產生的熱脹冷縮。如果溫度變化時管道不能完全自由地膨脹或收縮,管道將產生熱應力。管道補償器適用于高溫、低壓、大直徑管道，但管道補償器與工藝管道本體相比，遠比工藝管道本體薄弱。因此，出于安全方面的考慮，對于高壓和高危介質管道不易選用補償器。

2 設計實例分析

2.1 管道的主要設計參數

某反應器出口到換熱器進口管道初版平面配管圖見圖1。

管道材質為20#，管徑為Ф508mm×22mm，管道的操作溫度為260℃，設計溫度為280℃，操作壓力為3.85MPa，設計壓力4.15MPa，相關設備管口初始附加位移見表1。

表1 設備管口初始位移

2.2 管道的柔性設計

按照表1及圖1，經過應力分析軟件CAESARII進行詳細建模計算，管道冷態及管道運行升溫后的形變比較圖見圖2(圖中淺色表示管道冷態時的原始狀況，深色部分為管道升溫運行時的變形情況)。

圖2 管道冷態及管道運行升溫后的形變比較圖

從表1給出的條件，反應器出口向下的初始位移比較大，換熱器入口向上的初始位移比較大，如果管口附近采用剛性支架不太合適(支架脫空或者頂住管道設備的受熱的膨脹)，從而導致設備管口受力過大或者支架或者生根部位發生破壞。在這兩處應考慮利用彈簧支吊架來支撐管道，使支吊架在承受一定載荷的情況下又能允許管系有一定的垂直位移[3]，從而將約束放松，降低設備管口的受力。在反應器出口第一個彎頭處和靠近換熱器入口處的水平管道上設置彈簧架。經過應力分析軟件計算后，管道的一次應力、二次應力均能符合標準規范的要求；計算后各處的受力見表2，設備管口許用受力見表3。

表2 設備管口及支架受力

表3 HG/T20645.5中管口許用受力計算值[5](設計溫度270℃，DN500的管口)

2.3 計算結果分析與優化調整

從表2的計算結果與表3中的管口許用受力相比，反應器出口及換熱器進口均有相應的受力和力矩超過了HG/T20645.5中規定的靜設備管口許用載荷。

從圖1中看出管道在X方向的長度較長為7000+1800=8800mm，管道Z方向的長度3500mm，X方向的長度遠大于Z方向的長度，而管道運行溫度在260℃，因此管道在運行時X方向的熱膨脹位移較大，加上反應器出口的附加位移在X方向為負值，與管道在X方向的膨脹向疊加(見圖2中深色管道的變形)，造成反應器出口和換熱器入口X方向的推力均超標，X方向的推力引起的Z方向的力矩超標。見圖3，通過增加與X方向垂直(即Y和Z方向)段的管道長度來改變管道應力，提高管道系統的柔性，同時增加彎頭數量和管系的展開長度也能達到改善管系柔性的目的。

圖3 修改方案圖

2.4 結果比較與分析

調整后的模型計算結果(設計溫度下的數值)見表4，與表2中的設備管口受力相比,X方向和Z方向的推力都有下降。但是兩種方案在改善管口受力，也就是改善管系柔性的效果上差別很大。圖3所示的a方案效果明顯，a方案在降低了X方向和Z方向的推力，同時也降低了Z方向的力矩，與表3中的管口許用受力相比較可以看出各方向的推力和力矩均在許用范圍以內，達到了管道柔性設計的目的。圖3所示的b方案也降低了X方向和Z方向的推力，但效果不如a方案好，而b方案在降低Z方向的力矩方面基本上沒有效果。

表4 調整后的設備管口受力

對比a、b兩種方案的空間走向可以發現,兩種方案的管道展開總長度基本上一樣，管道支撐位置和型式也一樣，區別在于兩種方案的管道空間走向不一樣。由此可見，同樣是增加了彎頭數量和管道長度，但是對管道柔性的改善效果卻區別很大。優化管道空間走向時，要增加遠離管道固定點連線的管道長度，而且在增加管道展開長度時，盡量不要增加管道固定點連線長軸方向的長度，而是增加短軸方向的長度，使管道的空間形狀更加接近正方體的形狀，有彎曲的管子的柔性近似正比于直管段長度的立方。

3 結語

管道的合理布置，對于裝置的安全運行至關重要。在管道設計中，可采用相應方法改善管道柔性，有效降低熱載荷，確保管道和設備的安全。在實際設計過程中，要綜合考慮各種方法的可行性、安全性和經濟性等各方面的因素，選擇合適的方法來改善管道柔性。