石油化工管道設(shè)計(jì)中基于應(yīng)力分析的柔性設(shè)計(jì)探討

彭燕斌

（中核華緯工程設(shè)計(jì)研究有限公司，南京 210019）

1 引言

近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展，對石油化工材料的需求不斷上漲，一定程度上帶動(dòng)了石油化工管道工程的發(fā)展。 由于石油化工原料自身具備一定的不穩(wěn)定性、危險(xiǎn)性等方面的特點(diǎn)，對于管道運(yùn)輸安全以及運(yùn)輸效益有極高的要求， 一旦管道設(shè)計(jì)不合理，會(huì)帶來極大的隱患。 在此情況下，國內(nèi)外研究人員對管道設(shè)計(jì)方面的研究和分析從未停滯，并取得了一定成效。 本文以實(shí)際工程項(xiàng)目為例，針對管道應(yīng)力分析、柔性設(shè)計(jì)問題展開探討，以期為相關(guān)理論研究及實(shí)際工程項(xiàng)目提供參考。

2 石油化工管道應(yīng)力分析

2.1 應(yīng)力分析的作用

應(yīng)力分析是針對管道強(qiáng)度和剛度控制要求而提出， 主要作用表現(xiàn)在以下方面。

1）確保管道應(yīng)力滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，以此保障管道運(yùn)輸安全。

2）確保管道與其他設(shè)備相連的過程中，其作用力滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，保障設(shè)備運(yùn)行安全。

3）通過管道應(yīng)力分析，合理進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)支吊架等的設(shè)計(jì)，保障支吊架及土建設(shè)計(jì)安全有效。

4）在管道運(yùn)輸過程中，可能會(huì)出現(xiàn)移位情況，造成支架脫落或管道碰撞，引發(fā)其他問題，通過應(yīng)力分析能為后續(xù)彈簧等結(jié)構(gòu)的選型和設(shè)計(jì)提供可靠支持[1]。

2.2 管道應(yīng)力分析

在進(jìn)行管道應(yīng)力分析前， 應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定明確分析重點(diǎn)，了解管道應(yīng)力分析軸測圖等，并應(yīng)用相應(yīng)分析軟件進(jìn)行建模分析，得到相應(yīng)分析結(jié)果，以此展開管道模型調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保管道應(yīng)力分析的合理性及可靠性。 通常情況下，在展開應(yīng)力分析時(shí)，應(yīng)著重加強(qiáng)與荷載敏感或應(yīng)力敏感設(shè)備相連的管道分析， 以此確保設(shè)備得以正常、 安全運(yùn)行。 其中，與荷載敏感轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備相連的管線包括連接泵進(jìn)出口管線、壓縮機(jī)管線等，與應(yīng)力敏感設(shè)備相連的管道包括加熱器管道、鋁制裝置管道等。

2.2.1 一次應(yīng)力

一次應(yīng)力分析指管道荷載分析， 主要包括內(nèi)外應(yīng)力和剪切力兩個(gè)方面。 其中，內(nèi)外應(yīng)力主要由風(fēng)荷載、人為荷載、管道自重、內(nèi)部壓力、荷載裝置等組成，在石油化工管道運(yùn)輸過程中，若管道所承受的外力荷載超過管道本身的屈服強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致管道出現(xiàn)變形情況，隨著荷載作用的加大，甚至?xí)?dǎo)致管道斷裂，影響原料運(yùn)輸安全及效益。 由一次應(yīng)力引起的破壞現(xiàn)象包括管道裂縫、變形等。 因此，在管道設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)重視一次應(yīng)力分析， 確保外部荷載作用始終在管道屈服強(qiáng)度承受范圍內(nèi)，并預(yù)留充裕度。 對此需要精準(zhǔn)計(jì)算管道荷載應(yīng)力，并根據(jù)管道屈服極限合理進(jìn)行管道運(yùn)輸安全評價(jià)。

2.2.2 二次應(yīng)力

二次應(yīng)力分析主要針對管道受到的約束作用。 通常情況下，管道約束作用主要表現(xiàn)為由熱脹冷縮和位移產(chǎn)生的應(yīng)力。在實(shí)際進(jìn)行二次應(yīng)力分析的過程中，需明確，管道受到的約束影響并非直接由外力產(chǎn)生， 而是由于難以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外力平衡而產(chǎn)生的約束影響， 此時(shí)需要管道通過自身性能實(shí)現(xiàn)內(nèi)外應(yīng)力的有效平衡，以此確保管道安全運(yùn)行。 若管道受到的約束影響超過自身變形強(qiáng)度，會(huì)引發(fā)安全事故，因此，加強(qiáng)二次應(yīng)力分析十分必要。 通常情況下，出現(xiàn)二次應(yīng)力并非直接破壞管道結(jié)構(gòu)，而是在反復(fù)作用下導(dǎo)致管道疲勞破壞，進(jìn)而對管道運(yùn)行安全產(chǎn)生威脅。 進(jìn)行二次應(yīng)力分析時(shí)，要求由熱位移荷載引起的管道應(yīng)力變化范圍不得超過許用范圍，許用范圍計(jì)算公式為：

式中，σE為應(yīng)力許用范圍，MPa；[σ]為管材在冷態(tài)時(shí)的許用應(yīng)力，MPa；[σt]為管材在熱態(tài)時(shí)的許用應(yīng)力，MPa；σL為由于重力、壓力等持續(xù)荷載引起的管道縱向應(yīng)力之和，MPa；f 為管道應(yīng)力許用范圍減小系數(shù)。

2.2.3 峰值應(yīng)力

峰值應(yīng)力主要指管道當(dāng)中某個(gè)部位最大應(yīng)力的分析和計(jì)算，雖然不會(huì)造成管道變形、斷裂，但峰值應(yīng)力是產(chǎn)生管道穿孔的主要因素，因此，對石油化工管道運(yùn)輸安全影響巨大。 峰值應(yīng)力會(huì)受到一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的疊加影響，此外，管道環(huán)境也會(huì)對峰值應(yīng)力產(chǎn)生一定影響，常見影響因素包括溫度、濕度等[2]。 結(jié)合石油化工管道的特點(diǎn)及應(yīng)力類型，其影響因素及危險(xiǎn)性情況見表1。

表1 應(yīng)力影響因素和危險(xiǎn)性程度

3 石油化工管道設(shè)計(jì)中基于應(yīng)力分析的柔性設(shè)計(jì)

石油化工管道柔性設(shè)計(jì)的主要目的在于保障管道運(yùn)行的安全性，在實(shí)際管道運(yùn)輸過程中，由于管道自身、附屬設(shè)備及周圍環(huán)境的影響， 易造成管道形變或沉降位移， 導(dǎo)致管道斷裂、穿孔等，影響運(yùn)輸安全。 而通過柔性設(shè)計(jì)，能有效降低局部應(yīng)力影響，確保管道及附屬設(shè)備、部件等得以安全運(yùn)行，因此，加強(qiáng)石油化工管道柔性設(shè)計(jì)是保障管道運(yùn)輸安全、穩(wěn)定、可靠的重要措施和手段。

3.1 增加自然補(bǔ)償

實(shí)際上，石油化工管道在安裝施工過程中，自身具備一定的補(bǔ)償作用，能夠在一定范圍內(nèi)避免管道變形，但若管道內(nèi)外應(yīng)力或者荷載作用超過自身承載能力或者補(bǔ)償作用， 需要通過外部增加自然補(bǔ)償?shù)姆绞?，展開管道柔性設(shè)計(jì)。 當(dāng)前，在管道柔性設(shè)計(jì)當(dāng)中，常用的自然補(bǔ)償措施是安裝“π”補(bǔ)償器（見圖1）。

圖1 “π”補(bǔ)償器布置

但在實(shí)際管道運(yùn)行時(shí)， 管道應(yīng)力會(huì)受到運(yùn)輸介質(zhì)自身的溫度以及運(yùn)輸量影響，此時(shí)補(bǔ)償器的功能也會(huì)受到制約，難以滿足實(shí)際管道柔性設(shè)計(jì)需求。 對此，在實(shí)際進(jìn)行自然補(bǔ)償?shù)倪^程中，可選用螺紋管補(bǔ)償器。 螺紋管補(bǔ)償器的安裝主要包括以下4 個(gè)步驟。

1）結(jié)合運(yùn)輸介質(zhì)種類、溫度等實(shí)際情況，合理確定自然補(bǔ)償類型，以保障補(bǔ)償器安裝的有效性及可靠性。

2）合理計(jì)算管道膨脹量，對此可按照式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式 中，W 為 膨 脹 量，mm；p 為 膨 脹 系 數(shù)，℃-1；L 為 管 道 長 度，mm；△t 為溫度變化量，℃。

3）明確自然補(bǔ)償位置，通常選擇管道兩端固定位置的中心點(diǎn)作為補(bǔ)償裝置的安裝點(diǎn)。

4）完成補(bǔ)償安裝后，需再次對管道應(yīng)力進(jìn)行分析，以保障補(bǔ)償裝置安裝后，管道受力情況符合安全運(yùn)行需求。

3.2 運(yùn)用彈簧支吊架

彈簧支吊架的運(yùn)用能有效幫助管道平衡自身重力和外部應(yīng)力，以降低管道彎曲情況出現(xiàn)的概率。 為保障管道運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性，應(yīng)結(jié)合一次應(yīng)力和二次應(yīng)力分析結(jié)果，合理控制彈簧支吊架的運(yùn)用數(shù)量。 在運(yùn)用彈簧支吊架的過程中，應(yīng)對管道荷載和能承受的彎曲應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，其中，管道能承受的彎曲應(yīng)力計(jì)算公式如下：

式中，σA為管道能夠承受的彎曲應(yīng)力，MPa；m 為應(yīng)力系數(shù)，受管道材質(zhì)影響；σ1為加熱期管道能夠承受的應(yīng)力，MPa；σ2為冷卻時(shí)管道能承受的應(yīng)力，MPa。

3.3 優(yōu)化管道幾何布置

優(yōu)化管道幾何布置的柔性設(shè)計(jì)方式主要通過增加彎頭的方式實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)過程中，可在二維平面或者三維空間內(nèi)根據(jù)實(shí)際空間情況增設(shè)管道彎頭，以此改變管道走向，提高管道的柔性，進(jìn)一步保障管道運(yùn)行安全[3]。

4 石油化工管道柔性設(shè)計(jì)方案

以某石油化工項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目主要運(yùn)輸原料為燒堿，其中，堿液濃度為0%～31%，針對其儲(chǔ)罐和離心泵進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)展開探討。 案例中管道材質(zhì)、規(guī)格等相關(guān)系數(shù)情況見表2。

表2 管道參數(shù)

結(jié)合案例實(shí)際情況， 經(jīng)計(jì)算分析，2 臺(tái)泵入口位置受力情況不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，因此，需進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，提高管道運(yùn)輸安全性和穩(wěn)定性。 但在實(shí)際分析過程中，發(fā)現(xiàn)離心泵氣蝕余量導(dǎo)致泵入口位置的管道較短， 且不存在轉(zhuǎn)彎情況，因此，無法采用改變管道走向。 此外，由于泵入口位置對管道同軸度要求較高，導(dǎo)致無法使用彈簧支架，在實(shí)際管道柔性設(shè)計(jì)過程中，采用增加膨脹節(jié)的方式。

對于泵出口位置的柔性設(shè)計(jì)， 由于出口管道沒有特殊要求，因此，選用成本較低、效果較好的改變管道幾何布置方案。優(yōu)化后的管道，將出口管道的2 根操作閥放置在水平管段上，并且改變了管道走向。 經(jīng)過對優(yōu)化后管道受力情況的分析可知，管道受力情況符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

綜上所述， 石油化工管道設(shè)計(jì)中基于應(yīng)力分析的柔性設(shè)計(jì)需要結(jié)合管道一次應(yīng)力、二次應(yīng)力以及峰值應(yīng)力分析結(jié)果，明確管道運(yùn)行過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患，以及應(yīng)力承受能力，并結(jié)合實(shí)際環(huán)境情況、 運(yùn)輸介質(zhì)特點(diǎn)等， 合理采取柔性設(shè)計(jì)措施，如增加自然補(bǔ)償、運(yùn)用彈簧支吊架以及優(yōu)化管道幾何布置等， 以此保障管道運(yùn)輸安全。 由于自然補(bǔ)償技術(shù)成本相對較高，彈簧支吊架可能會(huì)影響管道的穩(wěn)定性，因此，在條件允許范圍內(nèi)，建議優(yōu)先選用優(yōu)化管道幾何布置，改變管道走向這種柔性設(shè)計(jì)方法。 相信隨著對管道柔性設(shè)計(jì)的研究和探索，石油化工管道運(yùn)輸安全和經(jīng)濟(jì)效益均將得到進(jìn)一步提升。