石油化工管道設計中基于應力分析的柔性設計探討

彭燕斌

（中核華緯工程設計研究有限公司，南京 210019）

1 引言

近年來，隨著社會的發展，對石油化工材料的需求不斷上漲，一定程度上帶動了石油化工管道工程的發展。 由于石油化工原料自身具備一定的不穩定性、危險性等方面的特點，對于管道運輸安全以及運輸效益有極高的要求， 一旦管道設計不合理，會帶來極大的隱患。 在此情況下，國內外研究人員對管道設計方面的研究和分析從未停滯，并取得了一定成效。 本文以實際工程項目為例，針對管道應力分析、柔性設計問題展開探討，以期為相關理論研究及實際工程項目提供參考。

2 石油化工管道應力分析

2.1 應力分析的作用

應力分析是針對管道強度和剛度控制要求而提出， 主要作用表現在以下方面。

1）確保管道應力滿足相關標準要求，以此保障管道運輸安全。

2）確保管道與其他設備相連的過程中，其作用力滿足系統運行要求，保障設備運行安全。

3）通過管道應力分析，合理進行上部結構支吊架等的設計，保障支吊架及土建設計安全有效。

4）在管道運輸過程中，可能會出現移位情況，造成支架脫落或管道碰撞，引發其他問題，通過應力分析能為后續彈簧等結構的選型和設計提供可靠支持[1]。

2.2 管道應力分析

在進行管道應力分析前， 應根據實際情況及相關標準規定明確分析重點，了解管道應力分析軸測圖等，并應用相應分析軟件進行建模分析，得到相應分析結果，以此展開管道模型調整和優化設計，以確保管道應力分析的合理性及可靠性。 通常情況下，在展開應力分析時，應著重加強與荷載敏感或應力敏感設備相連的管道分析， 以此確保設備得以正常、 安全運行。 其中，與荷載敏感轉動設備相連的管線包括連接泵進出口管線、壓縮機管線等，與應力敏感設備相連的管道包括加熱器管道、鋁制裝置管道等。

2.2.1 一次應力

一次應力分析指管道荷載分析， 主要包括內外應力和剪切力兩個方面。 其中，內外應力主要由風荷載、人為荷載、管道自重、內部壓力、荷載裝置等組成，在石油化工管道運輸過程中，若管道所承受的外力荷載超過管道本身的屈服強度，會導致管道出現變形情況，隨著荷載作用的加大，甚至會導致管道斷裂，影響原料運輸安全及效益。 由一次應力引起的破壞現象包括管道裂縫、變形等。 因此，在管道設計過程中，應重視一次應力分析， 確保外部荷載作用始終在管道屈服強度承受范圍內，并預留充裕度。 對此需要精準計算管道荷載應力，并根據管道屈服極限合理進行管道運輸安全評價。

2.2.2 二次應力

二次應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為由熱脹冷縮和位移產生的應力。在實際進行二次應力分析的過程中，需明確，管道受到的約束影響并非直接由外力產生， 而是由于難以實現內外力平衡而產生的約束影響， 此時需要管道通過自身性能實現內外應力的有效平衡，以此確保管道安全運行。 若管道受到的約束影響超過自身變形強度，會引發安全事故，因此，加強二次應力分析十分必要。 通常情況下，出現二次應力并非直接破壞管道結構，而是在反復作用下導致管道疲勞破壞，進而對管道運行安全產生威脅。 進行二次應力分析時，要求由熱位移荷載引起的管道應力變化范圍不得超過許用范圍，許用范圍計算公式為：

式中，σE為應力許用范圍，MPa；[σ]為管材在冷態時的許用應力，MPa；[σt]為管材在熱態時的許用應力，MPa；σL為由于重力、壓力等持續荷載引起的管道縱向應力之和，MPa；f 為管道應力許用范圍減小系數。

2.2.3 峰值應力

峰值應力主要指管道當中某個部位最大應力的分析和計算，雖然不會造成管道變形、斷裂，但峰值應力是產生管道穿孔的主要因素，因此，對石油化工管道運輸安全影響巨大。 峰值應力會受到一次應力和二次應力的疊加影響，此外，管道環境也會對峰值應力產生一定影響，常見影響因素包括溫度、濕度等[2]。 結合石油化工管道的特點及應力類型，其影響因素及危險性情況見表1。

表1 應力影響因素和危險性程度

3 石油化工管道設計中基于應力分析的柔性設計

石油化工管道柔性設計的主要目的在于保障管道運行的安全性，在實際管道運輸過程中，由于管道自身、附屬設備及周圍環境的影響， 易造成管道形變或沉降位移， 導致管道斷裂、穿孔等，影響運輸安全。 而通過柔性設計，能有效降低局部應力影響，確保管道及附屬設備、部件等得以安全運行，因此，加強石油化工管道柔性設計是保障管道運輸安全、穩定、可靠的重要措施和手段。

3.1 增加自然補償

實際上，石油化工管道在安裝施工過程中，自身具備一定的補償作用，能夠在一定范圍內避免管道變形，但若管道內外應力或者荷載作用超過自身承載能力或者補償作用， 需要通過外部增加自然補償的方式，展開管道柔性設計。 當前，在管道柔性設計當中，常用的自然補償措施是安裝“π”補償器（見圖1）。

圖1 “π”補償器布置

但在實際管道運行時， 管道應力會受到運輸介質自身的溫度以及運輸量影響，此時補償器的功能也會受到制約，難以滿足實際管道柔性設計需求。 對此，在實際進行自然補償的過程中，可選用螺紋管補償器。 螺紋管補償器的安裝主要包括以下4 個步驟。

1）結合運輸介質種類、溫度等實際情況，合理確定自然補償類型，以保障補償器安裝的有效性及可靠性。

2）合理計算管道膨脹量，對此可按照式（2）進行計算：

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

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

4）完成補償安裝后，需再次對管道應力進行分析，以保障補償裝置安裝后，管道受力情況符合安全運行需求。

3.2 運用彈簧支吊架

彈簧支吊架的運用能有效幫助管道平衡自身重力和外部應力，以降低管道彎曲情況出現的概率。 為保障管道運輸的穩定性，應結合一次應力和二次應力分析結果，合理控制彈簧支吊架的運用數量。 在運用彈簧支吊架的過程中，應對管道荷載和能承受的彎曲應力進行計算，其中，管道能承受的彎曲應力計算公式如下：

式中，σA為管道能夠承受的彎曲應力，MPa；m 為應力系數，受管道材質影響；σ1為加熱期管道能夠承受的應力，MPa；σ2為冷卻時管道能承受的應力，MPa。

3.3 優化管道幾何布置

優化管道幾何布置的柔性設計方式主要通過增加彎頭的方式實現，在進行管道設計過程中，可在二維平面或者三維空間內根據實際空間情況增設管道彎頭，以此改變管道走向，提高管道的柔性，進一步保障管道運行安全[3]。

4 石油化工管道柔性設計方案

以某石油化工項目為例，該項目主要運輸原料為燒堿，其中，堿液濃度為0%～31%，針對其儲罐和離心泵進出口管道設計展開探討。 案例中管道材質、規格等相關系數情況見表2。

表2 管道參數

結合案例實際情況， 經計算分析，2 臺泵入口位置受力情況不符合相關標準規范要求，因此，需進行柔性設計，提高管道運輸安全性和穩定性。 但在實際分析過程中，發現離心泵氣蝕余量導致泵入口位置的管道較短， 且不存在轉彎情況，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，導致無法使用彈簧支架，在實際管道柔性設計過程中，采用增加膨脹節的方式。

對于泵出口位置的柔性設計， 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。 經過對優化后管道受力情況的分析可知，管道受力情況符合標準要求。

5 結語

綜上所述， 石油化工管道設計中基于應力分析的柔性設計需要結合管道一次應力、二次應力以及峰值應力分析結果，明確管道運行過程中存在的風險隱患，以及應力承受能力，并結合實際環境情況、 運輸介質特點等， 合理采取柔性設計措施，如增加自然補償、運用彈簧支吊架以及優化管道幾何布置等， 以此保障管道運輸安全。 由于自然補償技術成本相對較高，彈簧支吊架可能會影響管道的穩定性，因此，在條件允許范圍內，建議優先選用優化管道幾何布置，改變管道走向這種柔性設計方法。 相信隨著對管道柔性設計的研究和探索，石油化工管道運輸安全和經濟效益均將得到進一步提升。