石油化工管道应力设计探究

石油化工管道应力设计探究

程德飞刘守国

中石油华东设计院有限公司山东青岛266071

摘要：管道是石油化工装置不可缺少的组成部分，它不仅用于连接各种设备和相关的系统设施，同时也是保证各类流体安全输送的重要保障。石油输送的安全性与管道应力设计有很大关系，在管道设计中，重视管道应力设计，对石油管道的运输安全有重要意义，是维护石油化工管道的重点。

关键词：石油化工；石油管道；应力设计

引言

在化工业的快速发展下，人们对于石油化工企业当中管道结构设计也更为重视，在石油化工类企业当中管道结构设计向前发展中，管道结构应力分析质量也在不断提升。而在石油化工产业向前发展中，也需要通过高质量的管道结构设计保证石油化工类企业的稳定发展。

1化工设计中管道应力的特点

管道应力分析，是化工管道设计过程中尤为关键的一环，而就其中的化工管道设计而言，其又是整个化工工厂设计中一个十分重要的组成部分。由于是受热胀冷缩、内压持续外载及其它位移等的载荷作用，会导致材料屈服极限小于管道最大应力，进而使工作状态下的材料发生塑性变形，而管系应力状态也会随高温管道的蠕变及应力松弛发生变化。应力分类校核遵循的是等安全裕度原则，也就是说，对于危险性小的应力，许用值可以放宽；危险性大的应力，许用值要严格控制。应力分类是根据应力性质不同人为进行的，它并不一定是能够实际测量的应力。

1.1一次应力

一次应力是由压力、重力、和其它外力荷载所产生的应力。它必须满足外部、内部力和力矩的平衡。一次应力的基本特征是非自限性的，它始终随所加荷载的增加而增加，超过屈服极限或持久强度将使管道发生塑性破坏或者总体变形。管道承受内压和持续外载而产生的应力属于一次应力。管道承受风荷载、地震荷载、水击和安全阀泻放荷载产生的应力也属于一次应力，但这些荷载属于偶然荷载。

1.2二次应力

二次应力是由管道变形受约束而产生的应力，它由管道热胀、冷缩、端点位移荷载的作用而引起。它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必需的应力。二次管道应力分析和计算应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。二次应力引起的是疲劳破坏。二次应力也有二次薄膜应力和二次弯曲应力两部分。一次应力的计算主要是为了防止安装的时候，管道会塌下来。而二次应力的计算是防止管道发生热变形后，管道是不是会出问题，管嘴部分是不是会对设备产生超过允用载荷的问题，还有通过计算来看发生管道的位移，和偏移，防止并排管道相互影响。

1.3峰值应力

峰值应力是管道或附件由于局部结构不连续或局部热应力效应（包括局部应力集中）附加到一次应力或二次应力的增量。它的特点是不引起显著的变形，而且在短距离内从它的根源衰减，它是一种导致疲劳裂纹或脆性破坏的可能原因。管道附件上小半径圆角处、焊缝未焊透处的应力，均属于峰值应力。

2管道应力分析简述及其引发问题

2.1管道应力分析简述

管道应力指管路在实际工作中，由于受到内部介质压力、温度以及自重的影响，或是管路受到外界自然条件与管道端点强制性位移等所形成的应力。载荷理性不同，管道所承受的应力也有所不同，而管道本身的损害程度也将发生变化。通常情况下，可将管道承受的应力分为如下3种类型：

（1）因为压力、重力或是其他类型外力载荷的同时作用导致管道承受应力。管道是外部载荷的主要承担物质，基于外力的不断增加，载荷量也将随之增加。若管道内部的塑性范围扩展至最大值，纵使外力载荷量停止增加，管道依旧形成无法限定的塑性流动，进而造成管道本身被破坏。

（2）二次应力主要指管道因受到温度、端点强制移动等位移载荷对本身作用而形成的应力。该应力形成的目的是满足管路变形协调，弹塑性总变形量可对管路当中的不连续性进行协调，塑性流动便会中断，变形也不再持续扩大。

（3）峰值应力：因为荷载与结构形状出现局部区域突变，该现象常出现于管道内焊缝咬边区域或是气孔位置，进而导致局部应力集中，从而形成较高的应力值。

2.2管道应力引发的问题

管道应力较为容易引发的问题以安全问题为主，管道在实际应用过程中，对管道设计的安全性能要求有如下三方面，分别为耐压强度、耐腐蚀性以及密封程度。针对管道耐压强度以及耐腐蚀性，设计人员选用达到标准要求的设计材料，便能有效避免管道内石油由于环境问题的影响而导致管道发生问题。若管道布设存在不合理问题，或是管道柔性较低难以承载一定应力，便有可能导致石油化工企业在实际运行过程中存在安全隐患。如外界稳固在变化过程中，热销量较大进而令管道的关口出现破损，管架损坏的问题。若本身便为动力设备，便需思考震源所具有的振动频率与管道本身具备的固体频率是否一致，以免出现共振问题，进而造成管道本身被破坏。

3石油化工管道柔性强化设计

3.1管道设计的流程和主要内容

管道的安全可靠关系着石油化工的正常生产和使用安全，因此管道设计必须经过相关部门审批审批合格才能开启建设工作。管道设计的质量问题非常关键，要首先进行工业设计，在石油化工管道工程立项之前，相关部门要对其提交的可行性研究报告进行审核，共同审议后才能批准，项目设计人员要根据资料数据进行初步设计，并不断修改，每次修改都要向相关部门报告，同意后才能进行接下来的具体设计。初步设计主要包括材料、线路系统和管道连接等等，在材料方面要根据被输送对象的特质，对使用的材料进行检测，根据压力管道的长度对材料数量进行估计，对于压力管道所涉及的地质情况和地下管道分布进行研究，使管道能够尽量避开其它管道，减少对其它管道的影响，在管道连接处进行设计，保证在使用时不发生泄露。

3.2管道柔性强化措施

要强化石油管道，可以在设计阶段更改管道集合布置方法，添加管道弯头数量，改变弯头实际走向，增设大量点对点管道数量，可以达到提高管道柔性的目的。在设计的位置改变过程中，要确保管道端点位置不发生变化。涉及管道支撑环节中，设计人员可以选用弹簧支吊架有效降低支撑点对于管道垂直位移的限制，但是不能大范围的使用，如果弹簧支吊架的应用范围扩大，就会影响管道本身的稳定性。

在管道设计中比较特殊的部位，设计人员无法通过增加管道长度和弯道数量来达到提高管道柔性的目的，管道直径数值较大，或者业主对于施工工艺要求较为特殊，设计人员可以使用添加膨胀节的方式提高管道柔性。膨胀节价格昂贵，制造过程复杂，成本增加，施工工期延长，所以在设计过程中要尽量避免使用。

结语

随着化工产业的迅猛发展，提升化学化工装置的安全性能显得尤为重要和必要。管道应力分析对于确保和提升管道设施安全性来说，具有十分关键的意义。管道应力分析的任务主要是对管道进行包括应力计算在内的力学分析，并使分析结果满足标准规范的要求，从而保证管道自身和设备以及管道支吊架、土建结构的安全。

参考文献

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