化工管道应力分析基础上的柔性设计

化工管道应力分析基础上的柔性设计

蒋文斌

安徽实华工程技术股份有限公司安徽省合肥市230091

摘要：在应力分析过程中，进行管道柔性分析，优化管道系统。在满足工艺要求的前提下，平衡管道系统各组成部分的受力，防止管道本身的破坏、失稳和法兰泄漏，减小设备接口和支撑结构的受力，从而避免由这些问题引起的安全问题。进而保证安全稳定的生产。

关键词：化工管道；应力分析；柔性设计

引言

在整个石油化工行业中，管道设备十分常见，管道设备属于石化工业发展的基础，因此，管道设计的安全性及高效性对于企业的发展十分重要。近些年来，化工管道事故频繁出现，使得化工管道的安全备受关注，管道的设计问题也日益突出。一般来说，化工管道的设计工作十分复杂，包含应力分析、材料选择以及管道设备布置等环节，目前，为了进一步保障管道安全，在应力分析的基础上，加入了柔性设计环节。但是由于柔性设计刚刚起步，其发展并不成熟，且研究成果较少，这给化工管道的设计人员带来了较大的困扰。

1管道柔性设计目的及要求

对于化工管道而言，管道的首末端以及三通位置处连接有大量的机械设备或水泥建筑，当管道受到内部介质的热胀冷缩作用时，管道会对周围的机械设备或水泥建筑产生一定的作用力，同时，机械设备或水泥建筑也会对管道产生一定的反向作用力，从而使得管道承受的外界应力增大，如果管道自身具有很强的刚度，则在反向作用力的推动下，会使得管道周围的机械设备或水泥建筑遭受破坏，因此，在对管道进行设计时，必须要求管道自身具有一定的柔性。在对管道进行柔性设计时必须满足四项要求：管道所承受的应力维持于安全状态，其二次应力必须满足相应的规范要求：管道周围附属设备或土方建筑所承受的力矩和力必须维持在安全要求内，从而防止应管道运行对设备或土方建筑产生破坏：在外力的作用下，管道上的法兰不会因自身受力原因引起化工原料泄漏：在管道内外力的作用下，不会对维持管道平衡的支架产生破坏，从而使得管道始终处于平衡状态。

2管道应力的形式

一次应力是管道受到重力、压力及其他外部荷载而产生的应力。一次应力会平衡这些外部荷载，其大小并与外部荷载成正相关。没有自限性是一次应力的主要特征之一，即当管道受力达到屈服极限，即使不再增加外部荷载，管道它仍继续发生明显的塑性变形，直至发生破坏。二次应力由管道变形受到约束而产生，起因为管道温度变化造成的形变以及端点位移引起。与一次应力不同，二次应力具有自限性，当局部变形就可以使管道维持协调状态，管道将不再继续发生形变。

3化工管道应力分析价值简介

对化工管道进行应力分析的意义在于通过发现管道全线的异常应力状况、判断管道的安全与否，因此，类似于化工管道这种对于强度、刚度以及柔性都具有一定要求的设备必须通过应力分析的方式保障其安全。在另一方面，通过应力分析，还可以为管道建设初期管道的布置状况提供有效建议，为管道及附属设备的安全提供指导。具体来说，对化工管道进行应力分析的价值主要在于以下两个方面：（1）确保管道始终处于安全状况。管道对于化工企业而言十分重要，因此，保障管道的安全是企业顺利生产的前提，在管道安全判断方面，我国已发布相应的要求，要求指出，管道的密封程度、抗腐蚀能力以及抗压强度是判断管道安全的关键，在这三方面中，抗压强度需要通过应力分析的方式进行判断。（2）确保管道附属设备始终处于安全状况。众所周知，管道周围部署有大量的附属设备，例如三通、法兰等，由于化工管道内的介质充满了危险性，如果附属设备出现问题，也极易容易产生安全问题，例如，当管道内介质的温度过高时，受热胀冷缩的作用，其附属设备会出现损坏状况，从而造成化工气体泄漏，通过应力分析的方式可以为附属设备的布置及安全提供保障。

4应力分析基础上的柔性设计

4.1柔性设计的作用

对于管道和其相连设备、结构，管道的温度变化引起的形变、设备引起的管口位移以及结构沉降产生的位移等都会产生相应作用力。具有柔性的管道会发生一定形变，减小局部应力，保证各部件的安全。而管道具有刚度较大时，应力会在局部聚集造成管道、设备和结构的严重破坏。对此管道设计必须具备柔性特征。

4.2柔性设计的基本要求

在具体工作中，设计温度低于-50℃或者高于100℃和存在外部强制位移的管道需进行柔性分析。如存在完全相同的成功使用记录未作重大改变的管道系统不强制要求进行正式柔性分析。在具体分析中，应将管系、设备和支架视为一个整体；应根据实际状况建立对应的分析模型，考虑管道上个部件，分支管线上的约束以及滑动架摩擦力对于整个管道系统的影响；应使得不同工况下各部件处于许用范围内，特殊管件应考虑还其应力增大系数，保证管道系统的安全。

4.3增加管道柔性的方法

通过以下几种方法，可以使管道的柔性增加：①改变管道的几何形状。管道本身的方向改变就具有柔性，通过增加弯头或改变管道走向的方法，设置合理的自然补偿，来有效的增加管道的柔性。设置这些补偿，应在满足工艺要求的前提下进行，防止管道内流体粘度过大或易结晶等引起的问题。②在安装工况下，加载适当的预应力，以降低管道在工作状态下的各部件应力。常见的方法有冷拉。冷拉是管道在安装至主动造成管道一个要求的初始位移和应力，来平衡管道热胀冷缩或支架、管端位移时引起的不良影响。③合理使用弹簧支吊架。在释放约束点位移的同时，有效保证管道系统的稳定性。弹簧支吊架也具有消除动态设备振动影响，造成疲劳破坏。但应注意的是过多使用弹簧支吊架，仍旧会使管道的稳定状态受到不良影响。设置时应考虑管道支撑点的位移，不同工况下的约束点受力选择合适形式和刚度的弹簧。④膨胀节、旋转补偿器等补偿装置。在无条件以上几点增加柔性时，可以通过设置这些补偿装置来使管道具有更强的柔性。但其使用成本较高，使用条件较为苛刻，具有较短的使用周期，且增加了管道泄漏的风险。

5化工管道柔性设计方案

5.1增加自然补偿

管道自身具有一定的补偿作用，补偿作用能有效防止管道产生变形，当管道所受内外力较大时，则需要增设自然补偿。目前，最常见、最高效的自然补偿为“π”补偿器，但是如果化工管道内输送介质的温度相对较高，且输量较大，该种补偿器的使用会受到一定的限制，此时可使用螺纹管补偿器。自然补偿的具体安装步骤为：选择补偿类型，补偿类型的选择需要根据管道内介质的温度及管道管径决定：对管道的膨胀量进行计算，管道膨胀量的计算公式为：膨胀量=膨胀系数×管长：确定补偿位置，补偿位置应尽可能靠近两个管道固定点的中心位置：对管道应力进行校核，确保增加固定点后管道可以始终处于安全状态。

5.2改变管道走向

通过改变管道自身走向是进行柔性设计最为间接的方法，这主要是因为在管道两端受到约束的作用下，改变管道的走向，可能会使得管道的长度增加，同时管道弯头的数量也会得到不同程度的降低，从而使得管道的柔性增加。最有利于管道安全的走向为L型走向，这种类型的走向仅在两端管道之间产生了一个弯头，同时还可以保证两节管道始终处于最长状态。当采用该种方法进行柔性设计时，首先必须保证化工单位内拥有充足的空间。

结束语

在进行应力分析时，必须从一次应力、二次应力以及峰值应力三方面出发，进行深入研究三种应力工作原理以及对管道运行带来的安全风险，峰值应力的危险性最大。在进行柔性设计时，可以采取的方案有三种类型，分别是增加自然补偿、选择支吊架固定、改变管道走向，多种设计方案同时兼顾，其效果更佳，化工管道运行安全性更高。

参考文献：

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[2]钱胜辉，柯先梅.石油化工管道设计应力分析基础上的柔性设计[J].化工设计通讯，2016，42（03）：24+42.

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