摘要：连接石油化工装置的压力管道就像人体的动脉一样，起着重要的作用。管道能否正常的运行将直接影响着装置的安全及企业的经济效益。本文对石油化工压力管道分析结果对管道进行优化设计，保证装置安全平稳运行。
关键词：石油化工；压力管道；设计；
前言：随着科技的进步石化工艺技术提高，高温高压管道在石化企业得到大量的应用，管道布置的合理性显得越来越重要。否则装置生产运行过程中可能因为管道因热胀冷缩而导致管道法兰连接处泄漏，过大的推力和力矩使设备产生变形；管道不足局部应力集中导致管道位移过大，支架位置的移动、托空、失效、金属疲劳，最终引起管道断裂。管道应力分析是管道安全运行的保证，是管道设计中不可忽视的重要环节。
一、管道应力分析的原理
最早的应力分析是把管系在工作状态下，在线性弹性范围内的由内在的应力和外在荷载引起的应力和应变综合起来考虑。以管系不发生屈服的值作为极限值，超过这一极值管道应力即失效。显然这种方法是比较保守落后的，已经不适应现在石化工业的要求了。为了充分的利用金属管道材料的弹性性能的特点，故在做管道应力分析时将应力分为一次应力、二次应力和三次应力并且分别验算。一次应力就是管道承受的内压和持续的可变的外载而产生的。一次应力使管壁上产生三个相互垂直的正应力即周向应力、轴向应力和径向应力。一次应力没有自限性，始终随管道上施加的外载而变，分析时不仅要验算管道的内压而且还要验算管道所承受的外载，内压验算实质上就是验算管道壁厚是否满足要求，外载验算实质上就是验算管道的跨距是否满足要求，即确定管道的支架之间最大允许跨距。因此对于一次应力验算采用极限分析，必须合格。二次应力就是管道随着温度的变化产生热涨、冷缩及位移受到约束而产生的应力。当二次应力超过管道材料的屈服极限时，管道会出现局部屈服和产生少量的塑性变形使得二次应力下降，此为二次应力的自限性。由于该特点，管系上的应力改变并且重新分布，管道在工作状态或冷状态的应变又达到了平衡。二次应力是由管道不稳定的热涨、冷缩及位移的大小和循环次数而决定的，因此对于二次应力验算不是很严格。三次应力是一次应力和二次应力的和，是内压、持续外载和热涨产生的最大合成应力，因此三次应力验算必须合格。
二、管道应力分析的设计要求
2.1管道应力分析的任务
管道应力分析的任务，是在管道布置时，通过改变管道的空间走向，增加或减少管道支架的数量、选择合理的支吊架形式，用以防止管道因热胀冷缩而导致管道法兰连接处泄漏，及过大的推力和力矩使设备产生变形，管道柔性不足局部应力集中导致管道位移过大，导致管道支架位置的移动、托空、失效、金属疲劳引起管道断裂。
2.2 管道应力分析合格的判断
2.2.1管道在内压和持续外载作用下产生的一次应力，应不大于管道材料的需用应力。内压是在径、壁厚和材料选择时已经考虑过的问题，一般情况下，按照标准规定选择管子则可。持续外载主要是管道自重、风、雪载荷等，这在管道支吊架选用恰当的情况下是不成问题的。所以在应力分析中一次应力一般情况下是合格的，有时还有余量。
2.1.2管道在热涨、冷缩和位移受约束产生的二次应力，应不大于管道材料的热膨胀许用应力范围。当管道的二次应力超过管道材料的热膨胀许用应力范围，而管道的一次应力低于管道的需用应力时，允许将一次应力未用足的这部分许用应力加在热膨胀许用应力范围中，以扩大二次应力的许用应力范围。
2.1.3对于连接到转动机械如汽轮机、气压机及泵等的进出口嘴子上的管道，其对于转动机械进出口嘴子的推力和力矩，应不大于机器制造厂提出的允许值规定。
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2.2管道应力分析步骤及管道布置调整
2.2.1根据不同石油化工装置，确定需要进行管道应力分析
的管道范围。
2.2.2优先规划装置要求进行应力计算的管道，初步确定管道的空间走向，确定支架的形式及支架的位置。一般情况下对于水平管道通常设置滑动支架、吊架等，对于垂直管道通常设置承重支架、导向支架等，对于有垂直位移的管道通常设置弹簧支架。
2.2.3画出规划好需要进行管道应力计算管道的三维视图，明确标注出管道等级、介质的状态、设计压力、设计温度、操作压力、操作温度、管道的腐蚀裕量、支架位置、阀门的位置及阀门的重量、与管道相连接的设备及设备图纸等等必要的信息。
2.2.4输入管道应力分析软件对管道进行应力分析。
2.2.5与管道相连接的设备、机泵等管嘴的机械强度是否能够承受管端推力和力矩，管端的最大推力和力矩是否在设备、机泵等管嘴能够承受的机械强度安全范围内。如果超出设备、机泵等管嘴能够承受的机械强度安全范围，那么调整的方法 根据管道应力分析结果在适位置加合适量冷紧，调整管道的空间走向，增加管道的柔性；c 在端附合适的位置加设导向支架等。
三、几种重要管道的应力分析设计要点
3.1加热炉转油线
3.1.1在设备平面布置时就应考虑转油线的设计问题，如常减压蒸馏装置布置时，炉子与塔的间距在保证入塔前蒸发段直管不小于 15M 的情况下尽量靠近。其相对位置以能保证转油线的各分支管布置对称，介质分配均匀为宜。如果塔的进料口为切称，介质流量分配均匀为宜。如果塔的进料口为切线进入，应将进料口的中心线与加热炉中心线对齐。这样既有利于分支管的压力降均衡又便于转油线的应力计算。
3.1.2加热炉转油线在应力计算时利用炉出口前的一根炉管作为整个管道系统的一部分考虑，可以增加管道的柔性，对于圆筒炉的立式炉管更为有效。圆筒炉的立管在炉顶部设有支架，下部回弯头处设有导向管套，炉管热胀可向下移动，不会影响炉管上部出口的连接管道。顶部支架为承重支架，不是固定的。前后左右都能有一定范围的自由活动。
3.2汽轮机与气压机的进出口连接管道
3.2.1汽轮机和气压机都属于高速转动设备，在其制造结构方面，既要预留机器的膨胀裕度，又要保持转动部件的余隙紧凑，如果管道对其产生的力和力矩太大，将使设备的形变和局部的压力增大，转子和定子之间的摩擦和振动增加。因此，在布置管道时，不仅要满足管道本身的应力设计要求，还要满足机器进出口嘴子的允许受力要求。
3.2.2在管道设计时，除管道满足应力要求外，汽轮机或气压机嘴子连接管道对于嘴子的作用力和力矩也有严格的限制。按照美国标准 NEMASM23 和 API617 的规定，不仅要满足进口或出口嘴子本身的受力允许值要求，还要满足进口和出口转移到出口或进口中心线综合的合力和合成力矩的允许值要求。在布置管道时，往往是比较容易满足前者，而后者较难满足，这不仅要求管道布置结构合理，支架适当，还应要求在设备布置时给予注意。
结束语
综上所述，应力分析是压力管道安全运行的重要保证，不同的管道其应力水平的要求也不同，一般管系的应力水平应符合应力分析判据；与转动设备进出口连接的管道，不仅要满足管道本身的应力设计要求，还要满足机泵进出口嘴子的允许受力要求；存在交变荷载的管道应使管系的应力保持在较低的水平。总之对管道进行应力分析，一方面，保证管道的安全运行；另一方面，减小压力，降低成本。
参考文献：
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[3]潘小谁.石油化工压力管道设计分析[J].中国化工贸易，2017，9（5）.
论文作者:刘程
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/27
标签：应力论文; 管道论文; 支架论文; 力矩论文; 压力论文; 设备论文; 石油化工论文; 《基层建设》2018年第35期论文;