黃曉敏

(中石化廣州工程有限公司,廣東 廣州 510620)

1 概述

連接石油化工裝置的壓力管道就像人體的動脈一樣，起著重要的作用。管道能否正常的運(yùn)行將直接影響著裝置的安全及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而管道的柔性對管道的安全運(yùn)行有著顯著的影響。

隨著科技的進(jìn)步石化工藝技術(shù)提高，高溫高壓管道在石化企業(yè)得到大量的應(yīng)用，管道布置的合理性顯得越來越重要。否則裝置生產(chǎn)運(yùn)行過程中可能因?yàn)楣艿酪驘崦浝淇s而導(dǎo)致管道法蘭連接處泄漏，過大的推力和力矩使設(shè)備產(chǎn)生變形；管道柔性不足局部應(yīng)力集中導(dǎo)致管道位移過大，支架位置的移動、托空、失效、金屬疲勞，最終引起管道斷裂。對于石化企業(yè)常規(guī)的、工藝技術(shù)成熟、設(shè)備定型的石油化工裝置是否運(yùn)行平穩(wěn)、滿足工藝要求、滿足安全生產(chǎn)要求、滿足檢修要求、滿足環(huán)保要求，在很大程度取決于管道柔性的設(shè)計水平。管道應(yīng)力分析是管道安全運(yùn)行的保證，是管道柔性設(shè)計中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

2 管道應(yīng)力分析的原理與方法

2.1 管道應(yīng)力分析的原理

最早的應(yīng)力分析是把管系在工作狀態(tài)下，在線性彈性范圍內(nèi)的由內(nèi)在的應(yīng)力和外在荷載引起的應(yīng)力和應(yīng)變綜合起來考慮。以管系不發(fā)生屈服的值作為極限值 ，超過這一極值管道應(yīng)力即失效。顯然這種方法是比較保守落后的，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)在石化工業(yè)的要求了。

為了充分的利用金屬管道材料的彈性性能的特點(diǎn)，故在做管道應(yīng)力分析時將應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和三次應(yīng)力并且分別驗(yàn)算。一次應(yīng)力就是管道承受的內(nèi)壓和持續(xù)的可變的外載而產(chǎn)生的。一次應(yīng)力使管壁上產(chǎn)生三個相互垂直的正應(yīng)力即周向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。一次應(yīng)力沒有自限性，始終隨管道上施加的外載而變，分析時不僅要驗(yàn)算管道的內(nèi)壓而且還要驗(yàn)算管道所承受的外載，內(nèi)壓驗(yàn)算實(shí)質(zhì)上就是驗(yàn)算管道壁厚是否滿足要求，外載驗(yàn)算實(shí)質(zhì)上就是驗(yàn)算管道的跨距是否滿足要求，即確定管道的支架之間最大允許跨距。因此對于一次應(yīng)力驗(yàn)算采用極限分析，必須合格。二次應(yīng)力就是管道隨著溫度的變化產(chǎn)生熱漲、冷縮及位移受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力。當(dāng)二次應(yīng)力超過管道材料的屈服極限時，管道會出現(xiàn)局部屈服和產(chǎn)生少量的塑性變形使得二次應(yīng)力下降，此為二次應(yīng)力的自限性。由于該特點(diǎn)，管系上的應(yīng)力改變并且重新分布，管道在工作狀態(tài)或冷狀態(tài)的應(yīng)變又達(dá)到了平衡。二次應(yīng)力是由管道不穩(wěn)定的熱漲、冷縮及位移的大小和循環(huán)次數(shù)而決定的，因此對于二次應(yīng)力驗(yàn)算不是很嚴(yán)格。三次應(yīng)力是一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的和，是內(nèi)壓、持續(xù)外載和熱漲產(chǎn)生的最大合成應(yīng)力，因此三次應(yīng)力驗(yàn)算必須合格。

2.2 管道應(yīng)力分析方法

管道應(yīng)力分析方法通常有：經(jīng)驗(yàn)法、公式法以及計算機(jī)法。計算機(jī)分析法已成為設(shè)計院進(jìn)行管道應(yīng)力分析的主要方法，最常用的是國際流行的CAESR/II管道應(yīng)力分析軟件，特點(diǎn)是成熟、精確、快速。

3 確定壓力管道進(jìn)行應(yīng)力分析的方法

管道詳細(xì)設(shè)計階段要根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)布置管道，盡量增加其柔性，減少應(yīng)力計算次數(shù)。選用適當(dāng)?shù)姆椒▽芟颠M(jìn)行應(yīng)力分析將有助于提高設(shè)計效率。

3.1 利用經(jīng)驗(yàn)公式判別壓力管道是否需進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析的方法

一般對能滿足下列判別式的管系，可以不做完整應(yīng)力分析。

式中:D0——管子外徑mm;

Δ——管段總位移mm;

Δ=(Δx2+Δy2+Δz2)1/2;

Δx、Δy、Δz——分別為管段在x、y、z軸方向的位移mm；

U——管段兩固定點(diǎn)的直線距離m；

L——管段在兩固定點(diǎn)的展開長度m。

但上式有其限制條件，按照美國ASME壓力管路規(guī)范(ANSI/ASME B31.3)中的備注可知，該經(jīng)驗(yàn)公式不適用以下幾種情況：

a.在劇烈循環(huán)條件下運(yùn)行有疲勞危險的管道，如延遲焦化裝置的焦炭塔進(jìn)料和油氣管道。

b.彎管應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)i ≥5的大直徑薄壁管道。

c.端點(diǎn)的附加位移量占總位移量大部分的管道。

d.兩固定點(diǎn)間的管道總長度(L)與固定點(diǎn)間的直線距離(U)的比值L/U>2.5的不等腿U形彎管，或接近直線的鋸齒狀管道。

e.與離心泵連接的管道，可根據(jù)設(shè)計要求確定柔性設(shè)計方法。

f.采用經(jīng)驗(yàn)公式對于管道柔性進(jìn)行初步判斷，其結(jié)果在一般情況下是偏于安全的，但無法保證其絕對可靠，對于裝置內(nèi)重要管道，如加熱爐轉(zhuǎn)油線、汽輪機(jī)、氣壓機(jī)等轉(zhuǎn)動機(jī)器進(jìn)出口的連接管道等需要進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析。

3.2 一般壓力容器和加熱爐等設(shè)備的連接管道的應(yīng)力分析范圍和方法

(1)50 ≤ Dn<150，ΔT ≥ 330℃；Dn≥ 150，ΔT ≥ 180℃的管道應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析。

(2)Dn< 50，ΔT ≥ 330℃；50 ≤ Dn≤ 100,230℃≤ΔT <330℃；150 ≤ Dn<500, 80℃≤ ΔT ≤ 180℃；

Dn ≥ 150，40℃≤ΔT≤180℃的管道利用圖表法進(jìn)行應(yīng)力分析。

(3)Dn< 50，ΔT <330℃；50 ≤ Dn<100，ΔT <230℃；100 ≤ Dn<500, ΔT <180℃；以及Dn>500，ΔT <40℃的管道由設(shè)計者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。

3.3 回轉(zhuǎn)機(jī)械及空冷器周圍的管道應(yīng)力分析范圍和方法

(1)50 ≤ Dn <100，ΔT ≥ 180℃；Dn > 100，ΔT ≥180℃的管道應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析。

(2)Dn <50，ΔT ≥ 180℃；50 ≤ Dn <100，80℃≤Δ<180℃；Dn≥ 100，ΔT <180℃的管道利用圖表法進(jìn)行應(yīng)力分析。

(3)Dn <50，ΔT <180℃；50 ≤ Dn<100，ΔT <80℃的管道由設(shè)計者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。

4 管道應(yīng)力分析的設(shè)計要求

4.1 管道應(yīng)力分析的任務(wù)

管道應(yīng)力分析的任務(wù)，是在管道布置時，通過改變管道的空間走向，增加或減少管道支架的數(shù)量、選擇合理的支吊架形式，用以防止管道因熱脹冷縮而導(dǎo)致管道法蘭連接處泄漏，及過大的推力和力矩使設(shè)備產(chǎn)生變形，管道柔性不足局部應(yīng)力集中導(dǎo)致管道位移過大，導(dǎo)致管道支架位置的移動、托空、失效、金屬疲勞引起管道斷裂。

4.2 管道應(yīng)力分析合格的判斷

管道是否具有足夠的柔性，是要通過管道的應(yīng)力分析和作用力來確定的。主要包括以下三個方面的內(nèi)容。

(1)管道在內(nèi)壓和持續(xù)外載作用下產(chǎn)生的一次應(yīng)力，應(yīng)不大于管道材料的需用應(yīng)力。內(nèi)壓是在徑、壁厚和材料選擇時已經(jīng)考慮過的問題，一般情況下，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選擇管子則可。持續(xù)外載主要是管道自重(包括介質(zhì)重、隔熱材料重)、風(fēng)、雪載荷等，這在管道支吊架選用恰當(dāng)?shù)那闆r下是不成問題的。所以在應(yīng)力分析中一次應(yīng)力一般情況下是合格的，有時還有余量。

(2)管道在熱漲、冷縮和位移受約束產(chǎn)生的二次應(yīng)力，應(yīng)不大于管道材料的熱膨脹許用應(yīng)力范圍。當(dāng)管道的二次應(yīng)力超過管道材料的熱膨脹許用應(yīng)力范圍，而管道的一次應(yīng)力低于管道的需用應(yīng)力時，允許將一次應(yīng)力未用足的這部分許用應(yīng)力加在熱膨脹許用應(yīng)力范圍中，以擴(kuò)大二次應(yīng)力的許用應(yīng)力范圍。

(3)對于連接到轉(zhuǎn)動機(jī)械如汽輪機(jī)、氣壓機(jī)及泵等的進(jìn)出口嘴子上的管道，其對于轉(zhuǎn)動機(jī)械進(jìn)出口嘴子的推力和力矩，應(yīng)不大于機(jī)器制造廠提出的允許值規(guī)定。

5 管道應(yīng)力分析步驟及管道布置調(diào)整

(1)根據(jù)不同石油化工裝置，確定需要進(jìn)行管道應(yīng)力分析的管道范圍。

(2)優(yōu)先規(guī)劃裝置要求進(jìn)行應(yīng)力計算的管道，初步確定管道的空間走向，確定支架的形式及支架的位置。一般情況下對于水平管道通常設(shè)置滑動支架、吊架等，對于垂直管道通常設(shè)置承重支架、導(dǎo)向支架等，對于有垂直位移的管道通常設(shè)置彈簧支架。

(3)畫出規(guī)劃好需要進(jìn)行管道應(yīng)力計算管道的三維視圖，明確標(biāo)注出管道等級、介質(zhì)的狀態(tài)(氣體、液體、固體)、設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、操作壓力、操作溫度、管道的腐蝕裕量、支架位置、閥門的位置及閥門的重量、與管道相連接的設(shè)備及設(shè)備圖紙等等必要的信息。

(4)輸入管道應(yīng)力分析軟件對管道進(jìn)行應(yīng)力分析。

(5)根據(jù)管道應(yīng)力分析結(jié)果，對管道空間布置進(jìn)行調(diào)整，對支吊架的位置、支吊架的形式進(jìn)行調(diào)整，直到整個管道應(yīng)力、管端、各個支撐點(diǎn)在x軸、y軸、z軸方向作用力及力矩符合到要求為止。

(6)與管道相連接的設(shè)備、機(jī)泵等管嘴的機(jī)械強(qiáng)度是否能夠承受管端推力和力矩，管端的最大推力和力矩是否在設(shè)備、機(jī)泵等管嘴能夠承受的機(jī)械強(qiáng)度安全范圍內(nèi)。如果超出設(shè)備、機(jī)泵等管嘴能夠承受的機(jī)械強(qiáng)度安全范圍，那么調(diào)整的方法有 a根據(jù)管道應(yīng)力分析結(jié)果在適位置加合適量冷緊；b調(diào)整管道的空間走向，增加管道的柔性；c 在端附合適的位置加設(shè)導(dǎo)向支架等。

(7)管道中各支點(diǎn)的作用力，是選擇支架形式的設(shè)計依據(jù)。

(8)管道中各支吊點(diǎn)的作用力、位移量是彈簧支吊選型設(shè)計的依據(jù)。

6 幾種重要管道的應(yīng)力分析設(shè)計要點(diǎn)

6.1 加熱爐轉(zhuǎn)油線

(1)在設(shè)備平面布置時就應(yīng)考慮轉(zhuǎn)油線的設(shè)計問題，如常減壓蒸餾裝置布置時，爐子與塔的間距在保證入塔前蒸發(fā)段直管不小于15M的情況下盡量靠近。其相對位置以能保證轉(zhuǎn)油線的各分支管布置對稱，介質(zhì)分配均勻?yàn)橐?。如果塔的進(jìn)料口為切稱，介質(zhì)流量分配均勻?yàn)橐恕Ｈ绻倪M(jìn)料口為切線進(jìn)入，應(yīng)將進(jìn)料口的中心線與加熱爐中心線對齊。這樣既有利于分支管的壓力降均衡又便于轉(zhuǎn)油線的應(yīng)力計算。

(2)加熱爐轉(zhuǎn)油線在應(yīng)力計算時利用爐出口前的一根爐管作為整個管道系統(tǒng)的一部分考慮，可以增加管道的柔性，對于圓筒爐的立式爐管更為有效。圓筒爐的立管在爐頂部設(shè)有支架，下部回彎頭處設(shè)有導(dǎo)向管套，爐管熱脹可向下移動，不會影響爐管上部出口的連接管道。頂部支架為承重支架，不是固定的。前后左右都能有一定范圍的自由活動。從管道柔性設(shè)計考慮，此活動范圍保持50mm為宜，按現(xiàn)場實(shí)際情況可以做到。

(3)對于帶有燒焦系統(tǒng)或再生系統(tǒng)的轉(zhuǎn)油線，一般具有兩種操作條件，管道的垂直方向位移不同，甚至管道自重由于介質(zhì)變化也有所不同。在進(jìn)行應(yīng)力分析時，應(yīng)結(jié)合兩種不同的操作情況全面分析管道的柔性，看其是否滿足要求。另外在彈簧支吊架的設(shè)計方面，按照正常操作條件下計算選用之后，尚應(yīng)按照燒焦或再生的操作條件下進(jìn)行核算。

6.2 汽輪機(jī)與氣壓機(jī)的進(jìn)出口連接管道

(1)汽輪機(jī)和氣壓機(jī)都屬于高速轉(zhuǎn)動設(shè)備，在其制造結(jié)構(gòu)方面，既要預(yù)留機(jī)器的膨脹裕度，又要保持轉(zhuǎn)動部件的余隙緊湊，如果管道對其產(chǎn)生的力和力矩太大，將使設(shè)備的形變和局部的壓力增大，轉(zhuǎn)子和定子之間的摩擦和振動增加。因此，在布置管道時，不僅要滿足管道本身的應(yīng)力設(shè)計要求，還要滿足機(jī)器進(jìn)出口嘴子的允許受力要求。

(2)管道的走向布置，應(yīng)盡可能適應(yīng)機(jī)器進(jìn)出口嘴子的位移方向。固定支架的位置應(yīng)設(shè)在比較靠近機(jī)器進(jìn)出口嘴子的地方，即在滿足機(jī)器嘴子允許受力要求下應(yīng)盡可能縮短。

(3)在管道設(shè)計時，除管道滿足應(yīng)力要求外，汽輪機(jī)或氣壓機(jī)嘴子連接管道對于嘴子的作用力和力矩也有嚴(yán)格的限制。按照美國標(biāo)準(zhǔn)NEMASM23和API617的規(guī)定，不僅要滿足進(jìn)口或出口嘴子本身的受力允許值要求，還要滿足進(jìn)口和出口轉(zhuǎn)移到出口或進(jìn)口中心線綜合的合力和合成力矩的允許值要求。在布置管道時，往往是比較容易滿足前者，而后者較難滿足，這不僅要求管道布置結(jié)構(gòu)合理，支架適當(dāng)，還應(yīng)要求在設(shè)備布置時給予注意。

(4)支吊架設(shè)計要點(diǎn)：①汽輪機(jī)和氣壓機(jī)進(jìn)出口嘴子附近第一個支架應(yīng)盡可能靠近進(jìn)出口嘴子。若進(jìn)出口嘴子向下，則應(yīng)在嘴子中心線的正下方設(shè)彈簧支架；②在計算支架的荷重時，應(yīng)使支架承擔(dān)進(jìn)出口管道的全部荷重。這樣做可以減小機(jī)器嘴子的垂直方向的受力；③為了防止過大的側(cè)向位移和減少振動的影響，可在管道上設(shè)置一些導(dǎo)向支架?？傊?，對汽輪機(jī)與氣壓機(jī)進(jìn)出口連接管道的支吊架，除了承受管道荷重之外還應(yīng)考慮減少嘴子的受力問題。

6.3 泵的進(jìn)出口管道

(1)隨著泵效率的提高，制造日益精密，管道的作用力和力矩要求越來越嚴(yán)格。同汽輪機(jī)與氣壓機(jī)的進(jìn)出口連接管道一樣，在管道進(jìn)行應(yīng)力分析時，要看管道自身的應(yīng)力是否合格，不僅要滿足管道自身的應(yīng)力設(shè)計要求，還要看管道對泵的作用力和力矩是否在泵的承受范圍內(nèi)。泵的允許承受力在美國石油學(xué)會API-610中有明確規(guī)定。

(2)管道的走向布置，應(yīng)盡可能少用彎頭減少壓力損失，同事對進(jìn)口管道保證步步低。

(3)由于泵多采用一開一備，在進(jìn)行管道應(yīng)力分析時應(yīng)采用工況組合，通過計算可求出管道對設(shè)備在操作狀態(tài)下和安裝狀態(tài)下的用力和力矩。這些力和力矩是以“熱態(tài)吊零”或“冷態(tài)吊零”為假設(shè)條件的。若熱態(tài)吊零，則需校核冷態(tài)條件下泵嘴受力是否滿足規(guī)范或制造廠的要求。反之，冷態(tài)吊零時則需校核熱態(tài)條件下泵嘴受力，使其滿足要求。

(4)泵與設(shè)備的布置可就近布置，也可稍遠(yuǎn)布置。

(5)支吊架設(shè)計要點(diǎn)：①降低活動支架吊架的剛度，采用剛度小的可變彈簧支吊架或恒力支吊架；②當(dāng)采用支架時，如果計算程序有計算摩擦力的功能，則應(yīng)利用此功能，如無此功能，則應(yīng)對其計算結(jié)果人為地加以修正；③在泵出口嘴子附近的剛度上設(shè)置限位支架；④在設(shè)計彈簧時，應(yīng)使嘴子附近的彈簧承擔(dān)進(jìn)出口管道的全部荷重，這樣做可以減少機(jī)器嘴子的垂直方向的受力。

6.4 氣液兩相流的管道及緊急放空系統(tǒng)的管道

氣液兩相流的管道由于其介質(zhì)溫度、壓力的變化，在管道設(shè)計時，應(yīng)盡可能減少縮徑、轉(zhuǎn)彎、氣袋、液袋，并注意支架設(shè)置和選型，以減少管道振動程度。管道壓力波動產(chǎn)生的激振力以及管道振動均會使管道承受交變載荷，致使管道遭受疲勞破壞，在應(yīng)力分析時，應(yīng)使管系的應(yīng)力保持在較低的水平，防止管道在設(shè)計壽命時間內(nèi)發(fā)生疲勞破壞。

對緊急放空系統(tǒng)的管道，在應(yīng)力分析時，應(yīng)考慮該系統(tǒng)管道放空時的苛刻工況，使管道布置滿足應(yīng)力要求，同時，由于該系統(tǒng)壓力變化非常快，其應(yīng)力幅也較大，在應(yīng)力分析時，也應(yīng)使管系的應(yīng)力保持在較低的水平。

7 結(jié)論

應(yīng)力分析是壓力管道安全運(yùn)行的重要保證，不同的管道其應(yīng)力水平的要求也不同，一般管系的應(yīng)力水平應(yīng)符合應(yīng)力分析判據(jù)；與轉(zhuǎn)動設(shè)備(如汽輪機(jī)、氣壓機(jī)、泵)進(jìn)出口連接的管道，不僅要滿足管道本身的應(yīng)力設(shè)計要求，還要滿足機(jī)泵進(jìn)出口嘴子的允許受力要求；存在交變荷載的管道應(yīng)使管系的應(yīng)力保持在較低的水平。總之，對管道進(jìn)行應(yīng)力分析，一方面，保證管道的安全運(yùn)行；另一方面，減小壓力，降低成本。