趙 輝 劉逸飛

中海油石化工程有限公司 （山東濟(jì)南 250014）

在石油化工行業(yè)，管道的設(shè)計(jì)水平直接關(guān)系到裝置建設(shè)的投資和裝置開車投產(chǎn)后能否長期安全穩(wěn)定地運(yùn)行。近年來，化工裝置的數(shù)量及規(guī)模越來越大，裝置運(yùn)行中因管道應(yīng)力過大造成的安全事故時(shí)常發(fā)生。為了避免因管道應(yīng)力問題發(fā)生的安全事故，在工程設(shè)計(jì)過程中通過應(yīng)力分析對(duì)管道或管系進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，以保證裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，從而減少安全事故引起的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失[1]。

1 石油化工管道柔性設(shè)計(jì)

1.1 管道柔性的概念

管道的一個(gè)重要特征是具有一定的柔性。管道的柔性是反映其變形難易程度的一個(gè)物理概念。當(dāng)溫度變化時(shí)，管道會(huì)通過自身變形來予以適應(yīng)；當(dāng)設(shè)備基礎(chǔ)沉降時(shí)，管道會(huì)通過自身變形來適應(yīng)位移的變化?？梢?，管道的柔性就是管道通過自身變形來吸收因溫度、荷載、壓力等因素引起的外形變化或其他原因產(chǎn)生的位移，保證管道上的應(yīng)力在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)的性能[2-3]。

1.2 管道柔性設(shè)計(jì)的目的

由于溫度變化、內(nèi)壓變化、荷載變化等，管道系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不同程度的問題，主要包括以下幾個(gè)方面：一是由于應(yīng)力過大或金屬疲勞而引起管道破壞；二是管道支架由于受到過大的推力而遭到破壞；三是管道焊接或法蘭連接處產(chǎn)生過大應(yīng)力發(fā)生泄漏；四是與管道相連的設(shè)備由于受到過大推力而不能正常運(yùn)行。管道柔性設(shè)計(jì)可以使管道系統(tǒng)具有足夠的柔性，通過管道自身變形或管道位移降低管道應(yīng)力，從而防止上述問題的產(chǎn)生。

1.3 管道柔性設(shè)計(jì)的原理

管道系統(tǒng)上的任何一處受力點(diǎn)，通常受到三個(gè)方向應(yīng)力的作用，即軸向應(yīng)力（SL）、環(huán)向應(yīng)力（SP）、剪切應(yīng)力（ST）。這三個(gè)方向的應(yīng)力會(huì)影響管道材料的力學(xué)性能，如果應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力，則會(huì)使材料失效，甚至發(fā)生破壞。通常使用當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度（簡稱“應(yīng)力強(qiáng)度”）來衡量應(yīng)力對(duì)材料的這種影響，需要根據(jù)相應(yīng)的強(qiáng)度理論來求解應(yīng)力強(qiáng)度[4]。

（1）最大主應(yīng)力強(qiáng)度理論

應(yīng)力狀態(tài)下，其強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則表達(dá)式為：

式中：S 為最大主應(yīng)力，MPa；SL為軸向應(yīng)力，MPa；SP為環(huán)向應(yīng)力，MPa；ST為剪切應(yīng)力 ，MPa。

該理論僅指材料發(fā)生斷裂破壞時(shí)，其受力橫截面上的最大主應(yīng)力即是最危險(xiǎn)的應(yīng)力。

（2）最大變形強(qiáng)度理論

應(yīng)力狀態(tài)下，其強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則表達(dá)式為：

式中：εmax為材料最大變形量；[ε]為材料允許變形量。

該理論僅指材料斷裂破壞時(shí)，最大變形將是受力橫截面最危險(xiǎn)的情況。

（3）變形能強(qiáng)度理論

應(yīng)力狀態(tài)下，其強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則表達(dá)式為：

該理論僅指材料的破壞或性能失效，取決于材料單位體積變形所積累的位能（即變形能），當(dāng)其達(dá)到臨界值時(shí)，則視為最危險(xiǎn)的情況。

（4）最大剪切應(yīng)力強(qiáng)度理論

應(yīng)力狀態(tài)下，其強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則表達(dá)式為：

該理論是指材料的破壞或性能失效，僅取決于材料所受的最大剪切應(yīng)力。目前，美國和我國的管道設(shè)計(jì)規(guī)范均依照最大剪切應(yīng)力強(qiáng)度理論編制和實(shí)施，該理論認(rèn)為：材料最危險(xiǎn)的應(yīng)力應(yīng)是當(dāng)其達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)（材料開始滑移）的最大均勻剪切應(yīng)力，而該值正好等于最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差的均值。

式中：τmax為最大均勻剪切應(yīng)力，MPa；δmax為最大主應(yīng)力，MPa；δmin為最小主應(yīng)力，MPa；[δi]為屈服應(yīng)力，MPa。

2 增加管道柔性的方法

2.1 改變管道空間走向

改變管道的走向，實(shí)質(zhì)上是通過增加管系長度和彎頭數(shù)量來實(shí)現(xiàn)管系柔性的增加。增加彎頭數(shù)量相當(dāng)于增加了變形點(diǎn)的數(shù)量，且彎頭的剛度較小，當(dāng)管系發(fā)生較大位移或其他形變時(shí)，彎頭可以在一定程度上降低管系剛度，吸收這部分位移或形變。管道布置中，在滿足設(shè)備位置、工藝要求、操作要求等條件的基礎(chǔ)上，為使管道的空間走向和結(jié)構(gòu)尺寸滿足管道柔性的要求，通常將管道設(shè)置為π形彎（a）、Z形彎（b）、L形彎（c）等，如圖 1所示。

2.2 設(shè)置管道柔性件

當(dāng)因管徑較大、場地受限等不能改變管道走向時(shí)，可以考慮采用增加管道柔性件的方式來吸收管道的位移形變，緩解管道中的應(yīng)力和對(duì)邊界約束的附加力。

圖1 管道走向設(shè)置

常見的管道柔性件有波紋管式補(bǔ)償器、套筒式補(bǔ)償器、球形補(bǔ)償器。波紋管式補(bǔ)償器是石化裝置中常用的一種管道柔性元件，它是利用一組或數(shù)組塑性較好、厚度較薄的波紋管容易變形的特點(diǎn)來達(dá)到吸收管道熱膨脹的目的。波紋管式補(bǔ)償器的種類很多，常用的有自由型、四連桿橫向型、單式鉸鏈型、單式萬向鉸鏈型、復(fù)式拉桿型、彎管壓力平衡型等型式。套筒式或球形補(bǔ)償器容易因填料松弛而發(fā)生泄漏，故在石化裝置中很少采用，在劇毒、易燃、易爆介質(zhì)管道中嚴(yán)禁采用。

與改變管道走向的自然補(bǔ)償方式相比，管道柔性件具有補(bǔ)償能力大、占用空間小、安裝簡單、設(shè)計(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)；但管道柔性件在管道中是薄弱環(huán)節(jié)，其安全性較低，且價(jià)格較高[5]。因此，在管道設(shè)計(jì)中優(yōu)先選用改變管道走向的自然補(bǔ)償方式。

2.3 使用彈簧支吊架

剛性支架一般不會(huì)增加管道的柔性，常利用其約束管道的位移，防止較大的位移轉(zhuǎn)移到與管道相連接的設(shè)備上，或因位移過大而影響臨近的管道[6]。

將某些位置上的剛性支架改為彈簧支吊架可以增加管道的柔性。對(duì)于管道上某一個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，沒有支架時(shí)該節(jié)點(diǎn)沒有約束，也可以認(rèn)為其約束點(diǎn)的剛度為零。當(dāng)該點(diǎn)設(shè)置剛性支架時(shí)，沿支架方向的位移受到限制，該約束點(diǎn)的剛度為無窮大。彈簧支架的剛度介于二者之間，它對(duì)管道的位移有一定的約束作用，但也可以允許管道在約束方向上有一定位移。因此，將管道上的一些剛性支架改為彈簧支架，能夠增加管道的變形量，增加管道柔性，從而緩解支架處的約束作用，減小管道應(yīng)力。

2.4 減少管道摩擦力

當(dāng)管道中的各單元因熱膨脹而發(fā)生位移時(shí)，它將與相關(guān)的支撐面產(chǎn)生摩擦力。摩擦力與支撐約束相似，即它對(duì)管道的熱膨脹總是起阻礙作用，或者說它會(huì)降低管道的柔性。但摩擦力與剛性支架的阻礙作用也有區(qū)別，它并不能完全阻止管道元件的熱膨脹。對(duì)于小直徑管道來說，摩擦力一般是比較小的，其對(duì)熱膨脹的阻力也很小，可以忽略不計(jì)。

對(duì)于大直徑（400 mm及以上）管道來說，其摩擦力可能會(huì)很大，此時(shí)就應(yīng)考慮摩擦力的影響（摩擦系數(shù)見表1）。管廊上內(nèi)徑不低于200 mm的距離管道、常減壓裝置的轉(zhuǎn)油線、催化裝置的煙氣管道等都是應(yīng)考慮摩擦力影響的典型管線。對(duì)于常減壓裝置的轉(zhuǎn)油線來說，由于其支撐點(diǎn)較高，支架剛度又不宜太大（太大時(shí)經(jīng)濟(jì)性差），此時(shí)如果發(fā)生較大的摩擦力，會(huì)危及到支架的安全。因此工程中通常將其承重支架改為滾動(dòng)支架、擺式支架或者自潤滑的低摩擦支架等，以減少其摩擦力，從而減少管道熱膨脹對(duì)支架的影響。另外，系統(tǒng)管廊上的長距離大口徑管道也常采用摩擦力較小的滾動(dòng)支架、擺式支架等。

表1 摩擦系數(shù)

3 小結(jié)

影響管道柔性、降低管道應(yīng)力的方式有很多，進(jìn)行管道柔性設(shè)計(jì)時(shí)，在保證管道具有足夠柔性來吸收管道變形且符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下，應(yīng)注意避免使管道系統(tǒng)過分柔性，這樣不但可以防止管道因過分柔性產(chǎn)生振動(dòng)，還能減少大量投資。因此，在工程設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)設(shè)備的布置情況、工藝系統(tǒng)的要求、安全操作等因素確定增加管道柔性的方式，最終使管道達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)：（1）管道上各點(diǎn)的二次應(yīng)力值應(yīng)小于許用應(yīng)力范圍；（2）管道對(duì)設(shè)備管口的推力和力矩應(yīng)在允許的范圍內(nèi)；（3）管道的最大位移量應(yīng)能滿足管道布置的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃靜.管道的柔性設(shè)計(jì)[J].小氮肥設(shè)計(jì)技術(shù),2002,23(2)：20-25.

[2]趙麗京.石油化工管道設(shè)計(jì)應(yīng)力分析基礎(chǔ)上的柔性設(shè)計(jì)[J].化工管理,2015(26)：55-56.

[3]肖昀昀.石油化工管道設(shè)計(jì)應(yīng)力分析基礎(chǔ)上柔性設(shè)計(jì)[J].工程技術(shù)（全文版）,2016(12)：228.

[4]浩斯巴雅爾.關(guān)于壓力管道的應(yīng)力分析 [J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2013(11)：113.

[5]于詠梅.壓力管道柔性設(shè)計(jì)及金屬波紋管膨脹節(jié)的選用[J].河南化工,2009,26(1)：36-37.

[6]劉龍.壓力管道的柔性設(shè)計(jì)及彈簧支吊架選用 [J].山東化工,2015(22)：125-126.