駱 愷

（蓋茨液壓技術(shù)（常州）有限公司，江蘇 常州 213022）

壓力管道是石油化工裝置體系中的核心構(gòu)件，其性能設(shè)計(jì)的科學(xué)性與石油化工企業(yè)裝置的高效運(yùn)行息息相關(guān)。若壓力管道在使用過(guò)程中，存在柔性不足情況，會(huì)導(dǎo)致化工裝置出現(xiàn)位移、管道斷裂、介質(zhì)泄漏等問(wèn)題。因此，為提高石油化工企業(yè)管道柔性，文章對(duì)石油化工壓力管道柔性設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，以完善壓力管道整體性能。

1 石油化工管道柔性設(shè)計(jì)相關(guān)概述

科技、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中，石油工藝技術(shù)水平不斷提高。在此背景下，具有高壓性能的管道被廣泛應(yīng)用在石油化工企業(yè)中，與此同時(shí)，管道布置、功能參數(shù)要求增多。為避免石油化工裝置在生產(chǎn)過(guò)程中，因管道出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，使得管道銜接處出現(xiàn)泄漏的情況，并且在較大力矩作用下，導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備變形。相關(guān)人員需通過(guò)管道柔性設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確分析管道局部應(yīng)力，控制管道位移，以預(yù)防管道斷裂[1]。

具體來(lái)說(shuō)，柔性是管道的特征之一，管道柔性能夠真實(shí)反映管道難易度的概念。石油化工管道在具體運(yùn)用時(shí)，可利用自身變形功能，適應(yīng)周?chē)鷾囟取⒃O(shè)備基礎(chǔ)沉降的變化。所以管道柔性是管道在荷載、溫度、壓力作用的情況下，產(chǎn)生位移、外形變化后，可將管道應(yīng)力控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的能力。石油化工管道柔性設(shè)計(jì)的目的，是因?yàn)楣艿朗褂闷陂g，荷載、內(nèi)壓及溫度變化，會(huì)導(dǎo)致管道出現(xiàn)各類(lèi)問(wèn)題。比如管道應(yīng)力過(guò)大、金屬疲勞、支架受力增大時(shí)，管道遭到的破壞。或是與管道相連設(shè)備在較大推力影響下，導(dǎo)致管道無(wú)法正常使用。而通過(guò)管道柔性設(shè)計(jì)，可強(qiáng)化管道系統(tǒng)柔性，使其能夠自動(dòng)適應(yīng)各類(lèi)影響因素，防止管道損壞、運(yùn)行異常等問(wèn)題的產(chǎn)生。

2 石油化工壓力管道柔性設(shè)計(jì)要求

石油化工壓力管道的設(shè)計(jì)核心，是使管道具有柔性，進(jìn)而在管道使用中，可有效應(yīng)對(duì)溫度變化、相連設(shè)備力矩異常對(duì)管道本體造成的損害，避免較大力矩引發(fā)的管道內(nèi)介質(zhì)泄漏情況。因此，在石油化工壓力管道柔性設(shè)計(jì)中，管道設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：其一，管道承重力。柔性設(shè)計(jì)中，需綜合分析管道可承載的總重量，以及管道內(nèi)各組件、隔熱材料、管道內(nèi)輸送介質(zhì)的重量。若管道輸送介質(zhì)為液體，還需通過(guò)水壓試驗(yàn)，判斷石油化工壓力管道對(duì)流體的承重力；其二，管道耐受力，壓力管道柔性設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員還應(yīng)增強(qiáng)管道可以承受輕度災(zāi)害、地震、大風(fēng)對(duì)管道沖擊時(shí)，管道對(duì)沖擊荷載的承受力[2]。

3 石油化工壓力管道的柔性設(shè)計(jì)

3.1 分析管道應(yīng)力

石油壓力管道柔性設(shè)計(jì)中，分析管道應(yīng)力是判斷管道柔性設(shè)計(jì)是否合理的重要依據(jù)。相關(guān)人員在石油化工管道柔性設(shè)計(jì)前，應(yīng)預(yù)先分析管道應(yīng)力，通過(guò)對(duì)管道一次、二次、三次驗(yàn)算，獲取管道應(yīng)力值數(shù)。而壓力管道應(yīng)力分析方法包括經(jīng)驗(yàn)法、計(jì)算機(jī)分析法、公式法等。

3.2 選定管道應(yīng)力分析方法

管道柔性設(shè)計(jì)階段，為增加管道柔性，需嚴(yán)格控制應(yīng)力核算次數(shù)，靈活選定管道應(yīng)力分析方法，以提高管道柔性設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)人員可借助經(jīng)驗(yàn)公式，辨別管道詳細(xì)分析應(yīng)力的必要性。對(duì)于能夠滿(mǎn)足公式的管道系統(tǒng)，無(wú)需進(jìn)行更為詳細(xì)、完整的應(yīng)力分析。其中，D0 為管道外部直徑，△代表管道總位移，單位為mm，U、L 分別為管段固定點(diǎn)直線距離、展開(kāi)長(zhǎng)度，實(shí)際單位為m。但根據(jù)石油化工管道設(shè)計(jì)規(guī)范可知連接設(shè)備為離心泵的壓力管道，需結(jié)合設(shè)計(jì)要求，擬定柔性設(shè)計(jì)方案，且經(jīng)驗(yàn)公式是對(duì)管道柔性的基礎(chǔ)判斷，難以肯定管道的絕對(duì)可靠性。對(duì)于石油化工企業(yè)內(nèi)汽輪機(jī)、加熱爐轉(zhuǎn)油線等核心壓力管道，仍需在柔性設(shè)計(jì)中，展開(kāi)系統(tǒng)的應(yīng)力分析工作[3]。

3.3 管道應(yīng)力分析的設(shè)計(jì)要求

在基于管道應(yīng)力分析，辨別管道柔性時(shí)，還需在應(yīng)力分析前提下，結(jié)合管道作用力，確定管道柔性設(shè)計(jì)的合理性。具體來(lái)說(shuō)，首先，壓力管道在持續(xù)性的內(nèi)壓、外載共同作用時(shí)，所形成的一次應(yīng)力，需小于管道制造材料所用應(yīng)力。通常情況下，設(shè)計(jì)人員分析管道直徑、壁厚參數(shù)，選擇管道材料時(shí)，會(huì)預(yù)先考慮內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力。為此，壓力管道柔性設(shè)計(jì)中，僅需按照相關(guān)規(guī)定，選擇對(duì)應(yīng)規(guī)格的管道。而管道持續(xù)性的外載包括風(fēng)、雪荷載與管道自重荷載，其與管道支架、吊架選用相關(guān)性較強(qiáng)。其次，管道受設(shè)備位移、熱脹冷縮等因素限制后，所形成的二次壓應(yīng)力，需管道熱膨脹后，材料本身的應(yīng)力范圍。若二次應(yīng)力大于材料應(yīng)力范圍，且管道一次應(yīng)力低于管道所需應(yīng)力時(shí)，可使用一次應(yīng)力擴(kuò)大材料在熱膨脹狀態(tài)中，管道的應(yīng)力范圍。最后，對(duì)于連接設(shè)備為氣壓機(jī)、離心泵的壓力管道，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械力矩、推力應(yīng)小于石油化工機(jī)械制造廠允許值[4]。

3.4 石油化工重要壓力管道柔性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.4.1 加熱爐轉(zhuǎn)油線

加熱爐轉(zhuǎn)油線作為石油化工企業(yè)的重要壓力管道，在柔性設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員需重視以下問(wèn)題。

第一，相關(guān)人員在設(shè)備布設(shè)過(guò)程中，應(yīng)考慮轉(zhuǎn)油線管道柔性設(shè)計(jì)問(wèn)題。例如在鋪設(shè)“常減壓”蒸餾設(shè)備時(shí)，設(shè)備結(jié)構(gòu)內(nèi)的爐子、塔的距離，應(yīng)確保該區(qū)域內(nèi)支管道可靠近15m，且管道位置與轉(zhuǎn)油線分管道具有對(duì)稱(chēng)關(guān)系，便于壓力管道運(yùn)輸介質(zhì)分配的均勻性。在此期間，若塔進(jìn)料口屬于切稱(chēng)，應(yīng)以介質(zhì)流量均勻分配為核心，若進(jìn)料口屬于切線進(jìn)入，可將加熱爐、進(jìn)料口中心位置對(duì)齊，以均衡各分支管道壓力，提高轉(zhuǎn)油線應(yīng)力計(jì)算的便捷性，為加熱爐轉(zhuǎn)油線管道柔性設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

第二，分析轉(zhuǎn)油線管道應(yīng)力時(shí)，應(yīng)將加熱爐前的爐管作為管道體系的應(yīng)力部件，以提高轉(zhuǎn)油線管道柔性。此種柔性設(shè)計(jì)方式，多用于圓筒爐，原因在于圓筒爐管道頂部會(huì)增設(shè)支架，立管下方設(shè)有非固定的管套，使管道在爐管熱脹時(shí)能夠上下移動(dòng)，同時(shí)不影響連接管道使用。再者，圓筒爐頂部支架在管道柔性設(shè)計(jì)中，可作為移動(dòng)范圍在50mm 的承重支架，滿(mǎn)足轉(zhuǎn)油線管道應(yīng)力需求。

第三，加熱爐轉(zhuǎn)油線管道設(shè)計(jì)中，若線管內(nèi)本身含有再生系統(tǒng)，其操作方式、管道垂直度、管道位移會(huì)產(chǎn)生明顯的差異性，從而使得管道自重、介質(zhì)重量出現(xiàn)變化。為此，針對(duì)該類(lèi)轉(zhuǎn)油線管道的應(yīng)力分析，需根據(jù)管道實(shí)際操作條件，完成管道柔性設(shè)計(jì)[5]。比如在加熱爐轉(zhuǎn)油線管道彈簧支吊架柔性設(shè)計(jì)中，可在計(jì)算正常操作時(shí)管道應(yīng)力后，核算再生系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，管道應(yīng)力數(shù)據(jù)。

3.4.2 離心泵管道

在當(dāng)前時(shí)期，石油化工企業(yè)中，離心泵運(yùn)行效率提高后，管道力矩、作用力設(shè)計(jì)要求明顯增高。與氣壓機(jī)連接管道一致，相關(guān)人員在分析離心泵管道應(yīng)力時(shí)，應(yīng)使用經(jīng)驗(yàn)公式，查看管道本身應(yīng)力的合格性。之后可按照管道柔性設(shè)計(jì)要求，判斷管道與離心泵連接時(shí)，其力矩是否處于離心泵應(yīng)力范圍內(nèi)，即管道力矩在API－610 規(guī)范中石油化工離心泵允許承受力范圍中。而在布置管道走向時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)減少用彎頭控制管道壓力損失，以保證離心泵進(jìn)口管道內(nèi)液體流動(dòng)的平穩(wěn)性。另外，由于石油化工離心泵在使用時(shí)，多采用一開(kāi)一備模式。所以在管道柔性設(shè)計(jì)中，可聯(lián)合管道工況展開(kāi)應(yīng)力分析工作，進(jìn)而在應(yīng)力核算中，求取離心泵在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的管道力矩和作用力。在此期間，管道力矩可將“冷態(tài)、熱態(tài)吊零”作為假設(shè)條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，石油化工企業(yè)作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)體系的重要組成部分，為確保石油化工企業(yè)中，各壓力管道使用的可靠性、穩(wěn)定性。相關(guān)人員需重視石油化工壓力管道的柔性設(shè)計(jì)，通過(guò)全面、系統(tǒng)的應(yīng)力分析，滿(mǎn)足管道柔性設(shè)計(jì)需求，提高壓力管道柔性。進(jìn)而在壓力管道實(shí)際運(yùn)用中，預(yù)防管道在溫度、外部荷載等因素的影響下，出現(xiàn)斷裂、介質(zhì)泄漏等問(wèn)題，為我國(guó)石油化工企業(yè)安全生產(chǎn) 助力。