徐俊雄
湖南汉华京电清洁能源科技有限公司武汉分公司，湖北 武汉 430065
摘要：随着时代的进步，石油化工企业也迅速发展起来。管道柔性的好坏通常与管道应力有关，目前对于管道柔性与应力分析问题的研究越来越多。在这一背景下首先阐述了石油化工管道应力分析方法，然后分析了管道应力的设计要求，之后说明了管道应力分析步骤及管道布置调整问题，最后通过几种管道应力分析设计，对石油化工压力管道柔性设计要点进行说明，希望能为相关人员带来一定的启示，提高压力管道的设计与布置水平。
关键词：石油化工；压力管道；柔性设计
引言
在石油化工装置中，压力管道是重要组成部分之一，管道设计的合理性直接影响化工装置能否正常运行，一旦管道柔性不足，就有可能导致位置移动，管道断裂等现象。所以相关设计人员都要非常关注管道布置与管道柔性设计问题，要按照工艺要求，提高管道柔性设计水平，本文主要分析了石油化工压力管道柔性设计问题。
1石油化工管道柔性设计相关概述
科技、经济快速发展中，石油工艺技术水平不断提高。在此背景下，具有高压性能的管道被广泛应用在石油化工企业中，与此同时，管道布置、功能参数要求增多。为避免石油化工装置在生产过程中，因管道出现热胀冷缩现象，使得管道衔接处出现泄漏的情况，并且在较大力矩作用下，导致生产设备变形。相关人员需通过管道柔性设计，准确分析管道局部应力，控制管道位移，以预防管道断裂。具体来说，柔性是管道的特征之一，管道柔性能够真实反映管道难易度的概念。石油化工管道在具体运用时，可利用自身变形功能，适应周围温度、设备基础沉降的变化。所以管道柔性是管道在荷载、温度、压力作用的情况下，产生位移、外形变化后，可将管道应力控制在设计范围内的能力。石油化工管道柔性设计的目的，是因为管道使用期间，荷载、内压及温度变化，会导致管道出现各类问题。比如管道应力过大、金属疲劳、支架受力增大时，管道遭到的破坏。或是与管道相连设备在较大推力影响下，导致管道无法正常使用。而通过管道柔性设计，可强化管道系统柔性，使其能够自动适应各类影响因素，防止管道损坏、运行异常等问题的产生。
2管道应力分析的原理与方法
2.1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。
2.2管道应力分析方法
管道应力分析方法通常有:经验法、公式法以及计算机法。计算机分析法已成为设计院进行管道应力分析的主要方法，最常用的是国际流行的CAESＲ/II管道应力分析软件，特点是成熟、精确、快速。
3石油化工重要压力管道柔性设计要点
3.1加热炉转油线
加热炉转油线作为石油化工企业的重要压力管道，在柔性设计中，相关人员需重视以下问题。第一，相关人员在设备布设过程中，应考虑转油线管道柔性设计问题。例如在铺设“常减压”蒸馏设备时，设备结构内的炉子、塔的距离，应确保该区域内支管道可靠近15m，且管道位置与转油线分管道具有对称关系，便于压力管道运输介质分配的均匀性。在此期间，若塔进料口属于切称，应以介质流量均匀分配为核心，若进料口属于切线进入，可将加热炉、进料口中心位置对齐，以均衡各分支管道压力，提高转油线应力计算的便捷性，为加热炉转油线管道柔性设计奠定基础。第二，分析转油线管道应力时，应将加热炉前的炉管作为管道体系的应力部件，以提高转油线管道柔性。此种柔性设计方式，多用于圆筒炉，原因在于圆筒炉管道顶部会增设支架，立管下方设有非固定的管套，使管道在炉管热胀时能够上下移动，同时不影响连接管道使用。再者，圆筒炉顶部支架在管道柔性设计中，可作为移动范围在50mm的承重支架，满足转油线管道应力需求。第三，加热炉转油线管道设计中，若线管内本身含有再生系统，其操作方式、管道垂直度、管道位移会产生明显的差异性，从而使得管道自重、介质重量出现变化。为此，针对该类转油线管道的应力分析，需根据管道实际操作条件，完成管道柔性设计。比如在加热炉转油线管道弹簧支吊架柔性设计中，可在计算正常操作时管道应力后，核算再生系统运行时，管道应力数据。
3.2离心泵管道
在当前时期，石油化工企业中，离心泵运行效率提高后，管道力矩、作用力设计要求明显增高。与气压机连接管道一致，相关人员在分析离心泵管道应力时，应使用经验公式，查看管道本身应力的合格性。之后可按照管道柔性设计要求，判断管道与离心泵连接时，其力矩是否处于离心泵应力范围内，即管道力矩在API－610规范中石油化工离心泵允许承受力范围中。而在布置管道走向时，设计人员应减少用弯头控制管道压力损失，以保证离心泵进口管道内液体流动的平稳性。另外，由于石油化工离心泵在使用时，多采用一开一备模式。所以在管道柔性设计中，可联合管道工况展开应力分析工作，进而在应力核算中，求取离心泵在运行状态时的管道力矩和作用力。在此期间，管道力矩可将“冷态、热态吊零”作为假设条件。
结语
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(如汽轮机、气压机、泵)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。
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