赵会
空气产品（山东）工程设计有限公司南京分公司，江苏 南京 210000
摘要:管道的柔性设计是指在管道运行过程中考虑管道的柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移和管架支撑设置不当等原因造成管道推力和力矩过大。管道柔性分析可以有效避免管道和管口受力超载，为了确保管道和相关设备的正常运行,本文介绍了管道柔性设计的目的和方法,提出了控制离心泵进出口管道应力的具体措施,供工程实践参考。
关键词:管道柔性设计;应力分析;受力校核
1.引言
随着石油化工的飞速发展，离心泵也成为工厂中不可缺少的设备。它是工业领域最重要的输运设备之一,工厂中的物料介质有冷态和热态也有气态或是固态,离心泵管道常被用于输送液体物料。设计管道时,经济合理,安装检修方便,美观，最重要的是必须保证具有足够的安全性。对离心泵管道进行设计时应当首先遵守柔性设计准则。另一方面,对管道进行应力分析是管道设计的基础,通过合理的应力计算,可对管道进行完整的强度与安全评估。
2.管道应力分析的需要完成的内容
压力、重力、风、地震、压力脉动、冲击等外力荷载和热膨胀的存在，是管道产生应力问题的主要原因。其中，热膨胀问题是管道应力分析所要解决的常见问题和最主要的问题。管道应力分析的作用：
1）计算管道的应力，保证管道自身的安全（防止法兰泄漏）；
2）计算管道对其相连的机器、设备的作用力，并使之满足规范要求，保证机器设备的安全；
3）计算管道对支吊架和结构的作用力，为支吊架和土建结构提供受力依据；
4）计算管道位移，防止位移过大，造成支架脱落或管道与其他物体碰撞；
5）通过计算，选择合适的弹簧支吊架。
3.管道应力分析的分类
在管道应力中分为两大类:一次应力和二次应力。
一次应力:指的是由于外在的压力,重力,外加荷载而产生的应力。其特点是:无自限性,外加荷载在增加时,一次应力也随之增加,满足与外加载荷之间的平衡关系,压力一旦超过了管道材料的承受能力,管道会因为塑性变形被破坏。由此可见,一次应力的产生是由于持续外荷载而产生,管道承受的持续外荷载是自重、介质重量及介质内压等。
二次应力:当管系由于热涨冷缩、端点位移等位移荷载的作用所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必须的应力。二次应力具有自限性,即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续得到满足，从而变形不再继续增大。一般来讲，不反复加载，二次应力不会导致管道破坏。即二次应力主要是疲劳破坏，但是，当位移极大，局部屈服或小量变形不足以使位移约束或自身连续变形得到满足，管道也可能在一次加载中发生破坏。
一次应力没有自限行，所以，它比二次应力更加危险。在实际运行中，计算结果不满足 要求，通常存在以下问题：
1)一次应力超标:缺少支吊架;
2)二次应力超标:管道柔性不够或三通须加强;
3)冷态位移过大:缺少支吊架;
4)热态水平位移过大:缺少固定点或∏形弯、管托应加长;
5)机器、设备受力过大:管道柔性不够、支吊架设置不合理;
6)固定支架、限位支架水平受力过大:固定点、限位点位置选择不当或管道柔性不够；
7)支吊点垂直力过大:考虑采用弹簧支吊架;
8)支吊点脱空:考虑采用弹簧支吊架;
9)弹簧荷载、位移范围选择不当:人为进行调整;10)计算工况组合不当:人为进行调整。
并不是只有持续荷载能够产生一次应力,风或地震等偶然荷载作用时引起的也是一次应力，对于偶然荷载,不需考虑风和地震荷载同时发生。严格地说，风和地震都属于动力荷载，但由于动力学分析方法过于复杂，难以应用于实际 工程设计，所以，考虑风和地震荷载时，均采用等效静力法来完成。该方法将风和地震荷载的作用转化为静力荷载，然后采用静力法分析。
GB50316并没有对风和地震荷载给出具体的计算方法，ASME B31.3也只是简单地说明需要根据气象和场地数据确定。对于风荷载，我们通常通过查取当地基本风载体型系数和风压高度，通过CASEARII，进行计算。对于地震荷载，我们通过查取地震加速度，带入CASEARII来计算该管道所受地震荷载的影响。
4.管道柔性设计的目的
管道柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性,防止管道因热胀冷缩、端点附加位移和管道支撑设置不当等原因造成的下列问题:
管道应力过大或金属疲劳引起管道破坏;
管道连接处产生泄漏；
管道推力和力矩过大,使与其相连接的机器、设备产生过大的力和变形,影响设备正常运行或造成管道支吊架破坏。
5.离心泵管道柔性设计的实施方法
离心泵的配管设计，在两台或三台泵并联时，一般是一开一备，或两开一备，泵间管道热膨胀产生的作用力，往往是泵超标的主要原因 。
管道设计过程中,改变管道走向、增设波纹管膨胀节或者选用弹簧支吊架的方法可以用来增加管道的柔性。若条件允许,增加管道自身柔性的首要方法是考虑改变管道的走向或选取合适的弹簧支吊架。若管道的受力其中一个方向受力过大时,应当相应的增加其垂直方向的管道长度,使管道在该方向受力降低;当管道在垂直方向由于刚性支架约束变形而应力过大时,可以将支吊架换为弹簧支吊架,为垂直方向留出足够的变形位移 ,从而增加管道的柔性。
针对离心泵管道的设计应当注意,管道进出口处必须拥有较高的柔性,以减小管道作用于管口处的力和力矩。在管道支架设置方面,应注意以下几点:
首先,应该在阀门附近设置支吊架,避免由于阀门重量作用于导致泵管口超载;
其次,靠近泵管口处的支吊架，如存在垂直位移,应考虑选用弹簧支吊架,以使得热态时支吊架不会脱空,仍能承受管道载荷; 再次，在管系中的对称位置附近设置限位或导向架,避免远端管口的水平推力作用于泵口处;同时，若离心泵的管道出口竖直向上,则应当在泵口近处的拐弯道设置支架,同时在泵口上最近的拐弯处设置吊架;
最后,未经泵制造厂许可,不得将支架在安装在泵底座上。
对于离心泵管道,应当慎重选用膨胀节补偿。膨胀节的制造较为复杂、价格高，适用于低压大直径管道。波纹膨胀节是管道中的薄弱环节，应尽量避免采用，除非工艺流程强烈要求。使用金属膨胀节应注意以下事项:首先,当设备间距太小,场地受限无法满足柔性需求；其次,为达到最小压降要求;再次,泵口的压力无法通过自然补偿来减小;最后,自然补偿比膨胀节补偿的投入更高。
6.离心泵管道应力分析的遵循条件
泵属于回转设备,过大受力会造成变形、振动,甚至损坏设备，因此泵管道应力分析至关重要。离心泵管道应力分析遵循:第一,确保应力分析后的泵口外力不超过泵的受力极限;第二,应力分析后对管道提出的改造必须符合工艺要求;第三,泵口受力满足要求后,宜采用简洁合理的布置方式,尽量减少弯头数量;第四,管道的布置应当便于管道后期安装和检修。
7.离心泵管口受力校核标准
离心泵管口受力不应超过制造厂提供的许用值;在制造厂没有提供许用值的情况下,可用美国石油学会标准API610中有关离心泵管口受力的规定,由于此规定比较苛刻，在厂家允许的情况下，可按单方向2倍来校核。
8.结语
与管道相连的动设备都有很严格的受限,它们所允许的推力和力矩应遵照相应的规范,在满足许用应力的条件下，解决由热胀引起的管口受力过大,最好是用采用自然补偿。管道柔性设计应当满足的标准为:首先,确保管道中所有点的一次应力和二次应力不超过规范规定的许用值;其次,分析管道管口对设备的推力和力矩,并控制在允许范围内;最后,管道的最大位移能必须满足管道布置的相关要求。
参考文献
唐永进，压力管道应力分析（第二版），中国石化出版社，2012
宋岢岢，管道应力分析与工程应用，中国石化出版社，2020