石油化工管道应力设计

强瑞王礼柱

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摘要：石油化工管道是化工运输系统的有机组成部分，与石油工业设备相连。应力对于管道的运输环境、性能和寿命至关重要，因此，强调应力概念对于确保管道的安全运行很重要。本文简要介绍了管道应力的分类、管道应力分析，解释了管道应力研究的内容和应用，并就石油化工行业管道应力计算提出了建议。

关键词：石油；化工设计；管道应力

应力设计是石油化工管道设计的重要组成部分。设计管道时，工程师应消除主观假设，充分考虑管道应力状态，并合理高效地保持设计意图。

一、应力概述

应力是物体不同部位之间相互作用的内在力，外力、温度和湿度等外部因素都会对应力产生影响。影响石油化工企业管道结构的因素包括管道内部的热膨胀、外载力、冷缩力、内部压力等，同时，化工管道还受管道内流体特性和操作条件的影响。石油化工管道运行时，如果管道的最大承载力超过管道结构，就会产生管道变形。因此，管道设计中必须考虑到不同应力对管道结构的影响，并在管道设计中考虑到不同工况下的应力条件、管道破坏程度等。

二、石油化工管道应力设计的必要性

21世纪石化装置向大型化、一体化方向发展，工艺管道的管径、壁厚也随之变粗变大，温度和压力也随之变高，复杂管线可能存在压力、重量、温度、风、海浪、土壤约束、地震、动设备的振动、阀门关闭开启导致的水锤气锤等外力载荷作用，导致运行的石化装置风险很高，为保证管系自身及与其相连的设备及支吊架和土建结构的安全，需要对管系进行应力分析计算。石油化工管道的应力计算可以消除介质运输中的负面机制，确保介质高效稳定传输，提高介质传输效率，同时应力计算可以提高管道的安全性，降低装置发生灾害的可能性，是优化石油化工装置管道系统的重要手段。

三、管道应力分类

管道所承受应力超过管道材料的相应屈服强度时，并导致材料的塑性变形。管道应力分析的任务实际上是在满足标准规范的前提下对管道进行包括应力计算在内的力学分析，从而保证管道自身和与其相连的机器、设备以及土建结构的安全。管道应力可分为以下类别：

1.一次应力：是由压力和重力引起的应力，这些应力是非自限性的，可实现有效的平衡。压力随外部面上载荷的增加而增大，当一次应力值超过材料的相应屈服极限时，将发生塑性变形和管道损坏。因此，在管系的应力分析中，首先应使一次应力满足许用应力值。

2.二次应力：是指由于变形受到约束而产生的正应力或剪应力，二次应力具有明显自限性，对于局部屈服或者小量变形，过高的二次应力可能导致管道疲劳和损坏。通常，管道的热膨胀、冷收缩和末端位移会引起二次应力。

3.峰值应力：是由于管道局部结构中缺少连续性或局部热载荷而引起的一次或者二次应力增加。峰值应力不会导致管道变形，峰值应力可能导致疲劳裂纹以及脆性破坏。

四、石油化工管道应力分析

石油化工装置的应力分析方法有解析法、数值法等，而工程实践中，多应用有限元方法，尤其是采用CAESAR II 软件对工艺管道进行有限元分析的方法，应用最为广泛。工程项目管道应力分析时，首先应编制应力分析统一规定，然后确定需要详细应力分析计算的管道，随之绘制管道应力分析三维图，并对管系进行分析计算，最后根据计算结果编制详细的应力计算报告。

石油化工装置应力分析可分为静力分析和动力分析：

1.动力分析：在分析实际管道预应力过程中，钢流体动力学分析可以准确、科学地估计管道应力，为管道应力设计奠定基础。石化管道应力分析时，首先应进行管道地震分析；其次需进行往复压缩机和泵的固有频率和振型分析，避免发生机械共振；同时，需进行往复压缩机和泵的强迫振动分析，防止管道因振动发生疲劳破坏；另外，需进行往复压缩机管道气体压力脉动的声学模拟，避免气柱共振和压力脉动过大；此外，还需对水锤，安全阀泄放载荷和两相流所产生的支架载荷进行计算。

2.静力分析：石化装置管道静力分析时，首先需计算管道中的应力，保证自身安全；其次需计算管道与其相连的机器、设备的作用力，使其满足标准规范；同时，需计算管道对支吊架和土建结构的作用力，为支吊架设计和土建结构设计提供依据；另外，需计算管道位移，防止位移过大造成支架脱落或管道碰撞，并为弹簧支吊架选用提供依据。

五、石油化工管道应力设计策略

1.柔性设计：在石油化工装置压力管道的设计过程中，设计人员首先应具有柔性设计理念，以更好地控制石油化工管道的优化设计，使其能够对各种应力做出最佳反应，避免严重的应力损坏。从石化管道本身来看，它们通常是柔性的，如果石化管道的应力满足相关要求，将更好地体现其良好的适应性，有助于提高后期应用的稳定性，这就要求设计人员密切关注石化管道的设计以及柔性要求和相关特点。在设计石化管道的柔性应力时，应特别注意考虑石化管道的热膨胀和冷缩，使相关管道能够适应未来的运输条件，不会因温度影响而造成严重损坏。

2.管道选材：在石油化工装置管道应力分析时，从管道材料本身入手是非常重要的，也是未来工艺管道可靠运行的重要前提。在选择管道材料时，设计师应综合分析和考虑不同类型管道材料可能产生的不同暴露模式和特殊影响，然后选择最适合石化工艺管道的材料，以避免管道性能出现问题，对未来长期运营产生不利影响。设计师应强化关键管道材料指标的综合评估和分析，避免管道材料不适应现象的产生。

总之，石油化工装置管道应力设计非常重要，为了有效地预防和控制管道应力的负面影响，设计人员必须在充分了解应力分析原理的基础上，运用先进科学的设计方法，严格落实各项标准规范要求，确保石化工艺管道高效、安全、稳定、可持续运行。

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