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浅析石油化工管道应力设计

2019-12-30 353 上传者：管理员

摘要：在石油化工领域，管道设计十分的特殊。因为是重中之重的工作，故需承受巨大的压力，有着较大的难度。为了保障石油化工系统管道价值能够得到最大体现，为了处理好设计要求，应力分析作为其中最为关键的一环，需要注意其中的问题与影响因素，以管道应力的设计为探讨对象，对应力种类与常见类型进行分析，并结合其特征对应力的具体处理方法进行分析。

关键词：
分析应力
应力设计
石油化工
管道设计
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面对社会的快速发展与进步，如今我国的石油化工领域得到了非常好的发展，与之对应的是，人们对石油化工生产提出了越来越高的要求。为了保障石油化工系统足够可靠，就需要从石油化工系统特征着手，分析其设计要点、设计要素，确保其高效、合理。设计石油化工系统的过程中，需要做好管道材料合理应用与有效布置。如果设置不够合理，很有可能会埋下安全隐患。设计石油管道时，需要将应力作为最重要的考虑因素，其直接影响着管道运行质量，需提高关注度。

1、管道应力分类

为确保在设计石油管道过程中，能够有效处理其中的应力因素，减少应力带来的负面影响、负面威胁，就需要先行掌握应力设计要点和应力主要表现。在掌握应力特征以后，才能够设计出更为合理的石化管道。当前常见的主要有下述几种管道应力类型。

1.1 一次应力

从目前的石化管道使用情况可以看出，这种应力属于最常见类型。一次应力包括管道本身的外载应力、内压力与自重因素^[1]。这些应力都会直接影响到石化管道自身。如果这类应力处理没有考虑好平衡要求，协调好应力关系，将无法保障其平衡性得到保障，甚至有可能会出现管道破损的情况。该类型的破损难以顺利控制，根据一次应力本身机制，可以分成一次弯曲应力与一次膜态应力。

1.2 二次应力

石化管道运行中很容易受到各种外界因素的干扰出现变形问题，变形通常会引起阻碍作用力、正应力与剪应力。也就是说二次应力为外界因素引起的一种应力，并非自然存在的应力^[2]。石化管道形变以后就会出现这种形态、状态。例如热应力，在石化管道中，热应力非常常见，热应力看似十分自然，实际上同样也属于二次应力，即在外在因素作用下引起的应力。管道材料在运行中出现温度变化，进而引起形变，这种形变就是二次应力。

1.3 峰值应力

石化管道运行中假设自身结构出现明显应力集中问题，就会在一次应力、二次应力的作用下发生总应力变化问题。这种应力变化就是所谓的峰值应力。峰值应力涉及领域小^[3]。不过威胁与影响最为突出，很容易引起管材质量问题，比如疲劳裂纹、破损，故需要提高关注度。

2、化工管道应力设计办法

2.1 柔性设计

设计石化管道系统的应力问题时，为了保障设计水平、设计有效性，减少应力因素带给管道系统本身的负面影响与不良威胁，就需要将柔性设计当做是重点考虑问题。这是因为柔性设计本身就体现出了材料的特征。石化管道设计中，所用管材本身就有柔性的特点，在保障管材柔性系数达标以后，才能够在实践中体现出应有的适应能力，满足不同的工作环境，减少应力带来的负面问题，比如破损情况。石化管道的设计工作人员需要将柔性设计考虑在内，理解与掌握柔性设计要求、追求、价值与特征。这样在后续管道的设计中才能够用多种多样的方式，保障柔性属性发挥最大化作用。

当然管道柔性因素设计中除了要将热胀冷缩考虑在内，还要将下面的端点附加位移列入其中，具体包括静设备在热胀冷缩过程中发生的连接管道位置位移；转动设备在热胀冷缩的作用下连接管道发生位移；加热炉管过程中加热炉出口部位发生位移；储罐设备在沉降后发生连接部位位移；支管端点发生位移。

管道应力如果过大就会导致支架遭到破坏与金属疲劳。管道柔性直接反映着变形难度。一般来说可以用改善管道受力情况的方式，比如改变管道走向、增加自然补偿力方式解决。这种方式不仅投资少同时构造也十分简单有着不错的可靠性，得到了广泛使用。当然也可以用补偿器，补偿器有着很好的补偿能力，不过造价高昂且比较复杂。

2.2 材质物理特点管理

在设计石化管道应力系统的过程中，为了保障设计足够合理、足够实用与可靠，减少管材带来的负面影响和异常问题发生频率，就需要慎重选择管材料，这是石化系统最重要的工作之一。要理解不同管材有着不同物理特性。管材不同的物理特性会带给其不同的表现差异。不同应力环境下这些管材的稳定性和表现也大不相同。在实践中需要结合与围绕石化系统不同领域的具体应用要求合理选择管材。

例如管材膨胀系数就是需要慎重考虑的要素。因为管材运行中受热胀冷缩因素影响，管材很有可能会发生膨胀问题，如果管材膨胀系数并不稳定就会出现裂纹以及渗漏情况，无法保障石化管道发挥定位中的应有作用，性能无法满足管材使用效果。此外还要做好管材应力、泊松比、柔性系数、弹性模量等因素的考虑。以上因素都是需要慎重考虑的问题，是管材使用、管材选择必须要重点考虑的问题。以上系数指标直接影响着后续管材应用功能效果、使用效果。如若其中哪个方面没有得到充分考虑，都会对管材稳定性造成负面威胁、负面影响，无法让管材在运行中发挥应有的作用与特性。

2.3 关注热应力因素

石化管道在运输石化资源的过程中，因环境密闭且石化原料本身就有一定的流动性所以会出现较高的温度，故热应力是石化管道在使用过程中需要重点考虑的应力问题。石化管道的应力设计需要做好管材应用效果的考虑，将热应力作为核心的一环，保障管材使用效果、使用质量。热应力带来的影响非常明显，影响十分深刻，其直接威胁与影响着管材。在设计管道系统的过程中需要充分考虑热应力因素。管材运行中很容易受到热应力因素影响遭到破坏，在到达峰值以后出现疲劳裂纹，甚至引起渗漏现象发生。许多连接点区域都是高几率渗透区域。对于石化管道运行中常见的热应力问题，在设计过程中需要将管材本身的柔性因素考虑在内，结合管材柔性特征，详细分析、合理优化管道走向，减少热应力带来的负面影响与威胁，保障管道足够通畅、足够流畅。着眼于管线走向角度出发，合理设计管线出路，保障管线足够柔性、足够合理。对于管材使用过程中面临的法兰问题，除了要选用性能可靠的法兰以外，也要保障焊接的有效性，用焊接方式取代法兰能够进一步提高热应力的稳定，且焊接方式也是缓解管材热膨胀问题最有效的方式。

2.4 合理使用支吊架

对于石化行业来说，管道设计过程中，对于应力方面的考虑需要将重心放在支吊架合理使用，其效果十分突出，意义十分重大，能够有效调节应力状态、应力效果，为管材稳定运行提供稳定、高效的保障，减少外界因素对管材带来的负面影响。管道在系统设计过程中，支吊架应提前做好应力方面的计算与分析，保障其足够合理、足够可靠，形成稳定性十足的平衡结构、平衡效果。支吊架应用过程中，限位吊架与刚性吊架都要详细分析，保障所有种类的吊架都能够发挥其自身定位应有的显现效果。通常来说，石化管道系统最合理的吊架种类就是刚性吊架，刚性吊架能够很好地支撑管材，保障管材稳定。并且刚性吊架抗振动效果十分突出。不过同样需要注意的是，刚性吊架需要保障吊架位置足够合理，体现稳定性追求与要求。要减少位置因素带给吊架稳定性的负面干扰，以防杠杆效应发生。

3、结语

设计石化装置管道的过程中，需要做好应力因素的慎重分析，其对管道系统安全性有着重要意义。只有了解了管道应力详细因素，才能够更好地设计需要规避与考虑的问题，保障管道安全性与稳定性。以管道应力类型为出发点，简单介绍了不同种类的管道应力，希望设计人员能够通过了解与区分不同应力现象与需要控制的要点。结合本文所提出的应力控制、应力设计思路，选用最佳的解决方案，保障应力问题能够得到有效处理。

参考文献：

[1]刘俞瀚.石油化工管道设计中基于应力分析的柔性设计[J].石化技术,2019,26(1):316.

[2]刘建龙,魏世航.石油化工管道设计要点解析[J].产业与科技论坛,2018,17(21):47-48.

白春海.石油化工管道应力设计探究[J].化工设计通讯,2019,45(10):25-26.