石油化工管道设计应力分析基础上的柔性设计

在石油化工行业中，管道是石油化工行业的生命线。管道设计对石油化工行业的发展具有重要意义。近年来，发生了多起石油化工厂事故，热煨弯管使石油化工管道的性和性在社会上引起了广泛关注，石油化工管道设计工作的重要性日益突出。管道设计工作是非常复杂的，主要包括四个部分，分别是管道应力分析、管道布置、管道材料设计和设备布置，其中管道应力分析是管道设计的基础和关键。管道应力分析对管道的性、性和经济性具有重要影响。通过应力分析分析，可以为管道做出强度与性的评价，为管道的经济分析提供依据。目前柔性设计在管道设计中广泛应用，在应力分析基础上的柔性设计成为石油化工管道性和性的重要。

1管道应力简述

在管道设计中，为了方便针对管道的强度破坏进行研究及管道的刚度破坏进行研究，引入应力这一概念。受外界因素的影响，包括温度、湿度等因素，通常材料会发生变形，材料内部为了抵抗这种变形，内部各部分会相互作用产生内力，这时候在材料截面上，单位面积上产生的内力就是应力。管道的应力主要是由于管道承受内部压力、外部压力以及热膨胀引起的。当管道材料内部产生的应力已经达到较大值，此时仍不能抵抗外部载荷，这样会使管道的强度遭到破坏。

1.1管道应力分类

管道往往要受多种外部压力的共同影响，不仅受热负荷的影响，也要受机械载荷的影响，此外还要受压力载荷等的影响。由于管路不同，管道的区域不同，在外部压力作用下，管道会产生不同性质的应力。管道应力主要包括以下几类。一类是一次应力。管道在受到冲击荷载、内压等作用下会产生剪应力和正应力，这就是一次应力。一次应力与外力相平衡，保持管道不变形。如果为了平衡外力，一次外力超过了，管道会发生塑性变形，从而遭到破坏。所以要留有足够的宽裕度，以材料不发生屈服。一类是二次应力。管道受到外界压力，发生了变形，变形会对材料产生束缚，在这种情况下管道产生的剪应力和正应力就是二次应力。二次应力主要是为协调变形而产生的应力，它不能直接与外力平衡。二次应力具有自限性的特点，只要有发生细小塑性变形就会使二次应力变低。交变的次数会影响二次应力的界定，交变的应力范围会直接决定二次应力的范围。一般情况下，管道重复受二次应力，会产生疲劳破坏。三类是峰值应力。所谓峰值应力就是较高值应力，当荷载发生突变，当管道结构发生的突变，这时候局部应力不会集中，从而产生峰值应力。通常在管道的转弯处、气孔处和焊接处会产生峰值应力。峰值应力不会引起管道的显著变形，但会给管道带来疲劳性裂纹。

1.2管道应力分析目的

无缝弯管管道应力分析主要是通过解决各种问题来管道的性和性。像管道的强度问题、管道的震动问题等都需要通过用力分析来解决。同时，管道应力分析可以为管道布置提供的依据，为管道安装提供的参考。具体来说管道应力分析目的主要有以下几点。一是管道设计符合要求。石油化工管道对有的要求，根据我国的相关规定，主要从三个方面来评判管道的性能，分别是密封性、性和耐压强度。其中耐压强度主要是通过通过管道应力分析来实现的。二是装置运行的性。石油化工管道通常输送的是一些易燃易爆的物品，管道布置合理，不会有任何隐患在装置运行中。在布置管道的时候，如果不够，管道就会出现应力问题，带来隐患。例如当管道的热应力过大时，会导致管件损坏等问题，影响生产。管道布置不合理，在动力设备旁，会发生共振现象，影响整个系统装置的运行。应力分析可以为管道布置提供依据。

2管道柔性设计

近年来，在管道设计中引入了柔性设计的理念，进一步提高了管道设计的水平。管道有一个重要特征，就是它有的柔性。柔性是管道的一个重要性能。当温度变化时，管道会通过自身变形来适应温度变化，这是管道柔性的一个表现。当设备基础沉降时，管道会通过自身变形来适应位移的变化，这也是管道柔性的一个表现。当外界发生变化时，管道通过自身变化来材料上应力在可控范围内，从而管道的性能。由于温度变化、内压变化、荷载变化等，管道会出现不同程度的损坏，主要包括以下几个方面。一是管道由于应力超过的范围而产生了破坏。二是管道支架由于推力过大而遭到了破坏。三是管道发生泄漏。四是与管道相连的设备由于管道变形而不能正常运行。管道柔性设计正是要防止这些问题的产生。下面介绍几种增加管道柔性的措施。

一是用弹簧支吊架支撑管道。用弹簧支吊架可以的增加管道的柔性。在管道的支撑点，用弹簧支吊架，支撑点就不用受垂直位移的控制。同时弹簧吊架不宜连续使用，会影响管道的稳定性。二是改变管道的几何布置。在增加管道柔性的时候，这是一种较理想的方法。不管是在二维平面内的管道布置，还是在三维空间内的管道布置，改变管道几何布置的方法是相同的，一种方法是增加弯头的数量，一种方法是增加管道的长度。同时在改变管道的几何布置的时候，要管道两端点固定不变。三是增设膨胀节。虽然改变管道布置是增加管道柔性比较理想的方法，但在一些条件和情况下是不能采用的，比如管道的直径太大，比如管道的设备工艺有要求，比如受到场地的限制。弯管在这些情况下可以通过增加膨胀节来增加管道的柔性。但是波纹膨胀节一般在管道系统中是比较薄弱的环节，制作工艺非常复杂，而且成本也非常高，所以在管道设计中一般都尽量避免使用。