在石油化工管道工程设计中, 管道设计的关键点在于管道应力分析。管道设计人员在化工设计环节不能凭着主观意愿进行设计, 而是应综合考虑相应的管道应力情况, 从而使其可以在相对较好的状态之下进行安全运行。具体来说, 管道应力分析是对管道应力进行科学化计算的力学分析[1], 从而保证分析结果能够符合标准化要求, 最终实现管道与相连机器、支吊架、相关设备以及土建结构方面的安全化。与此同时, 在实际工作过程中, 还必须要保证管道设计的高效化, 防止设计期间出现较大纰漏, 保障化工生产顺利开展。
1 管道应力分析的目的
从管道应力分析主要目的角度出发, 主要是借助对问题的合理解决来实现管道可靠性以及安全性。
在初步设计阶段, 一般情况下, 工艺介质在高度差、输送距离以及角度方面存在特殊性要求或者是大直径管道都必须要在柔性分析研究的基础上, 明确高温高压管具体布置情况, 从而方便设备的有效布置, 实现总图布置过程中的统筹规划以及合理化布局。
在详细工程设计阶段, 进行应力分析的目的包括以下几方面:
1.1 保证管道应力必须要在规范范围内;
1.2 设备管口荷载满足制造商标准化要求;
1.3 准确计算管道支吊架具体荷载数值;
1.4 科学处理管道动力学方面的各种问题;
1.5 实现配管的优化设计。
2 管道应力分析的过程及范畴
编制管道应力分析规定, 明确必须要进行详细分析的管道。有效接收管道应力的具体分析轴测图与基础性数据;采用CAESERII应力分析软件[2], 科学建立模型, 然后再进行合理化分析, 最终查看结果, 有效调整管道模型, 促进应力校核评定的顺利完成;然后编制相应的计算书, 并向配管专业进行计算结果的提交。对于不需要详细应力分析的管道, 配管设计人员也要通过目测或简化分析方法进行简单的应力分析。
一般来说, 下述管线应严格进行计算机辅助计算分析。
2.1 与具有对载荷敏感的转动机械相连的管线, 包括以下几类:
2.1.1 与泵的进出口相连的管线, 泵口荷载校核依据操作工况下的载荷进行, 当管线操作条件为以下条件时, 应做详细应力分析.
(1) 正常操作温度大于等于150℃或者是小于等于~140℃, 且公称直径大于或等于DN100 (4”) 的管线;
(2) 正常操作温度大于等于120℃或者≤~90℃, 且公称直径大于或等于DN300 (12”) 的管线;
(3) 正常操作温度待遇等于150℃或者是≤~140℃, 且管线公称直径大于管口公称直径的管线。
2.1.2 与往复泵、离心压缩机 (泵) 、透平相连接的管线, 由于设备管口载荷校核按照实际操作中的载荷实施, 若进出口管线的温度大于120℃, 则必须要进行科学详细的应力分析, 保证最终结果的规范化。
2.1.3 公称直径不小于DN100的其它转动设备管道。
2.2 与对应力敏感的设备相连的管道, 应进行应力分析, 包括以下几类:
2.2.1 与按照SME第Ⅷ卷第二章部分设计的设备相连的管道;
2.2.2 加热器相连管道;
2.2.3 铝制设备连接的管道;
2.2.4 进出加热炉、蒸汽发生器管道以及再生及除焦管道;
2.2.5 负责汽轮机进出的蒸汽管道;
2.2.6 能够与衬里设备紧密相连的管道;
2.2.7 公称直径为DN300及以上的储罐管道, 考虑基础沉降的影响。
3 管道应力分析的实例
以某芳烃抽提项目抽提蒸馏塔中段再沸器返回抽提蒸馏塔管线为例, 本管线基础数据:管径DN600 操作温度143℃, 设计温度193℃, 操作压力0.15MPa G, 设计压力0.4MPa G等。
应力计算前, 管线走向如图1。
其数据显示, 设备管口因热胀受力很大, 力矩远远超出设备的承受能力。经过改变管线走向, 调整支架后, 见如图2:
通过延伸管线南北方向的管线长度, 增加弯头, 使热胀力在弯头处消减, 大大减少了管口受力和扭矩。从而满足了设备管口受力要求, 使整个系统能够安全运行。当管道应力不能满足规范要求时, 一般通过以下三种方式来调整: (1) 改变管道的走向, 以增加整个管道的柔性; (2) 调整支吊架的型式或位置; (3) 选用补偿器。
4 结语
综上所述, 通过管道应力分析能比较准确的评估和掌握管道的安全裕度, 采取有效措施避免出现管壁破裂或法兰泄漏, 或设备发生有害变形而不能正常运转, 或管道出现振动。同时, 还能有助于合理地布置管道, 有效地设置支撑, 做到经济可靠。
摘要：管道应力分析在管道设计中的重要作用及分析过程, 结合工程项目的实例说明应力分析为管道设计提供了可靠保障。
关键词：应力分析,管道设计,柔性
参考文献
[1] 许永欣, 张强。化工设计中的管道应力分析[J].辽宁化工, 2003, 32 (3) 117~119.
[2] 姜崴.管道应力分析软件在化工设计中的应用[J].山西化工, 2004, 24 (2) 65~67.