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【摘 要】在石油化工装置中，管道设计是主体专业，管道设计的依据与管道设计的内容基本相同，怎么样才能设计出既安全又合理的布置是现在石油化工装置面对的一大难题。管道是石油化工装置的重要组成部分，它不仅对各种设备与相关系设施起连接作用，而且还是是石油安全输送之保障。本文针对化工设计中管道柔性设计和管道应力分析进行探讨，对管道设计中应力作用进行分析，为优化管道柔性设计与石油的安全输送等方面发挥了重要作用。
【关键词】化工管道；应力分析；柔性设计
引言：
由于历史、管理、技术等各种原因，在石油化工行业中，管道设计的可靠性和安全性问题在近年表现得日益突出，而管道的应力分析工作则是管道设计安全、经济、合理的保障和重要方式。管道设计主要包括装置的设备布置、管道布置、管道材料设计以及管道应力分析四项工作。
一、管道应力的概念
管道的应力，主要是由于管道承受内压力和外部载荷以及热膨胀而引起的。管道在这些载荷作用下的应力形态是复杂的。管道应力分析与计算，是管道设计的基础，可为管道做出强度与安全性的评价，也可为管道的经济分析提供依据。
为研究并控制管道的强度破坏和刚度破坏，引入应力这一概念。管道应力的概念避开了管子及其元件的规格尺寸、壁厚等因素的影响，只要外部荷载使材料产生的应力超出材料本身的强度指标，即可认为管子及其元件将要发生强度破坏。
（一）管道的类别
管道在压力荷载、机械荷载以及热负荷等作用下，整个管路或某些区域产生不同性质的应力。
因此，管道上的应力，一般可分为以下三类：
1.一次应力：由于外加荷載的作用而产生的应力，其本身与外力平衡。
2.二次应力：由于变形受到约束所产生的正应力或剪应力，其本身不直接与外力相平衡。
3.峰值应力：由于荷载或结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的最高应力值。
（二）为何进行管道应力分析
管道应力分析的目的主要是解决管道的强度、刚度、振动等问题，为管道的布置、安装、配置提供科学依据。其具体体现以下几个方面：
1.关于管道系统设计的安全性
管道安全性能的总体要求包括耐压强度、耐腐蚀性和密封性三方面。
2.关于装置运行的安全性
管道布置如果不合理，整个装置运行过程中就会存在安全隐患，并可能产生各种应力问题。
如管道在温度变化时产生的热应力过大，则会导致下列各种现象的发生：设备管口就会被拉坏或顶坏，各管件连接处损坏，管架被推坏，更有严重者还会发生燃烧或爆炸。
二、管道柔性设计的概念
管道的柔性是指管道通过自身变形来吸收因温度变化而发生的尺寸变化或其他原因所产生的位移，进而保证管道上的应力在材料许用应力范围内的性能。
（一）管道易发生的损坏
因此管道柔性设计的目的就是为防止管道由于温度、内压、荷载、支架限制或端点附加位移等情况发生如下损坏：
1.因为应力过大产生管道破坏。
2.管道所受推力或力矩过大导致与其相连设备产生的应力过大或变形而不能正常运行。
3.管道所受推力或力矩过大而引起管道支架破坏。
4.管道的连接处发生泄露。
（二）解决管道问题的途径
为解决上述问题，在工程应用中增加管道柔性时一般采取下列途径：
1.改变管道的几何布置
原则上来说，改变管道的几何布置（L型或π型等），是增加管道柔性最理想的选择，在管道两端点固定的前提下，无论是二维平面内还是三维空间内或者二者组合后改变管道走向，都是通过增加管道长度和弯头数量的方式来增加管道的柔性。
2.在管道支撑时选择弹簧支吊架
弹簧支吊架可以适当释放所支撑点对垂直位移的约束，进而增加管道柔性。但是如果连续使用弹簧，会对管道的稳定性有一定影响。
3.增设膨胀节
当管径较大、场地空间有限并且需要的补偿量又很大，或设备、工艺等有特殊要求的情况下不能应用改变管道走向时，通常会在管系中增设膨胀节。但是由于波纹膨胀节制造复杂、价格昂贵，并且是管系中的薄弱环节，应尽量避免使用。
三、例举工程案例
某30万吨/年烧碱项目，储罐（碱液，浓度0～31%，）与两台离心泵的进出口管道，其原始数据为：
管道材质SS.SMLS.A790 TP31803；管道规格6.625*0.28（in）；
保温厚度1.5（in）；工作温度T1=188（℉）；工作压力P1=47（lb/in2）；设计温度T2=203（℉）；设计压力P2=69（lb/in2）；水压试验压力P3=103（lb/in2）。
该管系管道原布置如下图1所示：
根据标准AP I 610《一般炼厂用离心泵》校核，泵入口管道受力FX，力矩MY、MZ均不符合要求。
由于离心泵气蚀余量问题，要求该泵入口管道短而直，这就否定了改变管道走向的方案，另外泵入口管道要求保证同轴度，这样用增设弹簧支架的方案也不合理。
因此，最终的解决方案是在两台泵入口法兰前采用了波纹管道膨胀节，原来节点205、305的刚性承重架保持不变。经过计算两台泵出口位置受力情况如下：
同样根据标准API 610《一般炼厂用离心泵》校核，泵出口管道受力FY，力矩MX均不符合要求，并且节点725、905两处刚性支架处于脱空状态完全不受力失去作用。
离心泵出口管道，并没有特殊要求，也就没有必要将节点725、905两处刚性支架改为弹簧支架。因此最终采用了改变管道走向的方案。
该管系管道经过优化后的最终布置如下图2所示：
优化后各管口受力情况如下：
在上述两台离心泵出口管道优化过程中，不仅解决了泵口受力问题，同时将两根出口管道上的操作阀改为安装在水平管段，这样既降低了操作高度，又方便了支撑，同时大大降低泵出口的垂直荷载，并且在整个管系中避免了使用弹簧支吊架。
结束语：
综上所述，管道是石油化工装置的重要组成部分。从应力角度进行理论分析的管道应力分析，为管道系统所需研究的每一节点提供强有力的理论依据。以管道应力分析计算结果为基础的管道的柔性设计，结合工程实际情况所做出的更有利于工程实际的管道设计，柔性设计不仅仅满足管道和设备的应力要求，还结合了工艺等更多方面要求的管道系统设计。在一定的基础上解决了管道在工作时遇到的因热胀冷缩、端点附加位移、支架设置不当等原因产生应力过大、变形、泄露等问题而影响正常运行而产生损坏。管道应力分析和管道柔性设计在整个设计过程中交替进行，将一如既往的在石油的安全输送等方面发挥了重要作用。
参考文献：
【1】王锋. 有关化工设计中管道应力的分析.科技风.2012（11）
【2】尹伊君.有关石油化工装置的管道设计与工艺探讨[J].中国石油和化工标准与质量. 2012（10）
【3】李坚.管道应力分析及柔性设计. 炼油技术与工程. 2010（1）
【关键词】化工管道；应力分析；柔性设计
引言：
由于历史、管理、技术等各种原因，在石油化工行业中，管道设计的可靠性和安全性问题在近年表现得日益突出，而管道的应力分析工作则是管道设计安全、经济、合理的保障和重要方式。管道设计主要包括装置的设备布置、管道布置、管道材料设计以及管道应力分析四项工作。
一、管道应力的概念
管道的应力，主要是由于管道承受内压力和外部载荷以及热膨胀而引起的。管道在这些载荷作用下的应力形态是复杂的。管道应力分析与计算，是管道设计的基础，可为管道做出强度与安全性的评价，也可为管道的经济分析提供依据。
为研究并控制管道的强度破坏和刚度破坏，引入应力这一概念。管道应力的概念避开了管子及其元件的规格尺寸、壁厚等因素的影响，只要外部荷载使材料产生的应力超出材料本身的强度指标，即可认为管子及其元件将要发生强度破坏。
（一）管道的类别
管道在压力荷载、机械荷载以及热负荷等作用下，整个管路或某些区域产生不同性质的应力。
因此，管道上的应力，一般可分为以下三类：
1.一次应力：由于外加荷載的作用而产生的应力，其本身与外力平衡。
2.二次应力：由于变形受到约束所产生的正应力或剪应力，其本身不直接与外力相平衡。
3.峰值应力：由于荷载或结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的最高应力值。
（二）为何进行管道应力分析
管道应力分析的目的主要是解决管道的强度、刚度、振动等问题，为管道的布置、安装、配置提供科学依据。其具体体现以下几个方面：
1.关于管道系统设计的安全性
管道安全性能的总体要求包括耐压强度、耐腐蚀性和密封性三方面。
2.关于装置运行的安全性
管道布置如果不合理，整个装置运行过程中就会存在安全隐患，并可能产生各种应力问题。
如管道在温度变化时产生的热应力过大，则会导致下列各种现象的发生：设备管口就会被拉坏或顶坏，各管件连接处损坏，管架被推坏，更有严重者还会发生燃烧或爆炸。
二、管道柔性设计的概念
管道的柔性是指管道通过自身变形来吸收因温度变化而发生的尺寸变化或其他原因所产生的位移，进而保证管道上的应力在材料许用应力范围内的性能。
（一）管道易发生的损坏
因此管道柔性设计的目的就是为防止管道由于温度、内压、荷载、支架限制或端点附加位移等情况发生如下损坏：
1.因为应力过大产生管道破坏。
2.管道所受推力或力矩过大导致与其相连设备产生的应力过大或变形而不能正常运行。
3.管道所受推力或力矩过大而引起管道支架破坏。
4.管道的连接处发生泄露。
（二）解决管道问题的途径
为解决上述问题，在工程应用中增加管道柔性时一般采取下列途径：
1.改变管道的几何布置
原则上来说，改变管道的几何布置（L型或π型等），是增加管道柔性最理想的选择，在管道两端点固定的前提下，无论是二维平面内还是三维空间内或者二者组合后改变管道走向，都是通过增加管道长度和弯头数量的方式来增加管道的柔性。
2.在管道支撑时选择弹簧支吊架
弹簧支吊架可以适当释放所支撑点对垂直位移的约束，进而增加管道柔性。但是如果连续使用弹簧，会对管道的稳定性有一定影响。
3.增设膨胀节
当管径较大、场地空间有限并且需要的补偿量又很大，或设备、工艺等有特殊要求的情况下不能应用改变管道走向时，通常会在管系中增设膨胀节。但是由于波纹膨胀节制造复杂、价格昂贵，并且是管系中的薄弱环节，应尽量避免使用。
三、例举工程案例
某30万吨/年烧碱项目，储罐（碱液，浓度0～31%，）与两台离心泵的进出口管道，其原始数据为：
管道材质SS.SMLS.A790 TP31803；管道规格6.625*0.28（in）；
保温厚度1.5（in）；工作温度T1=188（℉）；工作压力P1=47（lb/in2）；设计温度T2=203（℉）；设计压力P2=69（lb/in2）；水压试验压力P3=103（lb/in2）。
该管系管道原布置如下图1所示：
根据标准AP I 610《一般炼厂用离心泵》校核，泵入口管道受力FX，力矩MY、MZ均不符合要求。
由于离心泵气蚀余量问题，要求该泵入口管道短而直，这就否定了改变管道走向的方案，另外泵入口管道要求保证同轴度，这样用增设弹簧支架的方案也不合理。
因此，最终的解决方案是在两台泵入口法兰前采用了波纹管道膨胀节，原来节点205、305的刚性承重架保持不变。经过计算两台泵出口位置受力情况如下：
同样根据标准API 610《一般炼厂用离心泵》校核，泵出口管道受力FY，力矩MX均不符合要求，并且节点725、905两处刚性支架处于脱空状态完全不受力失去作用。
离心泵出口管道，并没有特殊要求，也就没有必要将节点725、905两处刚性支架改为弹簧支架。因此最终采用了改变管道走向的方案。
该管系管道经过优化后的最终布置如下图2所示：
优化后各管口受力情况如下：
在上述两台离心泵出口管道优化过程中，不仅解决了泵口受力问题，同时将两根出口管道上的操作阀改为安装在水平管段，这样既降低了操作高度，又方便了支撑，同时大大降低泵出口的垂直荷载，并且在整个管系中避免了使用弹簧支吊架。
结束语：
综上所述，管道是石油化工装置的重要组成部分。从应力角度进行理论分析的管道应力分析，为管道系统所需研究的每一节点提供强有力的理论依据。以管道应力分析计算结果为基础的管道的柔性设计，结合工程实际情况所做出的更有利于工程实际的管道设计，柔性设计不仅仅满足管道和设备的应力要求，还结合了工艺等更多方面要求的管道系统设计。在一定的基础上解决了管道在工作时遇到的因热胀冷缩、端点附加位移、支架设置不当等原因产生应力过大、变形、泄露等问题而影响正常运行而产生损坏。管道应力分析和管道柔性设计在整个设计过程中交替进行，将一如既往的在石油的安全输送等方面发挥了重要作用。
参考文献：
【1】王锋. 有关化工设计中管道应力的分析.科技风.2012（11）
【2】尹伊君.有关石油化工装置的管道设计与工艺探讨[J].中国石油和化工标准与质量. 2012（10）
【3】李坚.管道应力分析及柔性设计. 炼油技术与工程. 2010（1）