炼油技术与工程２０１０年１月ＰＥＴＲＯＬＥＵＭＲＥＦＩＮＥＲＹＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ第４０卷第１期基础知识管道应力分析及柔性设计李坚中国石化集团洛阳石油化工工程公司（河南省洛阳市４７１００３）摘要：论述了管道应力分类、产生的因素以及应力消除方法。管道在内压、持续外载以及热胀、冷缩、位移等因索作用下．其最大应力往往超过材料的屈服极限，使材料在工作状态发生塑性变形，高温管道的蠕变和应力松弛，也将使管系上的应力状态发生变化，利用固定支架将复杂的管系划分为若干段较简单的管系进行应力分析，根据结果对管道进行自然补偿、设置支架或合理选择膨胀节以减小推力和力矩。保证管道的安全运行。关键词：应力柔性设计自然补偿膨胀节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。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。进行应力分析与计算，对管道做出安全性评价，并满足所连接的设备对管道推力的限定，使管道设计尽可能经济合理…。１管道应力分类１．１一次应力一次应力是指由管道所受荷载，如所受内压、持续外载、风荷载、冲击荷载等引起的正应力和剪应力。它是平衡外力所需要的应力，是非自限性的，当应力强度超过屈服极限时，将使管道发生塑性破坏或总体变形。因此，必须为不发生材料屈服而留有适当的裕度，以防止过度的塑性变形而导致管道被破坏。管道一次应力比二次应力更危险，应该受到更加严格的，必须为不发生材料屈服留有足够的裕度，以防止过度的塑性变形导致管道失效或破坏。一次应力校核应根据弹性分析和极限分析条件进行控制。１．２二次应力二次应力是管道由于变形受约束所产生的正应力和剪应力。如由热胀、冷缩和其它位移受约束而产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或变形协调要求所需的应力。它的特征是有自限性，当局部屈服产生小量塑性变形就能使应力降低。对于塑性良好的管材，一般在管道初次加载时，二次应力不会直接导致破坏，只有当塑性应变在多次重复交变的情况下，才会引起管道疲劳破坏。对于二次应力的限定，并不取决于一个时间的应力水平，而是取决于交变的应力范围和交变循环的次数。二次应力校核应根据安定性分析条件加以控制。１．３峰值应力峰值应力是由于管道或附件由于局部结构不连续或局部效应附加到一次应力或二次应力的增量。其特点是不引起显著变形，而且在短距离内从它的根源衰减，是一种导致疲劳裂纹或脆性破坏的可能原因。温度、压力、管径、壁厚、荷载、跨距、补偿器形式等都会对应力结果产生影响。峰值应力校核应根据管道使用期限内所受的循环荷载进行疲劳分析。在工程上一般采用试验或经验公式计算旧Ｊ。２管道的设计与布置２．１管道的自然补偿设计管道的热补偿宜与其相连接的管道一并考虑。首先应考虑自然补偿，如不能满足要求，应调整管系的走向或设置补偿器。在管桥上宜用“霄”形补偿器，对于温度高，管径大，输送非危险性介质的管道，在安装位置受到时，可采用波纹管收稿日期：２００８一ｌＯ—０７。作者简介：李坚，工程师，１９８７年广播电视大学石油加工专业毕业，现从事石油化工装置压力管道设计工作。万方数据一６２一炼油技术与工程２０１０年第４０卷补偿器。（１）确定需要自然补偿的管道，根据管道内介质的温度、管径来确定需要进行自然补偿的管道，如蒸汽总管、高温管道等。（２）确定管道的线胀量：管道的线胀量取决于管道的线胀系数，线胀量＝管道的线胀系数×管道长度，而线胀系数取决于管道的设计温度及材质。（３）确定固定点的位置：先假设固定点设在管道总管的中间，根据管道的走向和分支来加ｕ形补偿，先在管道两头四分之一处设两个固定点，核算两固定点间的膨胀量不能超过２００ｍｍ，因为受管托长度的（一般管托长２５０ｍｍ），这样管道在膨胀时，不会使管托脱离管架横梁。根据Ｕ形补偿线算图，确定补偿器的臂长和臂宽。通常装置里的管道膨胀在装置内吸收，所以一般将固定点靠近进出装置边界的管架上设置。Ｕ型补偿器尽量靠近设置两个固定点中部，为防止管道横向位移过大，应在补偿器两侧距补偿器弯头约４０Ｄ处设导向支架。（４）多根Ｕ形补偿器管道的布置：根据计算出的臂长和臂宽，管径较大、温度较高的补偿器管道布置在外侧，反之放在内侧，这样以便于成组地设置Ｕ形补偿器，另考虑到管道偏移量，Ｕ形管道净距应比计算净距大一些，避免管道偏移量不同造成互相阻碍偏移及碰撞。“丌”形弯宜升高０．６—１．２ｍ于侧梁上水平放置。但对于有坡度要求的管道必须直接水平设置，不允许升高。（５）确定固定点处的推力：一般情况下可以忽略管道在管架梁上摩擦力反力的作用，不要在有大管道固定点的管架上方布置设备。（６）对于因膨胀而产生位移的管道要考虑设置导向支架或适当地加大与邻管的管道间距，与分区相连的管道要注意设置固定或止推支架，需与分区设计人商议设置限位支架位置。２．２管道支吊架在应力分析中的应用２．２．１管道的承重管道设计中支吊架的基本作用在于承受管道的自重和外载，避免产生过量挠度，控制管系的一次应力在许用范围内。一次应力的大小是衡量管系能否安全运行的标准之一。若一次应力过大，管系可能会受到破坏。由管道的内压和外载产生的一次应力的大小和作用与在管系上的荷载及管道和其配件的截面有关。装置的规模确定后，便万方数据可确定各个管道的管径。管道设计时不能任意改变工艺流程图上规定的管径，而管道的一次应力和支承端承受荷载的大小却可通过设置支吊架来加以调整。因此，管道支吊架的设置对管系一次应力的大小有着直接的关系。当水平管道上支吊架太少时，不仅会使一次应力增大，同时也会使管道的挠度增大，以至超过许用值，而不利于管系的安全运行。２．２．２调节管系二次应力及端点推力一般来说，管道承受荷载所产生的一次应力是非自限性的，其值不超过管材的许用应力即认为是可靠的，而对于由管系在热变形过程中受阻所引起的自限性的二次应力可用热胀许用应力范围来判断热态与冷态应力的代数差（称为应力范围），通常热胀许用应力范围不应大于下式计算值‘３１：盯Ａ＝八１．２５０－ｃ＋０．２５０－Ｉ）式中：０－．——热胀许用应力范围，ＭＰａ；．厂＿应力降低系数。０－＾，０－ｃ——热态和冷态的许用应力，ＭＰａ；正确选用支吊架，调整和改善管系的应力分布状态，使管系适应变形的需要，并使管系端点推力在许用范围内。同时，还可选择某种类型的支架或限位架以管系在某个方向的位移，从而减少设备管嘴的受力或应力，以保护设备。在利用支吊架调节管道的应力端点推力时，管道设计中充分利用或消除刚性支架固定支架除外的杠杆效应是十分重要的。由于管道是一个刚度足够大的弹性体，如设计中不是按简支梁条件来分配管道的荷载，而是按照吊零加给定荷载条件分配荷载，那么在任何有刚性支架的地方都会产生杠杆效应。在实际配管设计中，经常使用支吊架以减少机泵进出口管道对机泵等设备进出口管嘴的受力，有时必须消除支架所产生杠杆效应的影响（见图１）。为了达到上述要求，一般在靠近设备处设置支架Ａ。在一般条件下，将设备作为一个刚性体来处理。此时，在设备Ｅ点处将产生一个数值较大的力Ｆ，产生的原因是自Ａ至曰段管道自重产生的弯矩Ｍ，需要弯矩Ｆ×ＥＡ来平衡，当距离ＥＡ的数值很小时，力Ｆ的值必然很大，故当初考虑减小设备受力的目的就达不到。如果适当移动Ａ第１期李坚．管道应力分析及柔性设计一６３一点（杠杆支点）的位置，则可调节力Ｆ的大小。此外，若允许支点４略微下沉，则可消除由于吊零分配荷载在点Ａ引起的杠杆效应，弯矩肘就会大幅度地减小，从而使力，也大大地减小。将Ａ点下沉的方法是利用管道的重力，对刚性支架给定间隙或将刚性支架改用弹性支吊架或恒力支架。但在实际配管中，由于计算出的点位移（下沉）值在施工中是难于保证的，故在Ａ点处使用弹性支吊架或恒力支架为宜，也可用可调支架。Ｆ图１泵进口管道支架设置Ｆｉｇ．１Ｂｒａｃｋｅｔｓｓｅｔｔｉｎｇｆｏｒｉｎｌｅｔｐｉｐｅｏｆｐｕｍｐ２．２．３消除管道布置不当造成的荷载转移根据对管道支吊架的分析，通常为了满足一次应力挠度的要求，要增加支吊架数量，以减少管道的受力，但从降低二次应力这一方面出发，则要求减少支架对管道的约束，使管系尽可能地自由变形，以降低二次应力热推力，考虑到经济、美观及场地等条件，也要求减少管道支吊架的设置。因此，在管道设计或应力分析中，考虑如何合理而适当地设置支吊架是很重要的。非刚性支吊架在管道应力分析中的特殊作用是用以消除管系因布置不当而造成的荷载，如采用弹性支吊架或恒力支架来消除刚性支吊架造成的失载，满足应力推力的要求等。２．３刚性吊架和限位吊架的设置（１）刚性吊架的设置刚性吊架结构简单、价格便宜、维护费用低、承载能力大，能承受管系垂直方向上的荷载，防止管系下沉，增加管系的稳定性；有利于防止管道振动，并能承受各种因素引起的转移荷载。因此，只要管系条件允许时，就应采用刚性吊架。对于刚性吊架的设计，还应考虑采用双拉杆垂直吊架的两臂有可能出现一边脱载的情况，此时双拉杆吊架的每一拉杆的最大荷载不只是万方数据５０％总荷载，而应按１００％支吊架总荷载计算。另外，在垂直管道上的主要承载刚性吊架附近设置适当的限位支吊架可避免发生刚性吊架拉杆扭转现象，以保证该刚吊的安全承载。随着机组容量的增大，主要管道的长立管上刚性吊架往往要承受很大的荷载。（２）限位支吊架的设置随着机组容量增大、参数提高，主要管道的直径和管壁都相应增加，管道对设备的推力和力矩明显增大。而大容量高温高压机组对允许推力和力矩的限定是比较严格的，超过了允许范围可能引起汽机振动或设备变形甚至损坏。另外，由于机组容量的增大，参数的提高，各主要管道的流速也有所提高，加上管道长度也有增加，如果全部采用弹性支吊架，管道有可能发生振动。运行时间长，弹簧质量的下降，还可能造成整个管系的下沉，影响管道的安全运行。限位支吊架设置原则有３个方面：①在设备接口附近的管道上合理地装设限位支吊架，可以减少管道对设备的推力和力矩，甚至改变推力的方向。限位支吊架主要对离它近的端点影响较大，要减少某端点的推力，就应当在该端点的附近装设限位支吊架。当汽机纵向布置时，主蒸汽、再热热段、再热冷段管道对汽机的推力主要以ｙ向为主，应在汽机中心线与管道相交处设置ｌ，向限位（即通常的刚吊）或在设备接口附近设限位支架。②在管系适当的地方装设限位支吊架，就能改变管道的固有频率，使其远离外界干扰引起的强制振动频率，减小振动。这是一种控制管道振动措施中最简单和最经济的措施。③在管系适当位置加设限位支吊架，特别是在垂直管段上加设刚性吊架后可增加管道稳定性，防止管道下沉。３结束语综上所述，管道应力分析及柔性设计在管道设计中的作用是很重要的。（１）对于静力分析而言，管道支吊架设置主要有两个目的。一是承受管系的自重和外载，避免产生过量挠度，控制管系的一次应力在许用范围之内；二是用来使管系适应位移的需要，调整和改善管系的应力分布状态，以控制管系二次应力和综合应力不超过允许界限，使管系的端点推力在许用范围之内，从而保护设备，特别是那些敏感．－——６４．－——炼油技术与工程２０１０年第４０卷设备，如压缩机、汽轮机和机泵等。（２）管道自重荷载在各支吊点的分配也很重要，不同的荷载分配所产生的应力分析是不同的。应尽量使管系的一次应力分布较为均匀，并使其最大值为最小。合理的自重分配是管道支吊架设置中应首先考虑的问题。（３）尽可能利用管道的自然补偿，从安全性和经济性的角度都是可取的，当有空间条件或经济核算作指导时可合理选用补偿器进行补偿。参考文献［１］于咏梅．压力管道柔性设计及金属波纹管膨胀节的选用［Ｊ］．河南化工，２００９，２６：３６－３７．［２］冯继蓓，孙蕾．安定性分析在热力管道设计中的应用［Ｊ］．特种结构，２００７，２４（３）：５８－６０．［３］中华人民共和国国家经济贸易委员会．ＳＨ／Ｔ３０４１－－２００２石油化工管道柔性设计规范［Ｓ］．北京：中国石化出版社。２００３．（编辑陈凤娥）ＣｒｉｔｅｒｉａｆｏｒｐｉｐｉｎｇｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｄｅｓｉｇｎＬｉＪｉａｎＳＩＮＯＰＥＣＬｕｏｙａｎｇＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｌｕｏｙａｎｇ４７１００３，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）ｉｎ－Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｉｐｉｎｇｓｔｒｅｓｓ，ｓｔｒｅｓｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｆａｃｔｏｒｓａｎｄｓｔｒｅｓｓｒｅｌｅａｓｅｍｅｔｈｏｄａｒｅｔｒｏｄｕｅｅｄ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｓｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｓｕｓｔａｉｎｅｄｅｘｔｅｒｎａｌｌｏａｄ，ｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎａｎｄｃｏｌｄｃｏｎｔｒａｃ－ｔｉｏｎａｓｗｅｌｌａｓｏｔｈｅｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｅｔｃ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｐｉｐｉｎｇｗｉｌｌｅｘｃｅｅｄｔｈｅｙｉｅｌｄｓｔｒｅｓｓｌｉｍｉｔｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓｕｎｄｅｒｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｈｉｓｈ・ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｉｐｅ－ｌｉｎｅｃｒｉｓｐａｎｄｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｘａｔｉｏｎａｎｄｖａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆｓｔｒｅｓｓｅｓｉｎｔｈｅｐｉｐｉｎｇｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｅｖｅｒａｌｓｉｍｐｌｅｒｓｅｃｔｉｏｎｓｆｏｒｓｔｒｅｓｓａｒｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｐｉｐｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｄｉ－ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｎａｔｕｒａｌｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｅｘｐａｎｓｉｏｎｅｎｓｕｒｅｊｏｉｎｔｓｐｒｏｖｉｄｅｄｂａｓｅｄｕｐｏｎｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｔｏｍｉｎｉｍｉｚｅｔｈｅｔｒｕｓｔａｎｄｆｏｒｃｅｍｏｍｅｎｔｔｏｔｈｅｓａｆｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｓｔｒｅｓｓ，ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｄｅｓｉｇｎ，ｎａｔｕｒａｌｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｅｘｐａｎｓｉｏｎｊｏｉｎｔ勘误本刊２００９年第１１期刊登的《１．８Ｍｔ／ａ蜡油加氢脱硫装置高压空冷器腐蚀分析和控制》一文中Ｐ３１右栏第１３行“空冷器人口气相中的坼值均能满足≯０．５的要求”应为“空冷器入口气相中的砗值均超出≯０．５的要求”。本刊编辑部２００９一１２—３１万方数据
