浅析化工管道设计中的管道应力与柔性设计方法

摘要：在化工管道设计中，管道应力分析和柔性设计是重要环节之一。采用柔性设计可以有效控制管道应力，尽可能减小管道磨损，延长化工管道使用年限。本文对管道系统进行建模，通过静态分析，在管道布局中的所有节点处找到排序的代码应力，代码顺应性应力，元素力和坐标中的力矩以及位移，并提出了柔性设计的方法。

关键词：化工管道；管道应力；柔性设计

一、化工管道特点

化工管道系统是管道网络，通过使用管道配件和其他特殊组件来执行将流体（液体/气体/泥浆）从一个位置转移到另一个位置所需的模式。它是输送流体的有效方法，在流体的性质和质量上没有相当大或几乎没有损失。在工业上，所有管道活动都遵循国际和工业规范与标准的合规性和指导方针以及各地方的法律法规。通常，化工管道工程应用于以下工业系统中：建筑物服务管道系统；制冷和传热管道系统；液体输送和分配管道（管道）系统；气体输配管道系统；电力管道系统；工艺管道系统；泥浆输送管道系统。化工管道系统是一种管道工程，用于运输工业过程和制造中使用的材料，以确保其符合健康和安全标准，并满足特定制造工艺的需要。化工管道可由水管工，以及专门安装工厂组件的承包商安装，与制造设施的其他固定元件一样，需要经过政府监管机构的检查和批准。这种管道可以广泛使用各种方式。例如，在食品制造中，化工管道可用于将食品配料运输到装配线上的各个点。化学制造设施使用工藝管道来运输其产品的组件以及制造中使用的天然气等材料。炼油厂和类似设施也利用工艺管道来移动化合物。

二、化工管道应力类型

有各种故障模式可能会影响管道系统。管道工程师可以根据管道规范进行应力分析，以防止这些故障模式中的某些故障。除应力分析之外的一些方法提供了对其他故障模式的保护。例如，通过材料选择提供防止脆性断裂的保护。管道规范解决了以下故障模式：塑性变形过大，塑性不稳定或增量坍塌，以及高应变—低周疲劳。这些失效模式中的每一种都是由不同类型的应力和载荷引起的。有必要将这些压力分为不同的类别，并对它们设定限制。主要的应力类别分为初级、次级和峰值。这些应力的极限与各种失效模式有关，如：主应力限制旨在防止塑性变形和爆裂；主要加次要应力限制旨在防止过度塑性变形导致增量坍塌；峰值应力限制旨在防止因循环载荷导致的疲劳失效。

（一）持续应力

这些负载将在整个管道系统的正常运行中出现。典型的持续应力是正常运行条件下的压力和重量负载。

（二）膨胀应力

膨胀应力是由于管道的位移引起的那些载荷。例如热膨胀、地震锚固运动、热锚运动和建筑物沉降。

（三）偶然应力

这些应力在管道运行期间不经常出现。偶然应力的例子是地震、风和流体瞬变，例如水锤和泄压阀排放。

三、化工管道柔性设计

在管道系统上进行柔性分析，以研究其温度从环境温度变为运行时的行为，从而获得足够安全的最经济的布局。以下是决定管道配置的最小可接受灵活性的考虑因素：第一，系统中允许的最大应力范围；第二，允许管道系统施加在与其连接的设备上的力和力矩的极限值；第三，管道系统内的位移；第四，支撑结构上的最大允许载荷。

柔性特征是基于公称壁厚和配件平均半径的几何特征。ASME B31.3将其定义为基于拟合类型计算的单位数。柔性系数定义为弯管的旋转。它是弯曲的柔韧性与具有相同长度和横截面的直管的挠度之比。应力强化因子（SIF）被定义为最大应力强度与标称应力之比，由普通的力学公式计算得出。它被用作安全系数，以解释在重复载荷下局部应力对管道的影响。 在管道设计中，该因子适用于焊缝、配件、分支连接以及可能发生应力集中和可能的疲劳失效的其他管道部件。通常，使用实验方法来确定这些因素。进行静态分析是为了找到排序的代码应力，代码顺应性应力，管道支撑载荷，单元力和力矩（局部和全局坐标）以及所有节点和吊架的位移。这种综合分析使用CAEPIPE等CAD软件包完成。

管道系统的布局应考虑管道应力和管道支撑的要求（即，足够的热膨胀灵活性；适当地管道布线，以便可以构建简单和经济的管道支架；管道材料和截面属性相称具有预期的服务，温度，压力和预期的负载量）。如有必要，应重复布局解决方案，直到实现应力和布局效率之间的满意平衡。管道布局完成后，必须确定管道支撑系统。必须重复可能的支撑位置和类型，直到满足所有应力要求并且满足其他允许的管道（例如，喷嘴负载，阀门加速度和管道运动）。（如图1）显示了工艺管道系统的工厂布局，其中有三个部分A，B和C。在管道系统中使用的绝缘材料是硅酸钙。

用于管道系统设计和分析的约束如下：

第一，A53 B级材料选自材料库；第二，有一种类型的负载是考虑其中包含温度，压力和比重，其值如下：a。温度（T1）=315.6℃。压力（P1）= 13.8巴c。比重=0.85）节点30和100处有两个吊架，分别为Grinnell型，节点60—70处有一个阀门，节点120处有一个吊杆吊架；第三，负载情况选择用于分析是持续的（W + P），膨胀（T1）和操作（W + P1 + T1）A53 B级是碳钢合金，用于结构钢管。它适用于机械和压力应用，也适用于焊接、卷绕、翻边和弯曲的成型操作。

四、结语

实验结果证实，使用CAEPIPE分析管道系统可以提供更准确和精确地结果。节点100和130处的应力比SE / SA超过1.在这种特定情况下，可能引起高热应力并且管道将在这两个节点处失效。使用CAEPIPE软件有一些优点：第一，使用的公式很容易检查管道配置。该公式在大多数简单标准配置中给出了与CAEPIPE结果一致的结果；第二，当弯曲次数较高时，CAEPIPE中的应力比可能会发生变化。因此，有多种组合可能与其他因素保持相同。

参考文献：

[1]孙颖.石油化工企业质量检验中的问题分析及对策研究[J].现代商业，2013（3）.

[2]刘永宏.关于对石油化工分析检验质量管理的研究[J].中国石油和化工标准与质量，2013（18）.

作者简介：

于亮，南京诺奥新材料有限公司。