石油化工管道的柔性设计浅析

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摘要:本文介绍了管道柔性设计的意义及影响管道柔性的因素，对管道柔性设计的方法进行探讨。提出了改善管道柔性的几种方法。通过设计实例，详细分析通过优化管道空间走向来改善管道柔性，降低管道热载荷的技巧，为同类管道的设计提供参考。

关键词:管道;柔性;刚度;载荷

1管道的柔性设计

管道柔性反映了管道变形的难易程度，表示管道通过自身变形吸收由于温度变化引起热胀、冷缩和其它位移产生变形的能力。压力管道柔性设计的目的，就是使管道系统在各种工况下具有足够的柔性，防止由于管道的温度、自重、内压和外载变化或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况［1－2］:①管道应力超标或金属疲劳导致管道破坏;②管道接头连接(含弯头、三通)处泄漏;③管道的热胀冷缩引起推力或力矩过大，造成设备管口受力超过设备设计标准，影响设备正常运行;④管道热胀冷缩引起的推力或力矩过大引起管道支架或生根结构件破坏。

1.1管系柔性改善的方法

1.1.1优化管架位置及型式。不同的支架型式对管系的热胀约束作用是不同的。刚性支架的刚度无穷大，限制了约束方向的位移;弹性支架的刚度较小，它对管道有一定的约束作用，同时又允许管道有一定的位移［3］。优化管道支吊架的型式和位置来改善管道柔性时只能在一定范围内改善管道柔性。1.1.2优化管道的空间走向。在管道布置时，设备布置一般不再调整，因此管系两端的位置也就固定不变了。当管道在某一方向过于刚硬时，增加与其垂直方向的管道长度可减小管道刚度［2］。可以在平面和空间布置允许的情况下，将管道走向优化，将管道整体走向改为“L”形管段、“U”形管段或空间“Z”形。若管道弯头若设置得当，即使在不增加管道展开总长的情况下也可提高管道柔性［4］。1.1.3选用管道补偿器。管道补偿器又称为伸缩器或伸缩节、膨胀节，主要用于补偿管道受温度变化而产生的热胀冷缩。如果温度变化时管道不能完全自由地膨胀或收缩，管道将产生热应力。管道补偿器适用于高温、低压、大直径管道，但管道补偿器与工艺管道本体相比，远比工艺管道本体薄弱。因此，出于安全方面的考虑，对于高压和高危介质管道不易选用补偿器。

2设计实例分析

2.1管道的主要设计参数

某反应器出口到换热器进口管道初版平面配管图见图1。管道材质为20#，管径为Ф508mm×22mm，管道的操作温度为260℃，设计温度为280℃，操作压力为3.85MPa，设计压力4.15MPa，相关设备管口初始附加位移见表1。

2.2管道的柔性设计

按照表1及图1，经过应力分析软件CAESA-ＲII进行详细建模计算，管道冷态及管道运行升温后的形变比较图见图2(图中浅色表示管道冷态时的原始状况，深色部分为管道升温运行时的变形情况)。从表1给出的条件，反应器出口向下的初始位移比较大，换热器入口向上的初始位移比较大，如果管口附近采用刚性支架不太合适(支架脱空或图2管道冷态及管道运行升温后的形变比较图者顶住管道设备的受热的膨胀)，从而导致设备管口受力过大或者支架或者生根部位发生破坏。在这两处应考虑利用弹簧支吊架来支撑管道，使支吊架在承受一定载荷的情况下又能允许管系有一定的垂直位移［3］，从而将约束放松，降低设备管口的受力。在反应器出口第一个弯头处和靠近换热器入口处的水平管道上设置弹簧架。经过应力分析软件计算后，管道的一次应力、二次应力均能符合标准规范的要求;计算后各处的受力见表2，设备管口许用受力见表3。

2.3计算结果分析与优化调整

从表2的计算结果与表3中的管口许用受力相比，反应器出口及换热器进口均有相应的受力和力矩超过了HG/T20645.5中规定的静设备管口许用载荷。从图1中看出管道在X方向的长度较长为7000+1800=8800mm，管道Z方向的长度3500mm，X方向的长度远大于Z方向的长度，而管道运行温度在260℃，因此管道在运行时X方向的热膨胀位移较大，加上反应器出口的附加位移在X方向为负值，与管道在X方向的膨胀向叠加(见图2中深色管道的变形)，造成反应器出口和换热器入口X方向的推力均超标，X方向的推力引起的Z方向的力矩超标。见图3，通过增加与X方向垂直(即Y和Z方向)段的管道长度来改变管道应力，提高管道系统的柔性，同时增加弯头数量和管系的展开长度也能达到改善管系柔性的目的。

2.4结果比较与分析

调整后的模型计算结果(设计温度下的数值)见表4，与表2中的设备管口受力相比，X方向和Z方向的推力都有下降。但是两种方案在改善管口受力，也就是改善管系柔性的效果上差别很大。图3所示的a方案效果明显，a方案在降低了X方向和Z方向的推力，同时也降低了Z方向的力矩，与表3中的管口许用受力相比较可以看出各方向的推力和力矩均在许用范围以内，达到了管道柔性设计的目的。图3所示的b方案也降低了X方向和Z方向的推力，但效果不如a方案好，而b方案在降低Z方向的力矩方面基本上没有效果。对比a、b两种方案的空间走向可以发现，两种方案的管道展开总长度基本上一样，管道支撑位置和型式也一样，区别在于两种方案的管道空间走向不一样。由此可见，同样是增加了弯头数量和管道长度，但是对管道柔性的改善效果却区别很大。优化管道空间走向时，要增加远离管道固定点连线的管道长度，而且在增加管道展开长度时，尽量不要增加管道固定点连线长轴方向的长度，而是增加短轴方向的长度，使管道的空间形状更加接近正方体的形状，有弯曲的管子的柔性近似正比于直管段长度的立方。

3结语

管道的合理布置，对于装置的安全运行至关重要。在管道设计中，可采用相应方法改善管道柔性，有效降低热载荷，确保管道和设备的安全。在实际设计过程中，要综合考虑各种方法的可行性、安全性和经济性等各方面的因素，选择合适的方法来改善管道柔性。

作者:胡艳求 单位:武汉金中石化工程有限公司