石化管道应力分析、柔性设计及典型支吊架设计探析

石化管道应力分析、柔性设计及典型支吊架设计探析

作者：张鸿达 訚俊锋

来源：《中国化工贸易·中旬刊》2017年第09期

摘 要：本文介绍了石化管道应力分析和柔性设计，对压缩机、泵类和塔类典型的支吊架设计以满足柔性设计的要求，为从业人员提供一定参考。 关键词：应力分析；柔性设计；应力增大系数；支吊架

随着石油化工装置向大型化的发展，大量高温高压管道的应用，装置设计的优劣在很大程度上取决于管道设计的水平；为保证管道在各个工况下的稳定性和安全性，管道应力分析和柔性设计越来越重要。 1 管道应力分析

管道应力分析的目的是保证管道自身和与其相连设备、支吊架和土建结构的安全。不同类型的应力对管道损伤破坏的影响各不相同，因此管道应力分析采用应力分类进行校核的方法，根据产生应力的载荷不同，将应力划分为一次应力和二次应力两大类。一次应力是由于压力、重力和其他外载荷作用所产生的应力，是平衡外载荷所需的应力，随外载荷增加而增加，具有非自限性，超过材料的屈服强度或抗拉强度，会引起塑性变形或破坏；对于管道应力分析，一次应力的校核就是校核管道总体薄膜应力，不计算局部薄膜应力和弯曲应力。二次应力是由于热胀冷缩、端点位移等位移载荷的作用所产生的应力，具有自限性，局部屈服或微小变形可以使自身变形连续要求得到满足，而不再继续增大变形。二次应力主要是疲劳破坏，不反复加载就不会导致管道破坏；二次应力的校核采用最大剪应力理论，校核条件来源于结构的安定性条件，防止低周疲劳破坏。

须特别注意的是，压力管道应力分析的重点是整个管系的应力和柔性，管系采用梁单元模拟和薄壁理论假设，各类应力沿管道壁厚均匀分布，无法计算出管道的局部薄膜应力和峰值应力；对于不连续处的应力集中，采用应力增大系数的方法处理，应力增大系数由疲劳试验得出。

2 管道柔性设计

管道柔性是反映管道变形的难易程度，表示管道通过自身变形吸收热胀冷缩和其他位移变形的能力；柔性设计的目的是保证管道在设计条件下有足够柔性，防止管道应力过大或疲劳破坏，管道连接处泄露以及力或力矩过大引起支吊架破坏或设备管口载荷超标。

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管道柔性不仅与管道中各管段的结构尺寸有关，还与管道的空间形状有关；影响管道柔性的因素有：管道的规格和尺寸、管道的空间几何形状、管道端部的刚度、管道中间支撑以及存在的特殊管道元件等；在管道柔性设计中，增加柔性的方法主要有：改变管道走向（设置π型弯等）、选用波纹管膨胀节和弹簧架、变换设备管口连接方向、使用设备管口柔性管件、减少管道的摩擦力。

管道柔性设计时，除考虑本身热胀冷缩外，还应考虑以下附加位移：储罐设备基础沉降在管口处产生的位移、设备在热胀冷缩时在管口处的位移、加热炉炉管对进出口管道施加的位移、不和主管一起分析的支管应将主管的位移作为直管端点的附加位移。

进行管道柔性设计时，在保证管道具有足够柔性吸收热胀冷缩等位移变形的前提下，应避免整个管系过于柔软，避免管系产生振动，也可节约成本。 3 典型管道支吊架的设计 3.1 压缩机进出口管道支吊架设计

离心压缩机及汽轮机的管口允许载荷较小，管架设计更应满足管道柔性设计的要求；在吸入和排出管口附近立管处设置限位支架，减小力矩对设备管口的作用；承重架应选用弹簧支吊架，减小因垂直管道的热胀引起的管口热态作用力，同时减小摩擦力的影响；在管道与设备固定点处坐标轴的交点位置附近设置限位支架，使设备管口与管道热胀基本相当，减小管道对设备管口的作用力。

往复式压缩机吸，排水管上的管架（或管墩）应与建筑物和构筑物的地基分开，不得在地面和平台上扎根，应设计成独立管墩或支吊架，并靠近压缩机，其高度应尽可能低，在拐弯、分支等设置防振管架。 3.2 泵类管道支吊架设计

泵类管道支吊架设计应满足管道柔性设计要求，为使泵体少受外力作用，应在靠近泵的管段上设置合理的刚性支吊架或弹簧支吊架。泵的水平吸入管或泵前管道弯头处（垂直时）应设可调支架；泵出口后第一个弯头或弯头附近设置吊架或弹簧支架，当操作温度过高或附加在泵口的管道载荷超过许用载荷时应设弹簧吊架；不带底座泵进出口管道支架应尽可能接近管口；为防止往复泵管道脉冲振动，泵出口管道第一支架应采用固定架，管架间距应比常规间距小。 3.3 塔类管道支吊架架计

沿塔垂直敷设的管道，应在垂直管段的上部靠近管口处设承重支吊架或固定支吊架，以减少管口承受的热应力。某些情况使承重支吊架失去作用时，应采用弹簧支吊架；设置支吊架的顺序自上而下为承重支吊架、导向支吊架、弹簧支吊架。垂直管段的中部或下部应设导向支吊

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架且应满足最大跨距要求；最后一个导向支吊架距水平管道宜不小于25倍管道公称直径，若沿塔壁垂直管段热位移量大时，其水平管段应设弹簧支吊架，若热位移不大，可设刚性支架。 4 结束语

管道应力分析和柔性设计与支吊架的设计密切相关。应力分析是验证柔性设计是否满足力学要求的一种手段和力学分析过程；柔性设计是研究管道布置、管道元件和支吊架选择从而使管道柔性满足力学分析的要求。先进行管道和支吊架的布置设计，然后进行应力分析，并将分析结果修正后返回，使得管道布置既能满足力学要求，又能满足柔性设计要求，既安全，又经济。

参考文献：

[1]宋岢岢.工业管道应力分析与工程应用[M].北京：中国石化出版社，2011. [2]唐永进.压力管道应力分析（第二版）[M].北京：中国石化出版社，2010.