石油化工管道應力設計探究

唐建偉 何林杉 姜玲

摘 要：管道是石油化工運輸網絡的重要組成部分，對石油化工裝置起到連接作用。石油輸送的安全性與管道應力設計有很大關系，在管道設計中，重視管道應力設計，對石油管道的運輸安全有重要意義，是維護石油化工管道的重點。

關鍵詞：石油化工;石油管道;應力設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.090

管道應力是指管道在工作中由于受到內部壓力、外界環境和自身重量的影響，與管道端點發生強制位移的形成的應力。管道承受的應力不同，管道自身所受的損害也不同。管道應力容易使管道產生安全問題，在管道設計過程中必須予以重視。

1 管道應力對石油化工管道產生的影響

在管道應用過程中，對管道的安全設計性能要求主要包括管道的耐壓強度、耐腐蝕性和密封程度，設計人員要選擇符合標準的設計材料，有效避免石油和外界環境對管道的腐蝕。管道布設不合理，或者管道柔性設計難以承載應力，就會產生一定的安全隱患。比如熱銷量較大，管道就會出現破損。

（1）管道應力分析的意義。管道設計過程中的安全性能，要滿足耐壓、耐腐蝕和密封的要求，在設計過程中選擇符合性能標準的材料進行設計，降低外部環境對管道造成的影響[1]。在實際工作過程中要保證整體的科學合理運行，管道設計一定要符合科學性和合理性，保證管道不會存在各種硬件問題和安全隱患，在外界環境發生變化時，管道的熱效率增大，就會導致管道破損，如果管道設計是為了提供動力，還要考慮到共振問題，盡量降低內外部因素對于管道的破壞。

（2）管道應力設計的必要性。管道路線設計出來的目的是保證管道不受影響因素的干預而受到破壞，因為外部因素影響使其對連接的機器和設備等產生一定的作用力，而機器設備對管道也會產生反作用力，導致雙方受到應力損害，系統的剛度越大，產生的壓力越大，因此對管道進行設計可以提高管道自身的防御能力。

2 管道應力的分類

根據實際情況，管道應力可以分為一次應力和二次應力，一次應力主要有壓力和動力以及其他外力產生，最終隨著壓力增加而增加，在達到一定程度范圍的極限，就不會再增加，管道內產生無法限制的塑性流動，導致管道被破壞，二次應力是由于內部熱脹冷縮等產生的引發管道內部彈塑性能協調的不連續性，導致管道變形[2]。

3 石油化工管道柔性強化設計

（1）管道設計的流程和主要內容。管道的安全可靠關系著石油化工的正常生產和使用安全，因此管道設計必須經過相關部門審批審批合格才能開啟建設工作。管道設計的質量問題非常關鍵，要首先進行工業設計，在石油化工管道工程立項之前，相關部門要對其提交的可行性研究報告進行審核，共同審議后才能批準，項目設計人員要根據資料數據進行初步設計，并不斷修改，每次修改都要向相關部門報告，同意后才能進行接下來的具體設計。初步設計主要包括材料、線路系統和管道連接等等，在材料方面要根據被輸送對象的特質，對使用的材料進行檢測，根據壓力管道的長度對材料數量進行估計，對于壓力管道所涉及的地質情況和地下管道分布進行研究，使管道能夠盡量避開其它管道，減少對其它管道的影響，在管道連接處進行設計，保證在使用時不發生泄露。

（2）石油化工管道設計準則。在進行管道設計時不僅要從局部入手，還要針對管道的設計，從整個生產系統出發，做好整體設計。由于管道系統一部分埋藏于地下，要輸出大量的石油產品管道，長期承受壓力，在進行管道使用材料的選擇時，一定要充分考慮材料的強度和柔性，還要具有抗震性能，使其具備抵御天災人禍的能力。

由于壓力管道輸送的物品都是危險品，比如石油等易燃易爆品，在設計管道時，一定要對外界環境進行綜合考慮，設計相應的安全防范設施，將危害程度降到最低。

管道在長期使用中會發生故障，要避免出現更大的安全事故，在平時就要做好維修和保養工作，及時發現故障，并設置相關的預警設置。

管道設計要做好保溫設計，壓力管道設計要制定相關的絕熱保冷設計規范，設計師也要嚴格按照這些規范進行設計。在保溫設計中重點是保溫材料的選擇，設計師要熟悉并掌握靈活使用導熱技術圖表以及相關的工程分流的變化，關注導熱系數的變化，要看懂壓縮松散材料在其密度下的圖標和導熱方程，使材料的相關參數數據根據施工現場的實際情況進行設計，通過應用具體的標準，并根據圖表和方程確定保溫材料。

（3）管道柔性強化措施。要強化石油管道，可以在設計階段更改管道集合布置方法，添加管道彎頭數量，改變彎頭實際走向，增設大量點對點管道數量，可以達到提高管道柔性的目的。在設計的位置改變過程中，要確保管道端點位置不發生變化。涉及管道支撐環節中，設計人員可以選用彈簧支吊架有效降低支撐點對于管道垂直位移的限制，但是不能大范圍的使用，如果彈簧支吊架的應用范圍擴大，就會影響管道本身的穩定性。

在管道設計中比較特殊的部位，設計人員無法通過增加管道長度和彎道數量來達到提高管道柔性的目的，管道直徑數值較大，或者業主對于施工工藝要求較為特殊，設計人員可以使用添加膨脹節的方式提高管道柔性。膨脹節價格昂貴，制造過程復雜，成本增加，施工工期延長，所以在設計過程中要盡量避免使用。

（4）注意事項。在實際運行過程中，管道的溫度不宜高于零下50℃，或者是不低于100℃。管道溫度的設計工作要結合管道實際的取值范圍的實際情況，在受到外力強制位移時使管道柔性增加，針對敏感設備和管道的連接處要加以重視，在設計時要加強對管道連接處的科學合理設計。

4 結語

管道應力設計直接關系到石油化工管道的后續使用和安全穩定，管道設計本身存在問題，就會增加所承載的應力，使管道損壞，造成安全隱患甚至發生石油運輸事故。設計人員在設計管道時必須重視管道應力，盡量降低管道所承載的應力，提升石油管道的安全運輸水平，促進石油化工產業的安全性和穩定性。

參考文獻：

[1]周長江.石油化工設計中的管道應力分析[J].山東化工，2017， 46（20）：129-130.

[2]柯先梅，錢勝輝.如何正確分析化工管道設計中的管道應力[J]. 化工管理，2016（18）：220.