石油化工管道的柔性设计

ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤＥＳＩＧＮ化工设计２０２２，３２（３）
石油化工管道的柔性设计
胡艳求 武汉金中石化工程有限公司　武汉　４３０２２３
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
胡艳求：工程师。

２
００９年毕业于武汉工程大学过程装备与控制工程专业。

主要从事管道应力分析和配管校审。

联系电话：１５０７２３２６０９２，Ｅ ｍａｉｌ：ｈｕｙａｎｑｉｕ１６８＠１６３ ｃｏｍ。

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。

图１　初版平面配管图
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２０２２，３２（３）胡艳求　石油化工管道的柔性设计
　管道材质为２０＃，管径为Ф５０８ｍｍ×２２ｍｍ，管道的操作温度为２
６０℃，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。

表１　设备管口初始位移
管口Δ
Ｘ（ｍｍ）操作／设计Δ
Ｙ（ｍｍ）操作／设计Δ
Ｚ（ｍｍ）操作／设计反应器出口
（节点号：１０）－３ ８／－４ ３
－５ ０／－６ ００／０换热器进口（节点号：
４６０）０／０
３ ６／５ ０
－３ ８／－４ ９
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。

表２　设备管口及支架受力
节点号Ｆｘ（Ｎ）
操作／设计Ｆｙ（Ｎ）
操作／设计Ｆｚ（Ｎ）
操作／设计Ｍｘ（Ｎ ｍ）
操作／设计Ｍｙ（Ｎ ｍ）
操作／设计Ｍｚ（Ｎ ｍ）
操作／设计１０１１３５４９／１２６３８０
－２２３０８／－２２８１０４７５６５／５２３５０
６７４３９／７５６７１
－７３６７４／－８７８３６
－１３５６０６／－１４９３０１
１５９０－１６２００／－１６５９５００００３１００
－２８２７４／－２７８１２０
０
０
０
４６０
－１１２４６９／－１２５３８０
１６３３３／１６６７８
－４７３５５／－５３６５０
－５９７７９／－６４３３４
１０８３１７／１３６００９
１０３５８６／１０９
６５８表３　ＨＧ／Ｔ２０６４５ ５中管口许用
受力计算值［
５］
（设计温度２７０℃，ＤＮ５００的管口）Ｆｘ（Ｎ）Ｆｙ（Ｎ）Ｆｚ（Ｎ）Ｍｘ（Ｎ·ｍ）Ｍｙ（Ｎ·ｍ）Ｍｚ（Ｎ·ｍ）４４１００
３０６２５
３０６２５
１３２３００
９３１００
９３１００
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
图３　修改方案图
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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。

表４　调整后的设备管口受力
节点号Ｆｘ（Ｎ）
ａ／ｂ
Ｆｙ（Ｎ）
ａ／ｂ
Ｆｚ（Ｎ）
ａ／ｂ
Ｍｘ（Ｎ·ｍ）
ａ／ｂ
Ｍｙ（Ｎ·ｍ）
ａ／ｂ
Ｍｚ（Ｎ·ｍ）
ａ／ｂ
１０２９６１６／６８５２３－１０９８１／－１５５１９１７１２０／２３７３０３５１７２／５９１６０－３５２６９／１２５３７－６１３４８／－１２２６１２４６０－２９６１６／－６８５２３－５９００／－２６６－１７１２０／－２３７３０－２９９３６／－３８０４１７７１３７／９８２４５４８５９０／１２３９０９
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。

参　考　文　献
１　唐永进．压力管道应力分析［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２００３，７９－８３．
２　ＳＨ３０４１／Ｔ－２００２，石油化工管道柔性设计规范［Ｓ］．１－２．
３　岳进才．压力管道技术（第二版）［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２００９，２０９－２１５．
４　顾海明，黄振仁，廖传华．管道柔性设计［Ｊ］．石油化工设备，２００１，３０（６）：３０－３２．
５　ＨＧ／Ｔ２０６４５．５－１９９８，化工装置管道机械设计技术规定［Ｓ］．１９２－１９３．
６　张德姜，王怀义，刘绍叶．石油化工装置工艺管道安装设计手册［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２００９，７１３－７１５．
（收稿日期　２０２１－０１－２１
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
）（上接第１５页）
是可行的。

ｌ值越小，凝液产生的几率就越小。

在示例项目中，不断环的正常工况下，不会有冷凝液产生。

但考虑到事故工况，对断环工况进行分析计算，结果表明有６２ ５％的管线有可能产生凝液。

本评估方法对蒸汽管网是否设置凝液回收系统具有一定的指导意义。

参　考　文　献
１　白瑛华，贾红军，石莉．蒸汽凝结水回收系统中常见问题探讨［Ｊ］．河南化工，２００８，２５（１２）：２６－２７．
２　ＧＢ５０２６４－２０１３，工业设备及管道绝热工程设计规范［Ｓ］．
（收稿日期　２０２１－１１－１０）
０２。