石化工程设计中管道应力分析软件的应用

石化工程设计中管道应力分析软件的应用

刘时坤

镇海石化工程股份有限公司， 浙江 宁波 315000

[摘要]：石油化工装置内管道复杂多变，有效强石化工程设计中管道应力分析的水平及质量，进而提升石化工程整体质量。首先介绍了管道应力、应力分析管道的确定方法以及广泛应用于石油、化工、电力等行业的应力分析软件CaesarⅡ，有效分析了管道应力的基本流程，希望能够为相关研究提供参考。

[关键词]：石化工程；管道应力分析软件；应用

引言

石油化工装置设计中经常会涉及到高温、高压的压力管道，高温高压工况会引起管道应力值的改变。所以，此类管道设计时应进行充分的考虑管道柔性设计，以保证管道在各种工况下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移、管道支撑设置不当等引起管道易发生管道开裂、法兰泄露等情况，给装置安全运行和人员安全带来威胁。而石油化工装置中往往设备布置紧凑，大多管道又对管道走向有特殊要求，如步步高、管道对称等要求，管道系统的设计也越发复杂,使得管道的静态分析及动态分析工作也越来越受到重视。

因此，管道系统的设计水平逐渐成为衡量一个设计单位能否在激烈的市场竞争中获胜的关键。管道系统设计核心技术之一的管道应力分析是比较复杂的，手工计算十分不便，可靠性也不高，为此，设计部门通常采用计算机软件对管道应力进行模拟并分析计算。CAEARII管道应力分析软件是一款使用率较高的压力管道应力分析专业软件，使用方便快捷。可以进行静态分析和动态分析,同时该软件向用户提供完备的国际通用的管道设计规范,软件具有国际权威性，被广泛地应用于石化、电力、钢铁等行业。

1压力管道应力分析的意义

应力是指构件单位面积上所承受的内力。应力值随外载荷增大而增大。各种材料对应力承受能力有强度极限，当数据达到或超过材料极限，材料就会发生变形、破裂、失稳等现象，即失效或破坏。应力分析的意义在于保证管道在运行时所产生的应力在允许的范围内，保障安全。

2管道应力分析

2.1管道受力情况

管道承受的基本应力包括环向应力、轴向应力、剪应力和径向应力。环向应力由内压引起，方向垂直于轴向，平行于管壁圆周的切线。轴向应力是平行于管轴的正应力，包括由作用于管道的轴向力引起的管子轴向正应力、由内压引起的轴向应力以及弯曲引起的轴向应力。剪应力是作用在与材料晶体结构平面相平行的方向，并且可能使晶体相毗邻的平面相互产生滑动趋势的多种载荷。径向应力由内压引起，方向平行于管子半径。

2.2压力管道静力分析

１）满足标准规范前提下，进行管道与其相连设备的作用力分析，确保管道、设备安全；２）防止变形，进行一次应力计算；３）防止疲劳破坏，进行二次应力计算；４）保证支吊架和土建结构安全，计算管道位移、管道对支吊架和土建结构的作用力。

2.3校核标准

根据应力基本特征，将应力划分为一次应力、二次应力和操作应力：一次应力是由外载荷作用在管道内部产生的正应力或剪应力，无自限性，主要引起塑性破坏；二次应力是管道的变形受约束产生的正应力或剪应力，具有自限性和局部性，主要引起疲劳破坏；操作应力是由于载荷、结构形状的局部突变引起局部应力集中的最高应力值，它是脆性断裂和疲劳破坏的原因。

2.4压力管道的柔性设计

温度变化时管道系统热胀的可能性称为管系的柔性。它反映管道变形的难易程度，表示管道通过自身变形热胀、冷缩及其他位移变形的能力。管道的柔性越大，变形就越小。柔性设计基础条件包含温度、介质、壁厚、管径、材质、端点位移等。设计管道时，管道要有足够大的柔性，这样可以保证管道既能够吸收位移应变也能减少投资。通过柔性设计让整个压力管道有足够柔性，能提防因管系自重、温度、内压及外荷载或管道支架受限与管道端点附加位移引发的破坏。通过变换管道路径走向、换用不同形式支架改变支架位置、运用各种补偿器吸收较大位移减少管道应力这三种方法增加管道柔性。

3管道应力分析的程序

3.1接收三维图

在接收到配管工程师提交的管道三维走向图，应力工程师就开始编制详细应力分析管道表，准备着手建立应力模型。下面是配管工程师应该提交到应力工程师处的内容：（1）管径、壁厚改变点；（2）管道外载荷位置；（3）保温材料改变点及保温厚度；（4）对分析结果关心的位置。（5）管道的设计温度、设计压力与相应的改变位置；（6）管道约束点、支吊架点与给定位移处；（7）管道材料改变点；

3.2模型的建立

建立模型其实就是将需要开展分析操作的力学模型，按照特定规范，使得力学模型更加具体化，设计成可以机算的数学模型。

在实际运用的过程中，分析不同管系的时候，应该做到下面几点：

1. 通常来说，修改程序的背景温度应该控制在21.1℃。当然，不同项目所处的地理环境不同，所以温度肯定也不同，因此一定要有机结合项目的具体状况，统一规定并且修订相应的内容。

2. 导入弯头单元。程序中弯头的曲率半径一般是1.5D，亦可手动选择曲率半径。

3. 导入刚性单元。刚性单元的范围包括管道上的阀门、法兰、小型在线设施等。

4. 边界范围的划定。其中就涵盖了位移边界条件、力边界条件及弹簧边界条件，运用Caesar工具能够进行弹簧计算及人工校核弹簧。

5. 工况的组合。程序能够显示推荐工况的实际性能，但是载荷与均布载荷并未集中到工况组合，还需要借助人工操作完成这些信息的输入。

6. 如果需要计算机计算管线，需要确认和收集计算条件。计算条件包括管线走向、管道直径、壁厚、长度、材料、操作压力、操作温度，支架位置、形式及管口初始位移等。

7. 使用计算机进行应力计算，分析应力计算结果，确认是否合格。

3.3应力分析结果分析

分析结果应满足以下要求：管道上各点的一、二次应力值应小于许用应力范围；管道对设备管口的推力和力矩在允许的范围内；管道的最大位移量应能满足管道布置的要求。

应力分析结果若合格，提供计算数据，结束压力管道应力分析计算。当分析结果不合格时，可采取以下方案对管道进行调整：

1. 调整管道走向，通过自然补偿的方式增加管道柔性。

2. 合理设置支架，通过增加设置固定架、导向架、弹簧支吊架等改变管道的柔性。

3. 合理设置补偿器，通过设置波形补偿器、球形补偿器等调整管道柔性。

4. 对部分口径较大的管道，可合理设置冷紧，以减少管道对设备或固定点的推力和力矩，但应注意连接转动设备的管道不应采用冷紧。

5. 对于较为复杂的管系，可用固定点将其划分为几个相对简单的管系。

6. 当计算结果法兰校核无法通过而又无法优化时，可以通过提高法兰压力等级的方式提高法兰允许受力值，使满足应力要求。

结语

压力管道应力分析实际上是满足标准规范下对压力管道进行包括应力计算在内的力学分析，它关系到管道自身和与其相连的机器、设备、土建结构的安全及工程投资额，通过浅显分析压力管道应力分析对象和内容，归纳压力管道应力分析的步骤供他人参考。而CaesarⅡ的应用，能够有效促进管道应力分析质量及水平的提升，并且有效提升管道系统的整体质量及水平。但是CaesarⅡ还存在一些不足，因此，应该在实践过程中，不断优化完善此软件，进而有效提升整个系统运行的安全性及质量。采用CAESARⅡ这一国际通用的应力计算软件进行辅助设计，相比于过去仅使用简单的手工计算来说，使用CAESARⅡ之后，设计效率更高、更准确、更直观。

参考文献

1. 周长江.石油化工设计中的管道应力分析[J].山东化工，2017，46（20）：129-130.

2. 唐永进.压力管道应力分析（第1版）［M］.北京：中国石化出版社，2003.11-24.