石油化工管道应力设计要点探究

石油化工管道应力设计要点探究

屈丹

中石油吉林化工工程有限公司，吉林 吉林 132002

摘要：近年来，我国的石油化工行业有了很大进展，石油化工管道应力设计工作也越来越受到重视。随着油库的大型化，涉及的管系及相应管系的应力情况也越来越复杂。必须对石油化工管道进行应力控制与设计，以保证其安全运行。因此，本文首先分析石油化工装置工艺管道设计需要考虑的问题，其次探讨石油化工管道应力设计的要点，以期为提升石油化工管道应力设计质量提供参考。

关键词：石油化工；管道应力；管道设计；要点探究

引言

压力管道是石油运输和生产所必需的设备，根据原油加工形态可将压力管道传输介质分为液体和气体两类，不同传输功能对应的管道安全设计要求存在差异。此外，石油本身就存在易燃易爆的特征，再加上运输环境与设备性能的影响，极易导致安全事故。对此，技术人员应关注化工装置管道安全设计工作，通过管道结构优化、传输流程完善、防腐防爆等措施保障管道运输的安全性，防止石油泄漏，保护周围环境，降低石油开采和运输的风险。

1石油化工装置工艺管道设计需要考虑的问题

石油化工设备管道规划应考虑的相关问题有：首先，安全合理的工艺路线规划。管道工艺路线的确定在整个石化安装过程中起着至关重要的作用，工艺路线的质量直接影响到后续的工艺设计。因此，应优先考虑工艺路线的安全设计。使用更少的污染物和材料：在设计过程中，重要的是尽量减少对化工厂构成危险的危险环境，从而减少事故。为了避免复杂的操作，应尽可能简化工艺设计过程，并在设计阶段使用一些辅助材料，以减少工艺中的困难条件。第二，引入安全程序。工艺可靠性直接关系到石化装置的整体质量。管道技术应充分考虑所用材料的易燃性和防爆性能，并采取防火防爆措施；应建立适当的警报参数，以预测潜在风险并及时做出反应，防止事故升级。由于石化行业的独特性，项目建设周期通常较短。最后，如果设计师缺乏创新意识，在设计中做常规工作，缺乏积极思考的能力，在实践中不了解项目，忽视参数设计，这将不可避免地导致管道质量问题，甚至技术事故。

2石油化工管道应力设计的要点探究

2.1重视柔性设计的应用

石油化工管道本身具有柔性特性，当其弹性系数达到一定的要求时，能够更好地体现出良好的适应性，有助于增强石油化工管道后续应用稳定性，这也就需要设计人员高度关注石油化工管道的柔性设计要求和特点，促使其可以发挥出最优作用价值。在石油化工管道的应力设计中，应充分考虑管道本身的热胀冷缩特性，从而保证化工管道在未来的输送过程中能够适应不同的环境条件，从而避免在环境温度的影响下发生严重的断裂。毋庸置疑的是，石油化工管道的设计除了要注意管道本身，还要注意适当地使用相应的支架，以达到更好的适应性效果，避免疲劳损伤问题，从而有效地应对各种变形情况。

2.2减少应力破坏

受机械应力影响，管道容易出现低温脆性断裂现象，该现象主要发生在温度较低的运行环境中，此时的脆性断裂破坏是不可逆的，会对管道装置造成严重的影响。对此，技术人员应根据管道实际运行温度以及工作要求选择与环境相适应的低温材料，避免低温断裂情况的发生。通常情况下，管道外界环境低于零下20℃就属于低温环境，此时管道金属受液化气体气化反应影响也会出现内外低温的环境中，此时与环境低温相适应的金属材料就能够保障运输的安全，避免脆性断裂现象的发生。针对高温导致的管道变形或渗漏问题，技术人员应了解环境温度变化与金属材料恒应力作用之间的关系，明白高温会导致材料变形甚至破坏，因此可在金属温度升高至临界点之前采取一定的降温措施，积极应对高温变形问题。此外，技术人员还可以通过材料回火催化的方式进行处理，根据环境温度变化采取升降温应对方法。在超负荷或温度周期影响过大的情况下，管道金属可能会出现疲劳问题，进而导致变形或破裂，此时技术人员应采取抗疲劳设计，保障金属管道性质的稳定，延长管道的使用寿命。

2.3管道器材选用

（1）介质与材料的相容性。管道器材选用时，要考虑管道材料和管道介质具有相容性，这种相容性的表现是管道材料的耐腐蚀性。石油化工中，腐蚀是一种常见现象，也是损坏管道或者其他设备的主要原因之一。腐蚀可分为均匀腐蚀、局部腐蚀以及应力腐蚀等几种，其中应力腐蚀有外力作用，局部腐蚀难以发现，不好提前采取预防措施，但对于均匀腐蚀，可以通过选用耐腐蚀材料或是复合耐腐蚀材料来预防腐蚀。石油化工生产中，常见的腐蚀有氢损伤、应力腐蚀开裂等。其中氢损伤的原因是钢中含有的不稳定碳化物与氢发生反应，表现为材料表面表皮开裂脱落。另外，应力腐蚀开裂是没有办法预料的，主要是因为这种腐蚀同时加有外力的作用。应力腐蚀的预防措施应该着重放在降低加工和焊接的残余应力上，残余应力没有办法避免，只能采取有效措施降低各种残余应力。（2）材料的适用性。管道材料的使用温度是有一定限制的，其温度不能超过材料允许使用温度的上限和下限。管道材料在使用过程中，由于温度、压力等因素而出现的几种现象有蠕变失效、石墨化、高温疲劳破坏、回火脆化、低温金属材料脆性失效以及低熔点金属的物理腐蚀性等。因此，要求石油化工企业在生产过程中，要提供一定的温度、压力等适合的条件来延长各种材料的使用寿命。（3）管道材料的可加工性。管道材料的可加工性是考虑到管道使用中的安全问题，由于管道能否安全运行受焊接质量高低的直接影响，因此管道材料要选择可焊性好的材料，这些材料具有高焊接连接强度、密封性好等优点。

2.4外输泵进出管线约束的设置

进行外输泵管道设计时，必须使进出口管道具有足够的柔性，以减小管道作用于泵管口处的力和力矩。泵进口侧压力低，需要考虑吸入条件，不适合像出口侧一样可以任意改变走向来增加管线柔性，需要在约束条件方面多加考虑。常规的做法是在泵的进出口附近，加限位支架，通过限位支架的受力来减小管道作用于泵管口处的力和力矩。通过对外输泵的管系应力状况和受力进行分析，其应力状况均保持在实际经验允许的范围内。需要重点分析泵口的受力，限位架的轴向推力，支吊架的承载能力。在泵进口弯头处加止推座，再通过应力分析软件对外输泵的管系应力状况和受力进行分析，与常规加限位支架的做法作对比验证。

2.5泵的管道合理设计

（1）泵入口处偏心直径管道的设计。泵进口偏心管的合理设计主要是为了保证泵的正常运行。当泵入口的偏心直径发生变化时，气体不会积聚在直径发生变化的区域，从而导致气体现象。因此，在泵入口处安装偏心直径时，应使用上层的安装方法，排气阀应安装在最低点，以避免出现间隙。（2）泵入口直管段的设计。泵入口管的设计通常考虑两个因素：首先，泵入口应在一侧，泵入口管支架应可调节，入口管和阀门应在泵的前部。其次，必须避免泵入口管线中的空气阻力，因此设计必须考虑到这一点。（3）柔性管道。由于泵的旋转机构，按压油管会导致油管头错位。有鉴于此，管道设计必须确保泵喷嘴上的压力在允许范围内，尤其是在热补偿方面。

结语

影响石油化工管道设计过程的因素很多。石油化工管道作为石油化工厂物料运输的专用设备，其作用不容小觑。管道的类型也因用途和操作条件而异。对于大型油库这种复杂管系，应力分析设计起到非常关键的作用，计算结果精确、直观，相对人工计算的低效和准确性差，应用软件计算的准确性不但更髙，建立的模型也可通过调整参数加以重复利用，所以大型站库复杂管系采用应力分析的方法进行设计较常规设计有一定的优势。

参考文献

[1]杨学松.化工设计中管道应力分析软件的应用探索[J].现代盐化工，2022,49(01):70-71.

[2]王进飞.化工装置中安全阀工艺设计及附属管道应力分析[J].化工管理，2022(01):120-122+143.

[3]姜圣翰，范凯，王用超，等.云计算在核级管道应力分析与优化设计中的应用研究[J].核动力工程，2021,42(S2):150-153.