化工装置中压力管道基于应力分析的柔性设计研究

　　

化工装置中压力管道基于应力分析的柔性设计研究

高升

(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250000)

摘要：随着近年来化工行业的快速发展，压力管道作为化工装置中介质输送的重要部件，其安全运行需求愈发凸显。本文围绕化工装置压力管道，基于应力分析开展柔性设计研究。首先，分析压力管道的主要应力类型及压力对其柔性的影响；其次，探讨柔性设计的核心原则、分析工具与流程及关键参数优化方法；最后，通过安全概述、初始设计应力问题剖析及柔性优化设计验证，论证该设计的有效性。本研究可为化工压力管道安全可靠性的提升提供新思路，有利于化工生产的稳定开展。

关键词：化工装置；压力管道；应力分析；柔性设计

Research on Flexibility Design of Pressure Piping Based on Stress Analysis in Chemical Plants

Gao Sheng

(CNOOC Petrochemical Engineering Co., Ltd., Jinan, Shandong 250000, China)

Abstract: With the rapid development of the chemical industry in recent years, pressure pipelines, as key components for medium transportation in chemical installations, have seen an increasingly prominent demand for their safe operation. This paper conducts a study on flexible design based on stress analysis for pressure pipelines in chemical installations. Firstly, it analyzes the main stress types of pressure pipelines and the influence of pressure on their flexibility; secondly, it discusses the core principles, analysis tools and processes, as well as key parameter optimization methods of flexible design; finally, it verifies the effectiveness of the design through safety overview, analysis of stress problems in the initial design and verification of flexible optimized design. This study can provide new ideas for improving the safety and reliability of chemical pressure pipelines and is conducive to the stable development of chemical production.

Keywords: chemical installation; pressure pipeline; stress analysis; flexible design

前言

近年来，化工行业向着大型化、高参数化的方向发展，压力管道是化工装置中物质输送的重要设施。其运行环境越发严苛，常面临高温、高压及腐蚀性介质的多重作用。基于此，管道系统因应力累积引发的破裂、泄漏等事故频发，不但威胁生产安全，还可能造成严重的环境危害及经济损失。柔性设计是解决管道应用的重要手段，其合理性直接关系到系统的安全稳定性。目前，如何基于精准的应力分析优化柔性设计方案，平衡管道刚性与变形能力，是行业需要解决的主要问题。本文结合化工压力管道的应用特点，从应力类型及影响因素入手，探索基于应力分析的柔性设计方法，并通过工程验证，为提升管道系统可靠性提供理论与实践支持。

一、化工压力管道的应力类型及影响因素

（一）化工压力管道的主要应力类型

在复杂工况中，化工压力管道承受的应用并不是单一类型，而是由多种内外因素共同作用形成的复合应力。根据应力的成因、特征及其对管道破坏机制，可将其划分为：一次应力、二次应力及峰值应力三大类型，三者在性质、影响与控制逻辑上存在明显差异。其中，一次应力是管道在外部载荷直接作用下产生的内力，其主要特征是与外力保持平衡关系，并且不具备自限性。这种应力主要源自管道内介质的压力、管道自身及介质的重力，还有设备对管道的附加力等。比如，当管道输送高压介质时，内压会使管道壁产生周向与轴向的薄膜应力，这种应力如果长期超过材料的屈服极限，会导致管道逐渐发生塑性变形，最后引起破裂。二次应力由于管道的约束变形引起，具备了明显的自限性。当管道由于温度变化出现热胀冷缩，或因设备位移受到限制时，变形受阻会导致内部产生反向的应力，这就是二次应力。不同于一次应力，二次应力的危害更多体现于周期性交变中：当温度、载荷等参数频繁波动时，二次应力会呈现“升高--降低--再升高”的循环变化，在长期的作用下易引起管道的疲劳破坏。峰值应力指局部应力集中形成的瞬时高应力，其特点为：作用范围极小、数值极高，但不会导致管道整体变形。这种应力多因管道结构的局部突变引起，如变径、弯头处的几何形状变化，或焊接接头的残余应力集中^[1]。

（二）压力对化工压力管道柔性的影响

管道柔性指其通过自身变形吸收工况变化的能力，是衡量管道系统抗风险能力的重要指标。而介质压力是干扰该能力的重要因素，其大小及波动状态通过改变应力分布，直接影响柔性设计的方向与效果。静态压力经提升管道刚性限制柔性。内压升高会导致一次应力中的薄膜应力增大，为防止塑性变形，应增加壁厚或选择高强度材料，这会影响管道的变形能力。比如高压管道壁厚大于低压管道，其弯曲、伸缩能力较强，若未匹配膨胀节等柔性元件，热胀冷缩产生的二次应力会超出许用值，引起连接益泄漏或管道变形。压力波动通过诱发交变应力削弱柔性耐久性。化工生产中，压力因工艺调整频繁波动时，管道会处于“受压——卸压”循环，导致一次应力与二次压力交替变化。这种交变应力会持续冲击材料微观结构，降低韧性与变形适应能力。如压力骤升骤降会使谈判峰值应力剧烈波动，反复冲击易产生微裂纹，而裂纹扩大会严重削弱柔性，形成恶性循环。压力和温度的耦合作用会加大对柔性的影响，高温高压下，压力会增强材料蠕变效应，高温则降低其强性模量，看似“增强”的变形能力实则是材料性能退化的表现。此时管道虽易变形，却可能由于过度变形破坏法兰密封性或支吊架稳定性，与柔性设计“可控变形”的初衷相悖，应经精准计算膨胀量、优化支吊架间距实现平衡^[2]。

二、基于应力分析的化工压力管道柔性设计方法

（一）柔性设计的核心原则

基于应力分析的柔性设计应以系统安全为核心，整合工艺特性与工程实际，形成多维度协同的原则体系。首先，安全底线原则，其是设计的前提条件，要求通过应力分析将管道各个部位应力严格控制在材料许用范围中。应重点管控一次应力防止塑性变形、二次应力交变避免疲劳失效，而且抑制峰值应力集中以降低脆性断裂风险。比如，对于高温高压管道，应通过设计保证其在全生命周期中的应力循环不超材料疲劳极限，特别强化弯头、焊缝等薄弱部位的应力约束。其次，工艺协同原则，强化设计与生产流程的适配性。柔性调整不可影响介质输送效率，如高黏度介质管道应减少不必要的弯曲以降低流动阻力，并结合介质特性选择柔性元件。在腐蚀性介质输送中，膨胀节需采用衬塑或合金材质，防止材质劣化影响工艺连贯性。再次，动态响应原则，要求设计具备应对工况波动的能力。针对压力、温度的瞬时变化，应通过补偿量预留、支吊架调节范围设置等方式，提前储备变形余量。比如，压力波动频繁的管道可应用波纹管连接，借助其弹性缓冲应力冲击，保证系统稳定性。最后，经济适配原则，强调平衡安全与成本。严禁过度设计引发资源浪费，如低压常温管道可采用L形自然补偿，不需复杂元件；高温高压管道则经优化布置可减少高端补偿器用量，实现安全与经济性的平衡。

（二）应用分析工具与流程

柔性设计应使用科学工具与规范流程，实现从理论到工程实践的精准转化。分析工具的选择应根据系统的复杂度，解析法基于材料力学原理，通过数学模型计算直管、弯头的应力分布，适用于简单管道，计算高效胆无法应对复杂系统；实验法通过物理测试获取实际应力数据，适用于高温高压等特殊工况，结果直观但成本较高、周期长；数值法则借助CAESAR Ⅱ、Triflex等软件，把管道离散为单元模型，模拟复杂工况中的应力分布，精度高且支持参数的更新，是目前主流工具。设计流程包括5个关键环节：1.工况解析，收集介质参数、设备位移及环境载荷等数据，明确应力控制指标；2.实施应力模拟，重点剖析弯头、焊缝等位置的应力分布和二次应力循环范围；3.方案更新，针对应力超限的问题，可通过调整管道走向、更换柔性元件等方式优化设计，反复计算直到达标；4.验证确认，通过水压试验、热态模拟等手段，保证实际应力与模拟结果一致，形成可实施的方案^[3]。

（三）关键设计参数优化

参数优化是柔性设计的核心，需针对材料、几何特征、补偿元件和支吊架精准调控。材料选择应匹配工况特性，高温高压管道优先选择耐高温合金，保证在400℃以上环境中保持韧性；腐蚀性介质管道应用耐蚀材料，防止壁厚减薄引起应力集中；低温管道则选择低弹性模量材料，可增强低温变形能力。几何参数优化聚焦管道的尺寸与走向，通过L形、∏形布置增加柔性，实验表明合理的∏形补偿能提高柔性30.0%以上；管径与壁厚应协同设计，大管径的管道设计中，可增加弯头数量以降低其刚性，高压管道应用“薄壁+加强环”的结构，具备耐压性与变形能力。补偿元件参数应精准匹配需求，根据工况选择膨胀节类型。轴向型用于直线段热补偿，横向型应对错位位移；补偿量按计算，其中“α”为：线膨胀系数，“L”为：管长，“∆T”为：温差；并预留10.0-20.0%余量应对波动；高压管道的膨胀节采用整体锻造结构，可防止焊接缺陷。支吊架的设计应平衡支撑与变形，一次应力主导的管道可采用刚性吊架增强承重，二次应力主导的管道需选择弹簧支吊架，允许热胀冷缩；支吊架间距需优化，高压管道控制在6-8米，低压管道放宽到10-12米，防止间距太大引发应力升高或太小增加成本。

三、工程安全分析与数据验证

（一）案例概述

本研究选择中石化上海石化的乙烯生产装置压力管道系统为案例。其为我国重要的石化企业，乙烯装置年产能达90万吨，对化工原料供应影响深远，压力管道系统的稳定运行关系到生产效益。该装置压力管道总长达5000余米，管径从DN125至DN750均有涉及。在材质选择方面，裂解炉出口至急冷器的高温管道，因需承受超800℃高温和10MPa以上的高压，需采用耐高温、高强度的镍基合金钢管；中温区域选择铬钼合金钢；常温低压的辅助管道则采用碳钢。管道输送的裂解气包括：乙烯、丙烯等多种烃类，易燃易爆且具腐蚀性。生产中，管道承受的压力在3-12MPa间波动，温度从常温至裂解炉出口的850℃大幅变化。由于生产负荷调整与设备检修，管道每天多次经历温压剧烈波动，如裂解炉切换时，压力短时间内变化可达3-4MPa，温度变化达200-300℃，对管道应力承受力考验较大，易引发疲劳、泄漏等问题。根据2018-2023年数据，该装置压力管道因应力问题发生4次泄漏、3次焊缝开裂故障。每次事故均致装置停产，单次停产时长达50小时，直接经济损失超250万元，对周边环境与人员安全也有潜在威胁。相关事故数据如表1所示。

表1 2018-2023年压力管道应力事故数据统计

事故类型	发生次数	单次停产时长（小时）	单次直接经济损失（万元）	对周边影响
泄漏事故	4次	≥50	≥250	有环境污染与人员安全风险
焊缝开裂故障	3次	≥50	≥250	有环境污染与人员安全风险

（二）初始设计的应力问题

通过深入研究，上述案例中压力管道系统存在许多应力问题，严重威胁管道安全运行。在一次应力方面，有的管道初始设计时对介质压力动态变化估计不足。如一段DN400用于输送高温裂解气的管道，在正常运行中，一次薄膜应力经精准计算达165MPa。而该管道使用铬钼合金钢，在相应温度、压力条件下，根据材料性能标准，许用应力仅：145MPa，超出比例约13.8%。如此，管道材料易出现塑性变形，导致管壁减薄，最终可能引发管道破裂，造成物料泄漏，甚至引起火灾、爆炸等事故。二次应力也存在隐患，因装置布局紧凑，有的管道走向设计受限，致使热胀冷缩时变形空间不足。以裂解炉与急冷器间的连接管道为例，因两端固定支架设置不当，当管道温度变化时难以自由伸缩，二次应力循环幅值达105MPa。但该材料的疲劳极限允许值为：80MPa，超出比例达31.25%。考虑到装置每年启停约50次，按照疲劳寿命推算，这段管道预计疲劳寿命仅6-8年，远低于装置20年的设计寿命，面临较大的疲劳断裂风险。峰值应力集中现象在管道关键部位也较明显。在管道的弯头、变径处和焊接接头等处，因几何形状突变及焊接过程中出现的残余应力，形成显著的峰值应力集中。如一处DN500管道的90°弯头，经专业应力检测，其峰值应力达材料屈服强度的88%。在交变应力反复作用下，该处极易出现疲劳裂纹，若裂纹扩大，将破坏管道完整性，引发泄漏事故，严重影响装置的正常生产^[4]。

（三）柔性优化设计与验证

针对上述案例中压力管道系统的应力问题，可从结构适配性与材料性能方面进行柔性优化设计。在管道走向优化中，选择应力集中频发的15处关键节点，增设“∏”形补偿段，应用其空间冗余吸收热胀冷缩产生的偏移量，通过增加管道自然补偿能力降低热应力累积效应。材质升级方面，对高温高压区段的DN400管道，将原生合金钢替换成镍基合金材料，其在800℃条件下的许用应力提高20.0%，并保持12mm壁厚以平衡刚性与柔性需求。支吊架系统改造中，将28处刚性支撑替换成可变弹簧支吊架，通过弹性调节释放管道因温度波动产生的约束应力，特别针对裂解炉与急冷器连接管段，使二次应力循环幅值得到控制。优化后经CAESAR Ⅱ软件模拟验证，显示一次应力、二次应力及峰值应力均降至许用范围。现场安装的应力传感器监测数据表明，连贯运行半年内管道应力波动幅度减少40.0%，未出现异常变形或泄漏，表明柔性设计方案可提升系统案例冗余度^[5]。

结论

总之，本文围绕化工装置压力管道基于应力分析的柔性设计展开研究，经构建核心原则体系、优化分析流程与参数，结合工程案例验证设计方法的有效性。研究表明，以应力控制为核心的柔性设计能提高管道案例冗余度。未来，应持续探究多场耦合下的动态柔性设计模型，为复杂工况下的管道系统提供更精准的技术支持，助力化工行业安全、高效发展。

参考文献：

[1] 何清秀.石油化工压力管道柔性设计探讨[J].中文科技期刊数据库（引文版）工程技术, 2023.

[2] 晏齐慧.基于化工压力管道柔性设计分析[J].中文科技期刊数据库(全文版)工程技术, 2021(12):2.

[3] 郑湘炜.石油化工压力管道柔性设计[J].中文科技期刊数据库(全文版)工程技术, 2021(12):3.

[4] 郑彬,汪妮妮.导向悬臂法在管道柔性和支架设计中的应用[J].化工设备与管道, 2021, 58(4):5.

[5] 钟新龙.石油化工压力管道柔性设计的浅析[J].大众文摘, 2022(19):0128-0130.

作者简介

高升(1992-), 男, 辽宁葫芦岛，工程师，硕士研究生，研究方向：石油化工管道设计。

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