李 龙，库伟转

(华东理工大学工程设计研究院有限公司，上海 200237)

管道布置设计的过程，是依据管道及仪表流程图、设备平面布置图和相关专业的要求，用管道和管件将连接所有的设备。在管道布置设计过程中，除满足工艺和布置专业的要求外，还需要综合考虑管道设计的安全性及经济合理性，实现上述要求就需要对管道进行应力分析及柔性设计[1]。

1 管道应力分析[2]

1.1 管道应力分析的目的

对于管道应力分析，其目的可以从以下几个方面考虑：

(1)根据规范要求，确保管道应力计算结果在规范允许的范围内，以保证管道系统的整体安全。

(2) 使动设备和静设备的管口载荷，符合设备制造商提供的载荷数据或行业标准的要求，使其能够长时间平稳运行。

(3) 给结构及各种支撑提供设计载荷。

(4) 确定管道热位移和各种冲击载荷引起的管道位移，以满足管道平面布置要求。

(5)解决管道系统中的动力学问题：机械振动、脉动、安全阀排放等。

(6)为配管设计的优化提供支撑。

1.2 管道应力分类

管道应力，是指管道系统在受管内介质的压力、温度、重力和外部荷载风、雪、地震等，以及管道的附加位移等多种载荷作用下产生的应力。虽然压力管道的应力分类在相关文献中没有明确规定，但在管道应力分析的实际工作中，不同荷载类型引起的应力可分为一次应力和二次应力。

1.2.1 一次应力

一次应力是由持续荷载的作用产生的应力。它随着持续荷载的增加而增加，其特征是没有自限性，并且破坏类型会导致塑性变形破坏，解决的方法是增加管道系统的刚性。持续荷载一般由力驱动，主要包括压力、重力、弹簧预紧力、冰雪及与外加荷载等。持续性荷载的主要特征是不会随着结构的变形而消失。持续荷载需要满足静力平衡条件，一旦平衡破坏，就会使材料发生屈服变形，该变形是不可逆转的，最终，由屈服失效等引起的整体垮塌是最为严重的。偶然荷载如风、地震等也属于持续荷载。

1.2.2 二次应力

二次应力是由于位移荷载引起的应力。它不需要与外力直接平衡，具有自限性，而破坏类型主要是疲劳破坏，解决方法是增加管道系统的柔性。位移载荷通常由位移驱动，例如由温差引起热膨胀和冷缩、设备管口附加位移等；热膨胀荷载的特性是自限性的，并随着管道形状的热胀变形而消失，如果变形不能被吸收，将转化为结构的局部屈服及二次应力。热胀荷载与疲劳密切相关；热胀载荷的大小与管道长度无关；失效形式为疲劳破坏；特别当位移荷载很大时，管道系统无论通过怎样的变化都无法使位移荷载的需求得到满足时，可能会导致管道在一次加载中就被破坏。

由上面可以看出，由于一次应力不具有自限性，它比二次应力更危险，所以应该在应力分析过程中得到限制。

2 管道柔性设计[3]

管道的柔性反映了管道系统变形难易的程度，反映了管道系统通过自身形状的变化来吸收热涨、冷缩以及其它附加位移变形的能力。

2.1 管道柔性设计的目的

管道柔性设计的目的是在设计条件(或者最苛刻操作条件)下使管道具有足够的柔韧性，防止因管道设置安装不当等，从而导致以下问题：

(1)管道局部应力过大、材料局部发生疲劳，使管道发生损坏；

(2)管道与设备管口接管处推力或力矩过大，导致设备管口易发生损坏；

(3)管道推力或扭矩过大，造成设置的支吊架损坏；

(4)管道法兰连接处发生泄漏。

2.2 增加管道柔性设计的方法

为了增强管道的柔性，解决上述出现的问题，主要方法有：通过改变管道的走向，选择波形补偿器、套管补偿器或球形补偿器，合理设置、选用弹簧支吊架。

在空间和支撑点条件允许的情况下，增加管道系统柔性的方法优先考虑通过改变管道走向和选用弹簧支吊架。当管道的固定点位置一定时，通常认为增加管道的长度可以增加管系的柔性；如果管道系统如果在任一方向上刚度都过大，管道的长度可以考虑在与其垂直方向上增加，以增加管道的柔性。合理设置选用弹簧支吊架，不仅可以解决刚性支架不受力的问题，而且可以使支撑点处有垂直位移，放松约束，增加管道的柔性。当管径较大、场地空间受限或者为了满足工艺要求管道连接最短，会采用补偿器。但是由于补偿器价格较高、制造复杂，而且不适用于压力较高的管道，补偿器的安装位置是管道系统中的薄弱环节，应尽量少用。

3 案例分析

输入条件：某实验台架项目，介质为水，采用CAESAR II计算了两台离心泵进出口管道的受力情况，输入条件为：

管道材质：A312 TP316；管道规格：φ168.3×16mm，φ139.7×14mm；操作温度：320℃；操作压力：18 MPa；设计温度：350℃；设计压力：20 MPa。

根据管道专业提供的ISO图输入建成的模型如图1所示。

图1 管道专业提供布置图

Fig.1 Pipeline professional layout

经计算分析，两台泵出入口的受力情况校核如表1：fa、fb、fc分别表示轴向应力、竖向载荷、横向载荷；ma、mb、mc分别表示扭矩、竖向弯矩、横向弯矩；Forces Check、Moments Check分别表示和厂家提供载荷及力矩的比值。

泵1入口节点号460；泵2入口节点号880；泵1出口节点号540；泵2出口节点号920。

泵管口受力校核的标准根据泵厂家提供的载荷数据，最大受力情况不能超过提供数据的1.5倍。根据计算结果发现泵1入口力矩超出限值，泵2入口受力超出限值，不满足设备厂家提出的要求。

表1 泵出入口管口受力校核情况

根据输入条件，泵出入口管道的压力和温度否很高，不能使用采用设置补偿器的方式来改变管道柔性，只能采取通过改变管道走向和设置弹簧支吊架的形式，来增强管道柔性，改善管口受力情况。

最终的解决方案是改变泵入口管线的走向，并在入口管线310点及1513点设置弹簧支吊架；在出口管线1090点设置-X方向的止推支架。

泵管口受力校核的标准根据泵厂家提供的数据，最大受力情况不能超过提供数据的1.5倍。由计算结果发现所有受力及力矩都在设备厂家允许的范围内。

经过优化后的管道走向如图2所示。

图2 优化后管道布置图

Fig.2 Optimized piping layout

根据优化后的管道布置，计算所得泵管口受力情况如表2所示，符号表示的意义见前述。

泵1入口节点号460；泵2入口节点号880；泵1出口节点号540；泵2出口节点号920。

表2 优化后泵出入口管口受力校核情况

根据CAESAR II的计算结果，不断优化管道布置。在整个离心泵出入口管道优化的过程中，不仅解决了泵口受力不满足厂家提供载荷的问题，而且解决了原来管道刚性支架脱空的问题。

4 结语

综上所述，应力分析是针对管道系统存在的受力情况进行理论分析，分析结果为管道布置、设备布置、土建设计以及支吊架设置的安全性提供了理论参考。而管道柔性设计，则是在应力分析的基础上，根据设计人员经验、设备厂家及工程实际情况等限制性条件，采取合理改变管道走向、使用补偿器、合理设置支吊架等技术手段进行系统分析，使管道的柔性设计满足相关要求，最终保证管道的安全性。CAESAR II是实现这一目的的工具，CAESAR II的使用使整个过程可视化、标准化，熟练准确合理的运用CAESAR II建立管道模型为管道系统的本质安全设计提供了技术支撑。