沈 强

（神华工程技术有限公司安徽分公司，安徽合肥 230009）

以某工厂反应釜中的工程实际管线设计为例，分析管道力学分析的内容和方法以及夹套伴热式压力管道的设计思路和方法，该工程实际管线位于该工厂1号和2号反应釜之间，其中1号反应釜底部装有物料输送泵，该泵使用管线与1号和2号反应釜相互连接，而且输送泵输送的物料为熔融状态。所以该管线需要使用夹套伴热式压力管道，防止物料输送的过程中热量散失最后凝固。

1 管道力学分析的内容和方法

1.1 压力管道的特点

1.1.1 应用管理环节多

工业生产过程中一般使用的压力设备分为压力容器和压力管道两种，但是有些物料输送过程中无法使用压力容器，压力管道的使用是必须的，但是压力管道与压力容器相比应用管理环节要多很多，压力管道的种类比压力容器多，工厂使用压力管道的数量比压力容器大，而且压力管道的设计、制造和安装等过程均比压力容器复杂，所以压力管道的应用管理环节多。

1.1.2 边界条件复杂

压力管道的长度比其他设备更长，所以在设计过程中需要考虑的因素就更多，设备因素、支撑因素、地理位置因素、城市规划因素等均对压力管道有一定的影响。工业生产中压力管道的作用一般为输送物料，而且输送物料的管道跨越的空间比较大，尤其是长输管道。为了计算压力管道的薄膜应力，必须考虑设备因素、支撑因素、热胀冷缩因素以及振动因素，因此压力管道的边界条件比较复杂。

1.1.3 安装工作量大

工业生产过程中很多流程都需要使用压力管道输送物料，压力管道比较长、跨越空间大、种类多，所以压力管道安装的过程中需要注意的安全隐患比较多，压力管道安装的工作量比较大。

1.1.4 应用种类多

工业生产中流程较多且比较复杂，每个阶段需要的物料种类都是不同的，不同生产流程中输送管道的要求也有所不同，因此工厂需要使用多种类型的压力管道才能满足工业生产各个流程的需求。

1.1.5 质量控制难

工业生产对压力管道的要求比较高，管道的质量必须达到要求才能正常使用。但是管道在使用中的质量受到操作、环境、应用、制造工艺、材料等因素的影响，管道质量必须同时对这些因素进行控制才能符合工业生产中物料输送的要求。所以压力管道必须充分结合金属材料学、金属腐蚀学、材料力学、振动学、流体力学等学科知识，否则不能控制压力管道的质量，这些属于压力管道在设计阶段需要控制的因素，设计阶段满足要求后再对制造、安装以及应用三个环节进行控制，才能保证压力管道能够安全输送物料且经济合理。

1.2 管道力学的内容

1.2.1 管道静力分析

压力管道应该在计算压力载荷和持续载荷作用、热胀冷缩以及端点附加位移载荷作用、管道对设备作用、支吊架受力以及法兰受力五种情况下进行静力分析，防止压力管道塑性变形被破坏、疲劳破坏或者不能正常运行。

1.2.2 管道动力分析

压力管道应该对自振频率、强迫振动响应进行动力分析，防止管道系统共振或者振动不受控制。往复压缩泵应该对柱频率、压力脉动进行动力分析，防止往复压缩泵气柱共振或者压力脉动不受控制。

1.2.3 管道载荷分析

压力管道的载荷分析可以具体分为：管道自身、保温状态下、输送物料状态下的重力载荷；内部和外部的压力载荷；热胀冷缩、支撑等方面的位移载荷；自然因素中的风载荷和地震载荷；阀门起闭时的瞬变流冲击载荷；两相流脉动载荷；往复压缩泵产生的压力脉动载荷；设备简谐运动产生的机械振动载荷；其余应力载荷。

1.3 管系静应力分析方法

本文主要介绍矩阵解析法，该种方法的原理是通过结构力学建立管道的力学方程，然后以矩阵的形式联立不同的力学方程形成关联方程组，最后求出关联方程组的解即可得到强度判断条件，求解的过程中还需要使用弹性和塑性力学准则。矩阵解析法求解一般需要使用SAP-5、CAESAR Ⅱ、等值刚度、SIMFLEX-Ⅱ等分析程序。SAP-5分析程序是我国最开始使用的一种，是从国外引进的，该程序可以计算大型的结构弹性以及不同结构的应力，包括压力管道的静力分析和动力分析，但是该分析程序操作比较复杂，当前已经被市场淘汰。而等值刚度分析程序与SAP-5类似，都是早期使用的管系静应力分析程序，由于功能性不足的原因当前也已经不再使用。CAESAR Ⅱ和SIMFLEX-Ⅱ分析程序是当前主要使用的两种，但是CAESAR Ⅱ分析程序对一些非线性应力的受力分析计算有所不足，所以该方法具有局限性。而SIMFLEX-Ⅱ则相对功能比较全面、操作比较简单、适合大多数关系静应力分析的计算，所以当前市场主要使用SIMFLEX-Ⅱ分析程序对管系静应力进行分析和计算。

1.4 SIMFLEX-Ⅱ应力分析法

SIMFLEX-Ⅱ应力分析法分为数据输入、程序运行、计算结果分析与判定三个步骤，数据输入步骤需要选择管道走向变化的位置、管道界面尺寸变化的位置、管道支吊架的位置、固定端位置、刚或柔件两端位置、冷紧扣两端位置以及载荷集中位置的数据，具体可以分为温度、材料、应力、弹性模量、泊松比、密度、厚度、形状、结构、约束条件、位移、端点类型、载荷等方面的参数。程序运行之前需要对数据输入的正确性进行检查，有一些数据输入错误出现明显的逻辑不合理，此时SIMFLEX-Ⅱ分析程序会发出错误警报并提醒对输入数据进行修改，而有些分析程序检查不出来的错误则需要人工进行再次检查。数据检查完成之后可以利用自重载荷、温度工况、压力工况、集中载荷、位移载荷等参数计算出操作工况下管系对边界的推理、管系输入数据中各点的一次应力值和二次应力值。计算结果分析和判断需要分别对一次应力、二次应力、位移分析、推力和力矩分析进行评定。如果评定结果发现强度过高可以适当对管系设计进行修改，压力管道的设计不只需要保证强度、材料等性能符合要求，还要尽可能地降低管道成本，所以这种情况下降低材料的强度达到缩小成本的目的是必要的。

1.5 管系的热胀及柔性设计

管系热胀的膨胀量公式如下：

公式（1）中各指标意义如下：Δt为压力管道在温度为T时的膨胀量，单位为mm；at为压力管道在温度为T时的热膨胀系数，单位为℃，一般T=20℃时at=0；ΔT为压力管道提高的温度；l为压力管道的长度，单位为mm。

根据材料力学理论可以得到管道压缩变形量的公式如下：

公式（2）和（3）中各指标意义如下：Δt与l的指标与上文相同；εt为压力管道的应变量；σt为压力管道内的应力，单位为MPa；E为压力管道的弹性模量。

由式（1）和公式（2）、（3）可知：压力管道受热膨胀时长度和温度成正比；压力管道端点的位置量与膨胀量相同；压力管道的温度和线膨胀系数与截面积成正比关系；压力管道的推力与内力值相等。

因此，管道柔性设计需要分别从空间走向和尺寸、管道辅助设施的刚度、管道中间支撑、管道柔性元件的应用、管道摩擦力以及管道冷紧等方面进行设计。管道的空间走向应该尽量以长度最短和拐弯最少为主，如果管道柔性因素未达到要求，可以适当改变其空间走向和结构尺寸。管道辅助设施需要缓解管道的柔性矛盾，所以其他刚度必须满足受力能力，同时在管道与辅助设施的连接位置可以使用柔性管件进行连接，同样可以起到缓解管道柔性矛盾的作用。管路可采用弹簧支吊架来提高管路柔性，刚性支架对管路起支撑作用，但也限制管路位移，热膨胀时管路受刚性支架影响。大直径压力管道的摩擦力比较大，管道摩擦力设计时需要考虑到摩擦力对支架的影响。管道冷紧也是设计时必须要考虑的因素，管道与敏感设备连接不能采用冷紧，冷紧会对管道施加附加力，不利于管道的稳定运行。

2 夹套伴热式压力管道设计

2.1 工艺流程

本文主要设计的压力管道位于工厂的1号和2号反应釜之间，1号反应釜下方的出口与管道输送泵的入口相互连接，管道输送的出口与2号反应釜的入口相互连接，该管道负责将1号反应釜的产物输送到2号反应釜中作为原料参与反应。1号反应釜生成的是熔融状态产物，压力管道需要输送高温产物。所以该工厂工业生产中需要使用夹套伴热式压力管道，伴热温度平均值为246℃，管道压力为1MPa，需要保证输送管道中的熔融状态物料温度维持在200℃，所以夹套管的材料使用厚度为30mm 的岩棉。在管道输送泵的作用下，熔融状态物料的平均压力为1.3MPa。因此根据工艺流程可以计算出该压力管道的外部夹套管应该选择外径为6英寸的管线，内部压力管道应该选择外径为4英寸的管线，管线的连接位置使用等级为300磅的不锈钢法兰。根据管道中物料的温度和压力以及操作温度可以判断该管道设计的要求为B 级。

2.2 泵出口管线设计

由于夹套伴热式压力管道输送的物料温度达200℃，在操作状态下会产生较大的热膨胀。因此本文使用SIMFLEX-Ⅱ应力分析法对其进行柔性分析，通过柔性材料的使用降低热膨胀对管道产生的力、力矩和二次应力。本文根据泵口受力情况的不同分别设计出图1中三种夹套伴热式压力管道方案。

图1 夹套伴热式压力管道设计方案

图1（a）夹套伴热式压力管道设计方案中泵出口管线直接合并，图1（b）夹套伴热式压力管道设计方案中泵出口CA-201B 侧加长了400mm，图1（c）夹套伴热式压力管道设计方案中在58点增加竖向支撑。

如果用FXX 表示管道X 轴的轴向力、FYY 表示管道Y 轴的轴向力、FZZ 表示管道Z 轴的轴向力、FRA 表示管道的轴向力合力、MXX 表示管道的X 轴力矩、MYY 表示管道的Y 轴力矩、MZZ 表示管道的Z 轴力矩、MRA 表示管道的合力矩，图1（a）、图1（b）、图1（c）中管道的泵出口分别为CA-201A 和CA-201B，则可以得到CA-201A 侧泵出口的受力分析情况如表1所示；CA-201B 侧泵出口的受力分析情况如表2所示：

表1 CA-201A侧泵出口的受力分析情况

表2 CA-201B侧泵出口的受力分析情况

由表1可知，CA-201A 侧泵出口的受力分析情况中，设计方案3表现最好，且设计方案3能够满足夹套伴热式压力管道的设计要求。

由表2可知，CA-201B 侧泵出口的受力分析情况中，设计方案3表现最好，且设计方案3能够满足夹套伴热式压力管道的设计要求。

因此，无论是CA-201A 侧还是CA-201B 侧，夹套伴热式压力管道设计方案3都能够满足要求。

2.3 管线的应力分析

管线的盈利分析一般分为两种情况，第一种情况为工厂停工或者安装管道阶段，此时管道的温度与室温基本保持一致，本文对该种情况下管线的受力分析温度取20℃。第二种情况为工厂运行中，此时管道的温度需要保持在200℃，但是由于管道中熔融状态物料进入到管线之中时温度为246℃，所以管线的操作温度为200℃和246℃。温度不同管线的应力情况也各不相同，由于管线的操作温度存在一定的差异，所以管道的各段应力情况也有一定的差异。安装和停工状态管线不会发生热膨胀、振动、脉动等情况，在重力影响下应力情况相对稳定。操作状态下，管道泵口受热膨胀的影响会发生偏离，端点发生位移。该操作状态平均温度为135℃，该管道的热膨胀系数为1.3417mm/m，设备横向位移和纵向位移距离分别为650mm 和1345.5mm，所以可以计算出端点的横向位移和纵向位移分别为0.65×1.3417=0.872mm、1.3455×1.3417=1.81mm。因此CA-201A 端位移为（-0.872，-1.81，0），CA-201B 端位移为（0，3.259，-0.543），符合设计要求。

2.4 运行情况调查

夹套伴热式压力管道设计方案3在2017年投入某工厂正式使用，根据该工厂反馈回来的使用情况可知，该设计方案完全满足该工厂生产工艺的需求，既保证了输送物料的过程中不会散失大量热量凝固，又保证了该管道不会因热胀而受损。

3 结束语

综上所述，夹套伴热式压力管道设计既需要保证工艺和机械性符合要求，又要满足生产实际要求。管线柔性设计可以保证泵口荷重满足要求，管线测量重量是为了降低自身荷重和热胀的影响，管线工艺要求设计是为了满足设计方面的要求，管线波纹膨胀节形式与夹套伴热式膨胀节共同使用可以满足工艺方面的要求，不锈钢片波纹膨胀节可以保证机械性符合要求，SIMFLEX-Ⅱ程序在设计中使用可以保证管线在操作温度和压力下可以正常工作。