引言

在石油石化的管道设计过程中，简单的应力管线，设计人员可以根据知识和工程经验在设计之初就对管系柔性进行提升，而当管系复杂或者需要确切的推力/位移/应力比数值，就需要引入CAESAR II软件报告去合理调整布置或者支架。

1 管道柔性设计的目的

在石油化工行业中，管道设计作为装置建设中承上启下的主体部分，是十分复杂的。它包含了四大部分，分别是应力分析、管道布置、材料选择和设备布置；其中应力分析又是管道布置的重点，是影响设备布置的关键因素，还负责对相关管道选材进行校核，可见，如何在应力分析的基础上做好柔性设计就成为管道专业的一项重大课题。

2 管道的损坏与柔性

2.1 管道损坏的分类

在多次与业主单位的沟通交流中，可以将管道损坏归类为由一次应力引起的塑性断裂破坏和二次应力引起的疲劳断裂破坏.

一次应力：是由持续荷载所作用产生的应力,它随着荷载的增加而增加，由机械外载荷引起的正应力和剪切应力，破坏类型是导致管道发生塑性形变。

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，由于变形受到约束所产生的正应力或剪应力，破坏类型主要是疲劳破坏。

2.2 增加管道柔性的基本方法

为增加管道的柔性，主要方法有：①改变管道的几何形状。通过增加弯头或改变管道走向，设置合理的自然补偿来增加管道的柔性。②安装工况下加载合适的预应力。常见的方法有冷拉/冷紧，这是在安装时给管道主动加载一个预应力，平衡工作中因热胀冷缩引起的应力和位移。③使用弹簧支吊架。弹簧支架可有效消除不同工况引起不同位移、不同荷载的不利影响。④选用膨胀节等补偿管件。膨胀节可以吸收管道位移，但其适用面窄成本较高，也限制了其应用场景。

在条件允许的情况下，优先选用改变管道走向以增加管系柔性，即使用自然补偿来吸收管道的位移与应力。常见的自然补偿方法如在前后两个固定架之间设置Π型补偿器。自然补偿建设成本低、效果好，在管道设计中大量应用。

3 以蒸汽管线为例简述CAESAR II的应用

蒸汽管道运行过程中，由于管内温度与环境温度差异等因素，管道轴向产生较大的位移和推力；若没有合理吸收热胀的措施，小则损坏管系，严重时将造成安全事故。下面将以无棣鑫岳某项目管廊上蒸汽管道为例，来说明如何进行准确的管道的柔性设计。

3.1 项目中的应用实例

该项目中蒸汽主线位于主管廊，引出各个支线至各个装置用电。受地形影响，部分分支需要经过较长的直管才能接入。若直接对接，产生的位移和推力将直接作用在三通上，很可能会导致管道应力校核超标，但基于经验的判断往往不够准确且无法定量。对于此常规做法一般是采用加弯头改变管道走向的方法来进行增加柔性，想知道确切的位移和推力数据只能借助于CAESAR Ⅱ。管道走向输入软件并计算得知管系应力比超标到118%，如下图。

图1 支管直接接入总管         图2 管道应力比校核不合格

这时候，一般可以通过改变走向、增加弯头来增加管道的柔性。使用管道走向修改如下，方案如下图：

图3 修改走向增加柔性

通过CAESAR II应力分析发现，增加柔性后，三通所在的点最大荷载符合一次、二次应力要求，应力比也从原来的118.5%降低至54.1%。

图4 管道应力比校核合格

可以发现，根据CAESAR II的计算结果，我们可以不断的优化管道布置，在管廊整条蒸汽管线中，CEASAR II的引入不仅解决了受力不明的问题，在计算结果中还有精确的荷载显示，为管系设计的本质安全提供了有力的技术支撑，也对管道支架的设置提出了指导意见。

4 结语

管道应力分析是一个系统的、整体性分析。保证管道安全，保证设备安全，对装置的平稳运行起到了至关重要的作用。从本文的简要分析我们能够看出，管道设计中只有将工程经验和CAESAR Ⅱ软件结合起来才能做好管道的柔性设计，保证管道的合理性和科学性。

参考文献：

［1］杜晟杰•蒸汽管道柔性设计方法M•当代化工，2016,45(4)：850-852.

［2］吴文本.管廊上蒸汽总管的柔性设计探讨［J］•化学工程与装备，2016(9)：184-187.

［3］宋元华.蒸汽管道热应力分析及补偿装置的安装口］•铜业工程2012,(4)：64-67.