工业管道柔性设计—【阀门小知识】NO.01114期

一、工业管道柔性的概念

管道的柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念，表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其他位移变形的能力。不同方式的支撑将会对管道的热胀起到不同程度的阻碍作用。对于空间管道，可能同时受到弯曲、扭转、剪切等。管道对约束点的推力也因管道中各单元的变形而发生了较大的变化。

进行管道设计时，应在保证管道具有足够的柔性来吸收位移应变的前提下，使管道的长度尽可能短。在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑管道端点的附加位移。

二、工业管道柔性设计的目的

工业管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管道的温度、自重、内压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况：

（1）因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏。

（2）管道连接处产生泄漏。

（3）管道推力或力矩过大，使与其连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行。

（4）管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏。

三、管系的柔性设计程序

（1）对于复杂管道可用固定点将其划分成几个形状较为简单的管段，如L形、π形、Z形等管段再进行分析计算。

（2）确定管道固定点位置时，宜使两固定点间的管段能够自然补偿。

（3）首先应利用改变管道走向获得必要的柔性，但由于布置空间的限制或其他原因也可采用其他补偿器获得柔性。

（4）在有毒及可燃介质管道中严禁采用填料函式补偿器。

（5）采用π形管段补偿时，宜将其设置在两固定点中部。

（6）冷紧可降低操作时管道对连接设备或固定点的推力和力矩，但连接转动设备的管道不应采用冷紧。与转动设备相连接的管道应满足无应力安装的要求。管道采用冷紧时，冷紧有效系数宜取三分之二。

（7）在管道柔性设计中，应考虑支架摩擦力的影响，摩擦系数应按下表选取。 

（8）当采用吊杆或弹簧吊架承受管道荷载时可不考虑摩擦力的影响。

（9）往复式压缩机和往复泵的进出口管道除应进行柔性设计外，还应考虑流体压力脉动的影响（振动分析）。往复式压缩机参照API 618及往复泵API 674

（10）管道柔性设计包括简化分析方法和计算机分析方法。分析方法应根据管道所连接的设备类型、管道操作温度和公称直径等设计条件确定。

（11）宜用计算机分析和不用分析的管道，详见《SH∕T 3041-2016 石油化工管道柔性设计规范》，也可参照其他标准规范的规定。

（12）管道柔性设计应计及下列动载荷：

a、水力冲击、流体流速变化和柱塞流等情形产生的冲击力；

b、露天布置的管道受到的风载荷；

c、地震载荷；

d、流体排放产生的反作用力。

四、冷紧的概念

此处的冷紧与法兰紧固件的冷紧不是一个概念，此处的冷筋类似于大型机泵的冷对中。

冷紧是指在安装时(冷态)使管道产生一个初位移和初应力的一种方法，冷紧通常是在安装时采用将管道割短(适用于操作温度高于安装温度情况)或加长(适用于操作温度低于安装温度情况)的方法来完成。冷紧的目的是将管道的热位移的一部分分配到冷态，从而降低管道在热态下的热胀应力和对端点的推力和力矩。冷紧并不能改变管道的柔性，因此也不能改变热胀的应力范围，但它能降低管道的热态力，故设计中时常被采用。

就钢材的强度来说，在常温下所能承受的荷载较之热态下所承受的荷载要大得多，因此将管道热变形转移到冷态的做法是有利的，所以，不同行业的管道设计规范都规定了对管道冷紧的要求。