火炬管线的应力分析研究

　　摘要：火炬单元基本是每个石油化工装置都需配备的，为整个装置提供安全保护。随着经济的快速发展，石油化工装置不断增大，带来的安全问题日益突出，火炬单元的重要性也越来越高。从火炬管线总体安全风险的角度来看，管线应力是不可忽略的一个重要因素。要进行有效的应力设计，就需要对应力作用机制进行有效的分析，并采取相应的灵活、恰当的对策，以达到降低管线安全事故的目的。文章重点阐述了火炬管线的应力设计，对火炬管线的应力状况进行了分析，提出了在火炬管线中进行应力设计的必要性，并对如何进行应力设计进行了探讨。

　　前言：近几年，石油化工行业得到了快速的发展，石油化工体系也得到了进一步的改善。这既是石油化工技术的创新与发展，也是石油化工产业发展的一个重要方面。火炬管线长期在高温高压下使用，其内部应力对管线的负面影响很大，从而造成很多事故，因此，在火炬管线的前期设计中，必须对管线进行优化控制，以减小后续应力对管线的影响。

　　一、火炬管线应力分类

　　火炬管线的应力是复杂的。在石油化工装置的运行中，火炬管线会受到不同程度的应力影响，并呈现出不同的形态。一般认为：首先，在火炬管线中应力以一次应力为主。一次应力在几乎每一种管线中都是普遍存在的，它对管线的冲击和威胁是比较直接的。如果超出了火炬管线材料的许用应力，就一定会出现故障。其主要应力表现为：弯应力和膜应力，它对火炬管线的安全造成了很大的影响，是造成管线破裂的主要原因。其次，二次应力也是火炬管线受外部因素的影响而产生的一种重要的应力形式。二次应力对火炬管线的破坏、变形也有较大的影响。比如，在火炬管线长时间使用过程中，热应力是最普遍的一种，其产生的原因是在环境温度的变化下，会对管线的稳定产生一定的影响，其产生的变形危险也是不容忽视的。另外，火炬管线的受力还应考虑峰值应力，峰值应力也是造成石油管线破损的主要原因。尽管与主、次应力比较，峰值应力是比较少见的，但其危险性较大。在火炬管线长时间使用时，易造成疲劳和严重的损害。

　　二、火炬管线应力分析的必要性

　　火炬管线的应力设计是火炬管线设计中的一个重要环节，它对确保火炬管线的正常使用具有重要意义。火炬管线通常都是大尺寸的，大部分还是不锈钢的。有时候减少一个弯头，可能就会节省十几万的费用，所以在火炬单元的设备布置时，就需要进行配管研究，同时进行火炬管线的应力分析，从而可以达到优化布置，节省材料，保证安全的目的。

　　三、改善火炬管线应力方法

　　1、火炬管线柔性设计

　　在过去的火炬管系设计中，金属波纹管膨胀节是一种重要的应力补偿形式。 由于波纹管膨胀节补偿量大，不改变管系的走向，过去的许多应力分析计算书中都采用了这种膨胀节进行应力补偿。但考虑到膨胀节会成为火炬管系的薄弱点， 尤其是当管道中存在凝结液时，膨胀节容易损坏，2014年开始执行的《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》SH3009－2013[3]中明确要求：新建工程管道（指可燃性气体排放管道）应采用自然补偿，扩建、改建工程管道宜采用自然补偿，且补偿器宜水平安装。但是在2021年6月1日实施的新版《压力管道规范工业管道 第三部分：设计和计算》GB/T20801－2020 中[4]规定：“火炬排放总管的热补偿应采用自然补偿，如因工艺和空间条件的限制，全场火炬总管公称直径大于或等于DN400时，宜采用金属波纹膨胀节进行热补偿，且在管道的适当位置应采取轴线限位和导向措施。”同时规定，“应有防止凝结液在波纹膨胀节处聚集的措施”，并要求“金属波纹膨胀节的补偿量至少应是热补偿管段的全温度范围位移量的 1.15 倍”。两部规范有矛盾之处，现阶段各大工程设计院的选择有了分歧，SEI倾向于第一种，采取自然补偿；而寰球则倾向于金属膨胀节。这两家大的设计院都有很多已经在运行的项目，经验都很丰富。我们目前的执行的思路是按“从严从新”，即选择要求最严格，规范最新的。这样做的好处就是安全肯定得到了保证，不足之处就是增加了材料，费用有所增加。

　　2、火炬管线材料的选择

　　在火炬管线的受力设计中，从管线自身入手是火炬管线安全可靠运行的一个重要先决条件。对管道材料的选择，进行优化是十分必要的。在火炬管线的材料选用中，除了要满足输送介质的性质，温度、压力等条件外，还要注意对所选管道材料的冲击机制和影响进行全面的分析。避免管线自身存在的问题，影响其长期使用。目前，火炬管线的材料已有较多的独立应用。设计者要重视对主要指标进行全面的分析与评估，尽量避免选用管材不当。

　　3、合理设计火炬管线支架

　　火炬管线的尺寸现在都比较大，在内蒙古久泰火炬项目，最大的火炬管线已经达到了DN2200，。在管线应力的分析过程中，应该慎重对待支吊架的布置、支吊架的型式以及个数，以减少管道的应力，并且保证每个支吊架都具有足够的强度和适当的刚度。可以优先通过调整支架位置、支架数量以及支架型式来降低管道应力。为了避免支架托空，受力均匀，可以使用弹簧支架，设计弹簧支架时，应尽量避免弹簧受到偏心载荷或者其他可能导致支吊架失稳的载荷，并应防止支撑处以外脱载。

　　四、结语

　　火炬单元不仅仅是化工装置安全生产、稳定运行的重要措施，同时也能减少环境污染，改善周围环境的环保措施。随着规范标准的升级，装置规模的扩大，人们对安全要求的提高。对火炬管线进行应力分析是保证火炬管线安全的重要手段。

　　参考文献：

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