读《管道应力工程》-PIPE STRESS ENGNIEERING 第1集 管道应力分析的范围

                                                                                                作者：重庆碧唯科技 梁尤海（经作者授权转载）

      管道系统是将介质从一个点运输到另一个点的最有效和常见的方式。在石化厂内，可以看到大片大片的管道朝各个方向和不同高度延伸。管道占了工艺装置材料的25%到35%，需要30%到40%的安装劳动力，并消耗40%到48%的工程人工时。然而，管道的实际重要性可能远远超过这些百分比。

整个管道系统由大量部件组成。仅仅一个部件的故障就有可能导致整个装置、工厂停产，甚至更糟糕，引发严重的公共安全问题。尽管如此，学界普遍认为管道是一个低技术的学科。很少有大学专门开设这个专业的课程，工程师只能通过实际的实践来获得这方面的知识。

    为了确切的了解管道应力分析在管道设计过程中的位置，让我们首先了解一下设计管道系统涉及到哪些流程。管道系统的设计通过不同的工程学科按以下步骤完成：

第一步: 工艺流程工程师根据工艺要求和工厂产能，确定流动路径、流动介质和数量以及操作条件等内容。然后，他们将所有这些信息记录在工艺物料平衡图（PFD）里面。

第二步：材料等级工程师根据介质的流动流程和所包含的介质反应特性，为管道系统分配适当的等级类别。每个等级适用于特定的流体类型组合以及温度和压力范围。材料等级通常包括管道的材料、每个管道尺寸的管壁厚度、腐蚀和磨损余量、法兰级别、阀门类型、管道配件和支管连接类型、螺栓材料、垫片类型等。

第三步：系统工程师将工艺物料平衡图（PFD）、材料等级（SPEC）和设备数据表结合起来，创建操作管道图。他们选择适用的等级，并根据流量、允许的压降和流动稳定性确定每条管线的尺寸。管道图通常与必要的仪器仪表和控制系统结合在一起，合成为管道和仪表图（PID）。

 在这些图上还会标识出潜在的两相流和柱塞流区域，以便在设计和分析中特别考虑。除了PID之外，还会编制包括所有管道分类的管线清单。这个管线清单包含了在管道系统的管线分配，应力分析和加工制造中会使用到的大部分设计、变化和操作参数。

第四步：配管工程师与其他相关专业进行协调，构思整个工厂的实际布局，进行管道布置研究，确定管架位置，并将实际管道连接到指定点。他们按照每个公司设定的规则和程序来布置管道和管道支撑。一般来说，会准备三套图纸。第一套是总体布置图，用作各个专业之间的沟通工具。

相关专业的进程和沟通意见都会在这些图纸中解决和实现。管道的支撑也会记录在这套图纸中。第二套是详图，包括区域内所有管道和设备的按比例绘制的图纸。这些图纸用于施工，它是从总体布置图演化而来的。第三套图纸是管道的单线图（ISO），用于管道应力分析和工厂加工制造。

第五步：管道应力工程师校核管道系统的应力和支吊架情况。利用PID，按管道的运行环境设定边界条件，以便正确的分析所有预期的管道运行情况。选择和放置适当的支撑和约束，确保管道的安全，以及优化管道系统的整体成本和运行性能。同时还设计或规定管道的特定部件，如膨胀节、阻尼器、特殊连接、弹簧支吊架、抗震支撑等。

设计管道系统如此复杂可能会有点令人惊讶。事实上，在大型项目中，不仅需要各种不同的专业学科参与，而且需要很多人的共同努力。配管和应力分析是需要最多人员参与的两个专业。然而，对于由小型设计单位设计的小项目，通常只有一两个人被分配来处理各种专业的所有工作。在这种情况下，管道应力分析经常会被忽视。

由于管道系统本身具有不错的柔韧性特质，即使没有经过适当的应力分析，管道大部分时间都能正常运行。这对于小型非敏感管道可能是可以接受的。但对于大多数公共和工业管道系统来说，必须要求管道系统始终长期的、安全的运行，管道应力分析成为不可缺少的一个环节。

我们讨论的是管道系统设计的第五个步骤，管道应力分析工程师的任务通常称为管道应力分析和支吊架选型。在过去的一二十年里，管道应力分析的需求呈指数级增长。这是由于现代工厂的严格要求。随着涉及到人工工时的指数级增长，某些工程师输出达不到标准的分析结果可能性越来越大，这也是为什么我们依然需要更多的、系统的学习和进步，来满足管道设计的实际需求。