有關化工設計中管道應力的分析

申云青

（中海油山東化學工程有限責任公司,濟南 250101）

0 前言

近年來，化工工業有了顯著發展，化工設計隨之受到廣泛關注?；ぴO計中的管道應力分析能夠在分析管系受力情況的基礎上，提出合理的管道設計方案，在促進管道設計合理化和保障化工設計質量方面發揮了突出作用。接下來，筆者將對管道應力分析的內容進行論述，并且基于管道應力分析對于化工設計的重要性，提出幾點管系受力狀況的優化措施和方法。

1 管道應力的含義及分類

1.1 管道應力的含義

管道應力是指管道在受到外力作用時，管道內部會產生一種抵抗這種外力作用的內力，這種內力基于力的相互作用，試圖將管道受外力變形的狀況恢復到受力前的情形?？偨Y來說，管道某受外力位置所表現出的內力即為管道應力。

1.2 管道應力的分類

管道應力不是單一的，它有不同的分類。管道應力是受外力作用產生的，而在受到不同外力作用的情況下，產生的應力也有所不同，想要對管道應力進行準確、合理的分析，需要將應力區別開來，運用具體問題具體分析的方法分別對不同類別的應力進行分析。接下來，我們就通過分析應力產生的原因，對應力種類進行介紹：第一，一次應力。一次應力是指在重力和外壓等外加載荷作用下產生的內力，一次內力具有顯著的非自限性，這種非自限性表現在內力與外加載荷的等量平衡，當外加載荷增加時，一次內力也隨之增加，增加的極限是材料的屈服極限，一旦應力值超過材料的屈服極限，管道的受壓變形將超出控制范圍，導致管道破壞或毀損。具體導致一次應力產生的外加載荷有風載荷、地震載荷以及水沖擊載荷等等；第二，二次應力。二次應力是指在熱漲、冷縮以及其他位移受到約束情況下，管道為對抗這些約束而形成的應力。二次應力區別于一次應力的顯著特征即是二次應力的有自限性，它不似一次應力那樣與外加載荷保持平衡，不隨外加載荷的增加而增加，發生外加載荷超出材料的屈服極限的情況時，管道也不至于毀損，管道會通過局部的屈服或是產生少量的塑性變形來有效降低應力，進而完成應力的再次分布，管道保持相對良好的狀態；第三，峰值應力。峰值應力是在一次應力和二次應力上的增量，管道或附件在出現局部結構不連續、局部熱應力效應時，會在管道一次應力或二次應力上產生一種新的應力增量，這個新的應力增量即是峰值應力。峰值應力通常出現在焊縫未焊透等位置。峰值應力的作用并不顯著，它是在潛移默化、日積月累的過程中對管道進行破壞，常會形成管道疲勞裂紋，造成脆性破壞。

2 管道應力分析的內容

在管道設計中，很多管道都要進行管道應力分析，例如冷箱的管道、脆弱材料襯里的管道等等，它們都需要進行內力分析，管道種類的多樣性也決定了管道應力分析的多樣性和復雜性，接下來，我們就對管道應力分析的內容進行詳述。管系受到的外加載荷有靜態載荷和動態載荷之分。這種外加載荷性態上的差異性使管系對其的反應也有很大不同，即使是對待相同大小的靜態載荷和動態載荷，管系的響應也是有差異的。者就是管道應力分析出現了靜力分析和動力分析兩種。

2.1 靜力分析的內容

靜力分析的內容主要有：第一，對壓力載荷作用下一次應力的計算，設定合理的管道應力值，避免管道發生塑性變形損壞；第二，對管道熱脹、冷縮或其他位移受到限制的情況下產生的二次應力進行分析，將應力值控制在允許范圍內，避免疲勞破壞帶來的損失；第三，分析管道對設備的作用力，設備的受力要嚴格按照標準執行，保障設備的安全運行。除此以外還要對支吊架受力和法蘭受力進行計算。

2.2 動力分析的內容

動力分析的內容主要有：第一，對管道自震的頻率進行深入研究，通過分析管道自震的頻率，得出規避管道系統共振的方法；第二，分析管道強迫震動的響應情況，進而能夠掌握管道震動規律，控制管道應力。第三，對往復式壓縮機的氣柱頻率和壓力脈動進行分析，避免氣柱共振的發生，將壓力脈動值設定在合理范圍內。

3 管道應力分析的重要性

通過前文論述，我們已經明確了管道應力分析的內容，從微觀上來講，通過靜力分析和動力分析的結合，管道應力分析對管系的組成部分進行了準確的計算，將一次應力、二次應力的安全值進行設定，從而最大程度的減少了外加載荷與應力作用對管道進行的破壞，在避免管道系統自震和氣柱自震方面發揮了重要作用；從宏觀上來講，管道的應力分析為管道設計提供了基礎，促進了管道安全性評價的得出。管道應力分析能夠優化化工設計、推動了安全生產進程，并且節約了材料和資金，實現了安全、合理、效益共存多贏局面。總而言之，管道應力分析是一項十分重要的內容。

4 改善管系受力狀況的措施

4.1 合理選用和設置管道支吊架

管道支吊架的選用和設置對于管系受力狀況的改善有著重要影響，在設置管道支吊架時，要充分考慮一次應力、二次應力等因素，采取有效措施規避一次應力和二次應力的影響，對于一次應力影響的消除，基本措施是使管道支吊架的設置必須滿足最大允許跨度的要求，以避免管道受到破壞。對于二次應力作用，要選用可以實現管系適應變形需要的支吊架。

4.2 增加管道柔性

管道柔性限制著管道自身受力變形的能力，對于管道應對外加載荷以及自保的有效程度有較大的影響，增加管道柔性可以增強管道吸收熱漲、冷縮，應對其他位移變形的能力。增加管道柔性的措施主要有改變管道走向、選用補償能力大的補償器、應用彈簧支架三種。通過以上措施可以改善管系受力狀況，保障管系安全生產。

5 小結

綜上所述，管道應力分析作為管道設計的基礎內容，在優化化工設計、提高化工工業生產效益方面發揮著重要作用，在實際的管道設計在過程中，應當高度重視管道應力分析，不斷進行管道優化實踐，深化化工設計理論，在理論與實踐的結合中，將管道應力分析的優越性充分展現出來，進而推動化工產業的發展。

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