壓力管道應力的內容及特點分析

李娟 杜小亮 高剛

摘 要：壓力管道的安全可靠性能要牽涉到管道所承受的應力，而管道所產生的應力問題，主要來源于外力的荷載狀況以及熱膨脹狀態，如：重力、壓力脈動、沖撞等，為了準確辨析管道中的應力狀況，需要對壓力管道的應力進行分析并計算，以明晰管道對設備所產生的推力，確定其力矩是否在設備承載的安全范圍內。這樣就可以為化工設計、管材采購、工程建設提供準確的依據，提高建設項目的安全系數，減少不必要的材料成本投入。

關鍵詞：壓力；管道；應力；內容；特點

中圖分類號：TV732.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）21-0058-02

對管道的應力分析內容是涉及應力計算內容的力學分析，它可以使管道的經濟合理性得到核驗，能夠使管道的應力得到精準的計算和分析，確保管道與設備、土建結構相聯的安全性。在工業生產不斷深入發展的過程中，管道的實際應用越來越重要，對壓力管道的應力分析也是勢在必行，這樣，就不會導致因應力不當而使管道運行失效的狀況，確保管道的運行安全與可靠。

1 壓力管道應力分析的意義剖析

管道廣泛應用于石油石化產業、化工行業、市政建設行業等，在這些工程投資額大、安全系數要求較高的行業，需要在明晰壓力管道的應力概念之下進行分析。應力是指在建設需要中所應用的管道構件的單位面積上所承受的內力，它在外力的荷載之下產生相應增大的值，如果在材料所能承受的強度極限之外，就會產生管材的變形、破裂、失穩等現象，這主要是由于外部的機械荷載和熱荷載所形成的。在對管道的應力分析條件下，可以保證工藝裝置的良好使用以及其柔性的保持，在對機械荷載和熱荷載進行分析和精準的計算之后，得知管道配件的設計參數，進行荷載與應力、應力與變形之間的計算，為管道配置提供合理的數據依據，可以減少對管道的振動干擾，從而使振動頻率與震源的振動頻率錯開，保持管道的安全可靠性能。

壓力管道應力分析的主要考慮對象為以下幾種常用的管道：

①連接儲罐設施的管道，其工程在300 mm以上、溫度在100 ℃以上的管道；

②離心壓縮機和往復式壓縮機管道；

③泵的進出管道；

④蒸汽透平、加熱爐、反應器、再沸器的管道；

⑤兩相流、脈動流管道；

⑥公稱直徑為≥100 mm、-50 ℃≥溫度≥100 ℃的管道。

2 壓力管道應力的分類

2.1 一次應力

由于管道會受到來自于外界的外部荷載，這些外部壓力或許是源于重力，或許是緣于風載，或許是緣于外部沖撞等，而在這些壓力之下，產生的一次應力要符合與外加荷載平衡的條件，并且當外部荷載無限增強時，一次應力要具有無自限性的特征，它可以分為一次總體薄膜應力（影響全局結構）、一次局部薄膜應力（影響結構局部）、一次彎曲應力（機械荷載條件下截面厚度的線性分布）。在一次應力的增值超過管材的塑性變形值時，就會導致管道的破裂及變形。

因而，需要對管道的一次應力進行嚴格管控，要留有裕度，防范管材的塑性變形，并以彈性分析和極限分析為前提，對管道的一次應力進行校核及控制。

2.2 二次應力

這是在熱脹冷縮條件下產生的正應力和剪應力，它的特征主要表現為自限性的特點，它無法與外界的壓力保持平衡，當外部荷載超過管材的屈服極限時，管道會產生局部屈服以及塑性變形，使應力再分布，并使管材達到自均衡狀態。

但是，由于管材通常來說，具有較好的塑性，因而，當管材承受初次加載時，不會由于二次應力而破裂；而當管材承受多次反復的變形壓力下，就會產生不可承受的疲勞損壞，這主要取決于管材的應力范圍和交變的反復次數。

在二次應力的作用下，對于高溫管道而言，管道的壁厚增加會極大地提高管材的剛度，也會使管材的截面積和自重增加，從而在自身條件增加的條件下，降低了管道的應力，因而，需要對高溫管道的柔性進行分析，校核高溫管道的荷載。

2.3 峰值應力

它不是最大應力的全值，而是由于管件的局部結構不夠緊湊或連續，而引發的一次應力或二次應力的增量，它不會像一次應力和二次應力那樣，引發管道的顯著變形，對于管道沒有根本性的改變和衰減，而是一種管道疲勞或脆性破裂的現象，產生峰值應力的影響因素有多方面的原因，如：溫度、壓力、管徑、荷載、跨距等，由于各方面因素的影響，需要對管道的峰值應力進行校核，在對管道的循環荷載下進行疲勞分析。

3 壓力管道應力的內容

3.1 壓力管道應力分析的前提

3.1.1 溫度的計算

要以20 ℃的環境溫度為前提，考慮正常作業條件下的各種影響溫度的因素，如：吹掃、開工、停車、除焦等。

3.1.2 壓力的計算

要考慮內外壓的條件下，壓力與溫度相耦合時的最大壓力值。

3.1.3 荷 載

由于建設工程、行業的不同特征，管道具有復雜的分布結構，要受到多種因素的制約，如：風、土壤、地質條件等，產生壓力管道的應力的主要原因即是荷載。這些荷載主要體現為以下幾個方面：

①壓力荷載。

在管道的壁面之上，管道要承受不同介質的內壓，在不同的介質內壓條件下進行壓力荷載計算。

②持續荷載。

這由自重荷載和偏心荷載組成，自重荷載是在重力加速度的條件下加以施加的荷載；偏心荷載是在支架、吊架的反作用力產生的荷載。

③熱脹荷載。

這是一種非垮塌性荷載，它是由于外部溫度的溫差作用而產生的熱脹冷縮效應而產生的。

④位移荷載。

管道在移動的過程中，由于在安裝管道的時候，設備運作過程中會產生發熱的溫度變化，會產生一定的約束力，對管道形成附加荷載，從而導致管道的端點位移。

⑤偶然荷載。

這是在意外的外界沖擊下形成的荷載，會對管道產生程度不同的影響，具有偶然性和不確定性，對于管道的應力影響也只是暫時性的，不會產生根本性的影響。

3.2 壓力管道應力的內容分析

3.2.1 管道應力的靜力分析

對于管道的壓力應力的靜力分析，需要從以下幾個方面加以考慮：

①靜力分析計算出管道在壓力荷載和持續荷載作用下的一次應力，從而防范管道的塑性變形；

②靜力分析計算管道在熱脹和位移荷載作用下的二次應力，從而防范管道的疲勞損壞。

③靜力分析管道與相連設備的作用力，確保管道及相連設備的安全可靠。

④靜力分析管道上的法蘭受力狀況，預防法蘭泄漏。

⑤靜力分析管道位移或碰撞的狀態。

⑥靜力分析管理對支架、吊架的作用力，確保安全。

3.2.2 管道應力的動力分析

對于管道應力的動力分析，需要從以下幾個方面加以考慮：

①動力分析管道在地震狀況下所產生的應力，確保管道的安全可靠；

②動力分析壓縮機和泵管道的固有頻率和振型，避免管道在這種情況下產生共振。

③動力分析壓縮機管道的振動應力，預防管道在振動狀態下的疲勞破壞。

④動力分析管道氣體所產生的壓力脈動，對氣柱固有頻率和壓力脈動進行計算，防范在壓力過大的情況下管道產生較大的振動。

⑤動力分析支架的荷載狀況，從而為結構設計提供依據。

3.2.3 管道靜力分析和動力分析之間的關聯

靜力分析管道的任務主要在于對管道進行柔性設計，在足夠的柔性條件下，管道可以克服熱脹及位移產生的變形，使其各節點的應力在限定額度之內。

動力分析管道的任務主要在于對管道進行防振設計，要盡量避免各種振動對管道的干擾，要盡量使管道保持較小的剛度以及良好的柔性，在合理布設管道支吊架的前提下，得出優化的比較結果。

4 壓力管道應力分析的特征

①壓力管道的應力分析對管道的薄膜應力和局部彎曲應力沒有進行細分考慮，僅對一次總體薄膜應力實施了校驗，而對一次彎曲應力和一次局部薄膜應力并未校核。

②對于管道的一次應力計算和二次應力計算，各有其目的和任務，對于一次應力計算而言，是為了提高管道的承受壓力；對于二次應力計算而言，是預防管道的熱變形狀態下的偏移問題。

③對于管道的二次應力校驗重點是核驗管道結構的可靠性與穩定性，最大限度地減少壓力管道的低周疲勞狀態。

④對于管道的一次應力校驗與剪應力理論不相吻合，它在計算過程中并不對管道的縱向應力進行計算，而是重點考慮管道彎矩和扭矩的功效。

5 結 語

綜上所述，壓力管道應力分析具有復雜的特性，它涉及廣泛的應力分析內容，也與相連的設備和結構安全相關聯，對壓力管道的內容分析主要是側重于對管道整體系統的測試，是包括應力計算在內的力學分析，在對管道應力進行驗算的過程中，要盡量確保計算的精準，從而確保管道的運行安全。

要對壓力管道進行一次應力分析和二次應力分析，并在分類校核的條件下，減少各種應力對管道的干擾，并為壓力管道的安裝提供必要的應力測試，從而提升管道工程質量。

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