如何正確分析化工管道設計中的管道應力

應輝

摘 要：管道應力分析，是化工設管道設計過程中尤為關鍵的一環，而就其中的化工管道設計而言，其又是整個化工工廠設計中一個十分重要的組成部分，因此，為了以一種更為清晰、明了的方式將化工設計中的管道應力分析相關方面為相關讀者呈現出來，本文將緊緊圍繞著化工設計中管道應力分析這一中心主題，對管道應力的類型、管道應力分析的主要內容、應力分析管道的類型、檢測方法以及管道應力的校核規范，管道應力分析軟件的選擇等幾個方面的內容進行闡述和說明。

關鍵詞：化工設計；管道設計；應力分析

1 應力的分類

管道在持續外載、內壓以及熱脹、冷縮和其它位移等載荷作用下，其最大應力往往超過材料的屈服極限，從而使材料在工作狀態下發生塑性變形，另外高溫管道的應力松弛和蠕變，也將使管系上的應力狀態發生變化。對于不同種類的應力應當區別對待，根據它可能產生的效應和對于破壞所起的作用不同，給與不同的限定。管道上的應力，一般分析一次應力、二次應力和峰值應力三類。

眾所周知，一次應力（PrimaryStress）是指由于外加荷載，如壓力和重力等的作用而產生的應力。對于一次應力，其特點是：滿足與外加荷載的平衡關系，隨外加荷載的增加而增加，且無自限性，當其值超過材料的屈服極限時，管道將產生塑性變形而破壞。管道承受的介質內壓、自重、介質重量等持續外荷載而產生的應力屬于一次應力。

一般認為，二次應力（SecondaryStress）是由于管道變形受到約束而產生的應力，它不直接與外力平衡，二次應力的特點就是具有自限性，當管道局部屈服和產生小量變形時應力就能降下來。二次應力過大時，將使管道產生疲勞破壞。在管道中，二次應力一般由熱脹冷縮和端點位移引起。

對于峰值應力（PeakStress），是管道或附件由于局部結構不連續或局部熱應力效應（包括局部應力集中）附加到一次應力或二次應力的增量。它的特點是不引起顯著的變形，而且在短距離內從它的根源衰減，它是一種導致疲勞裂紋或脆性破壞的可能原因。管道附件上小半徑圓角處、焊縫未焊透處的應力，均屬于峰值應力。

2 進行對管道應力的分析

一般管道應力分析主要包括兩個部分，即靜力分析與動力分析，靜力分析包括：（1）仿塑性變形破壞的持續載荷與壓力荷載作用產生的一次應力計算；（2）防疲勞破壞的管道端點附加位移或熱脹冷縮等載荷作用產生的二次應力計算；（3）防支吊點位移過大和管道碰撞的管系位移計算；（4）為支吊架設計提供可靠依據的管道支吊架受力計算；（5）防法蘭泄露的管道上法蘭受力計算；（6）保證機器、設備正常運行的管道對機器和設備作用力的計算。而動力分析包括：（1）防管道系統共振的管道自振頻率分析；（2）防管道地震應力過大的管道地震分析；（3）控制壓力脈動值的往復式壓縮機壓力脈動分析；（4）防氣柱共振的往復式壓縮機氣柱頻率分析；（5）控制管道應力與振動的管道強迫振動響應分析。

3 管系受力狀況的改善措施

由于管道設計在工廠設計中占據重要位置，為保證工廠運行質量，化工管道設計不僅要符合工藝過程的規范要求，而且為確保設備、管道、機泵及附件等能保持最佳狀態并可以實現長周期安全運行，還應充分考慮其受力情況，采取有效措施改善管系受力狀況，對此，在設計與施工中可以從以下幾個方面著手：

3.1 通過增加管道的柔性改變

一般在管道設計中，能反映管道變形難以程度的即為管道柔性，而增加管道柔性可以通過改變管道走向、選用彈簧支吊架或是波紋管膨脹節來實現。首先，改變管道走向可根據管系長度在兩固定點位置一定時增加能增加管道柔性原理，可以在管系某一方向過硬時增加與其垂直方向管道的長度來增加管道柔性，改變管道走向有投資少、運行可靠且操作簡單等特點。而選用彈簧支吊架，可通過支吊架處存在垂直位移來實現放松約束，進而達到管系柔性增加的目的。若管徑較大時會受場地限制，則可選用波紋管膨脹節，尤其低壓大直徑管道較適用，但因為造假過高且制造復雜，還未能被廣泛接受。

3.2 合理選用支吊架并正確設置管道支吊架

由于支吊架在管道系統中發揮重要作用，支吊架選用與設置的合理性在滿足一次應力、減小管系振動與二次應力方面都有著至關重要的意義，而若是支吊架的選用或設置不合理，則會因為承受不住管道重量等荷載而致使管道的一次應力發生超標狀況。并且，支吊架的設置合理對控制管系變形以減少管道二次應力與設備受到的管道推力也有顯著成效，為管道與設備的正常運行提供有力保障。同時，合理設置支架于往復機械的振動管道而言，還能有效減小管道振動。而設置支吊架時，應符合管道允許的最大跨度要求，在設備管嘴就近處設置，有集中荷載時應靠近荷載布置，而往復式壓縮機應單獨設置支吊架并將其與建筑物隔離。

3.3 通過采用冷緊的方法進行降低

在運行初期，冷緊方法可以減少端點受管道的推力與力矩。冷緊方法通過將一部分管道熱應力集中在冷態來實現熱脹應力在管道熱態下對端點推力與力矩的降低，對于法蘭連接處由于彎矩過大而發生泄露現象也起到防范作用。

4 CAESARII管道應力計算軟件的理論基礎及應用范圍

4.1 與貯罐相連的，公稱管徑DN300及以上且設計溫度在100℃以上的管線；

4.2 離心式壓縮機（API617）及往復式壓縮機（API618）的DN80及以上的進、出口管線；c）蒸汽透平（NAMESM—23）的入口、出口和抽提管線；

4.3 泵（API610）——公稱管徑4″及以上且溫度100℃及以上或溫度-20℃及以下的吸入、排出管線；

4.4 空冷器（API661）——公稱管徑DN150及以上且溫度120℃及以上的進、出口管線；

4.5 加熱爐（API560）——與管口相連的DN150及以上和溫度200℃及以上的管線；

4.6 相當長的直管，如界區外的管廊上的管線；

4.7 法蘭處的泄漏會造成重大危險的管線，如氧氣管線、環氧乙烷管 線等。

4.8 公稱管徑DN100及以上且100℃及以上或-50℃及以下的所有管線。

5 結論

管道應力分析與計算，是研究管道在各種荷載作用下產生的力、力矩和應力，從而判斷管道的安全性，同時使管道設計盡可能經濟合理。管道應力分析是管道設計的基礎，通過應力分析可以優化管道設計，可以使管道設計更加合理化。

參考文獻

[1]陳昊.管道設計中關于管道應力的分析與考慮.科技信息，2016.

[2]宋岢岢.工業管道應力分析與工程應用.中國石化出版社，2017-03-01.

[3]姜崴.管道應力分析軟件在化工設計中的應用.山西化工，2016.

[4]陳俊.管道應力及固定點受力分析.化工設計通訊，2017.