壓力管道應力分析的內容及特點研究

陳立暉

(福建省工業設備安裝有限公司，福建 福州 350001)

1 壓力管道應力分析的重要性

壓力管道應力指在指定的面積之內壓力管道構件所承受的壓力。在外部力量的驅使下，反而會產生更多更大的應力，假設壓力管道的應力已經超出了管道材料的承受范圍之外，那么就會出現變形、破裂等多種故障。眾所周知，壓力管道應力有著很大的作用，特別是在建筑物當中，若壓力管道出現了任何的破裂、失衡等現象，并得不到及時改善，隨著時間的推移，就會導致建筑物也遭到損壞，影響到人們的日常生活進行。壓力管道應力分析過程當中，技術人員應該盡量考慮周全。有幾種管道是平時最容易常用到的：①連接儲罐設備的管道，長度一般都在300 mm以上，而極限溫度在100 ℃以上；②離心壓縮機和往復式壓縮機的管道。另外，還有泵進出管道、蒸汽透平管道、加熱爐管道、反應器管道、再沸器管道、兩相流管道、脈動流管道等，公稱的直徑≥100 mm，極限溫度在-50 ℃左右。

2 壓力管道應力的分類

2.1 一次應力分析

因為壓力管道常常會遭到外部負載或重力的影響，這樣的外部壓力可能是來自于重力的，也可能是由風力導致的，有時甚至是外界的撞擊導致的，在各種各樣的壓力及負載影響之下，就會產生一次壓力管道應力。而一般，所產生的一次壓力管道應力應該是和外部壓力條件是一致的，當外部的壓力在逐漸增加的時候，一次應力就會沒有自限性，可以將這些一次壓力管道應力分成整體結構影響應力、局部影響應力和機械荷載下的界面厚度線性應力三種。通常情況下，在一次壓力管道應力的背景下，當增加的應力已經超出了壓力管道的塑性值時，壓力管道就會直接破裂，失去穩定性和可靠性，所以，壓力管道的一次應力必須進行認真、嚴格的控制。同時，技術人員在設計的時候，應該預留一定的回轉余地，即裕度，從而有效地預防壓力管道塑性變形、破損。并且，把彈性分析和極限分析當成是前提，在正式使用之前，對壓力管道的最大應力承受值進行測試，知曉最大極限，才能夠在后期的應用中更好地控制與管理。

2.2 二次應力分析

當壓力管道處于熱脹冷縮的條件之下，就會產生一定的正應力和剪應力，其主要的特點也就是壓力管道一次應力的自限性特點，當壓力管道具備這兩種應力之后，就沒有辦法和外界保持平衡、穩定。這個時候，如果荷載超出了壓力管道的最大極限，管道依舊會變形、破裂，壓力管道應力就會呈分布狀散開，讓壓力管道可以達到自我平衡的狀態。

2.3 峰值應力分析

在壓力管道的所有應力當中，峰值應力并不是最大的應力全值，因為壓力管道的構建當中，局部構建并不緊湊，就會造成壓力管道一次應力或者二次應力的增加，但其并不會和一次、二次應力一樣導致變形或破裂，峰值應力對于管壓力管道沒有任何根本性的損害，只會導致壓力管道脆性衰弱或管道疲勞等現象。而導致峰值應力出現的原因也有很多，比如，壓力、荷載、管徑、溫度等，在實際的操作過程當中，因為所受到的影響因素比較多，技術人員必須對壓力管道的峰值壓力進行詳細的核對與校正，并對壓力管道的循環荷載進行疲勞分析，為將來的使用奠定良好的基礎。

3 壓力管道壓力分析的主要內容

3.1 壓力管道應力分析的前提

壓力管道應力在分析之前，技術人員必須遵循其主要前提內容，首先，是對溫度的計算，整個分析過程應該在20 ℃左右的溫度環境下進行，在正常運行下可能產生的任何突發事件都應該考慮周全，比如，吹掃、開工、停車、除焦等，并未雨綢繆，做好預防措施。其次，是對壓力的計算，壓力管道壓力分析和壓力有著較為密切的關系，因此，整個應力分析過程也應該在內部和外部的壓力條件下進行考慮，對壓力和溫度相耦合時候的最大壓力值加以計算。在建筑工程中，其特征不可能是一模一樣的，壓力管道的結構本身又比較復雜，這就使得會受到很多原因的限制，就算是風力、地質條件等因素都可能成為影響因素，因此，也可以認為，壓力管道應力分析的關鍵也是荷載。荷載主要有：①壓力荷載，在壓力管道的壁面上，壓力管道需要承擔很多不一樣的介質內部壓力，而在各種各樣不一致的內部壓力下再進行荷載計算；②持續荷載。持續荷載是因為自重荷載和偏心荷載組合而成的，前者自重荷載是在重力加速的情況下形成的，而后者偏心荷載則是在支架、吊架的反作用力下所形成的；③熱漲荷載，該荷載屬于非垮塌性荷載的一種表現形式，當壓力管道的內部和外部溫度不一樣時，就會產生溫度差，而正是因為這種溫度差導致熱脹冷縮的效果，因而產生了熱漲荷載；④位移荷載，在壓力管道移動的時候，因為壓力管道在安裝的過程當中，會導致溫度的產生，而從冷變熱的溫度變化過程，就會產生一定的約束性，因而就慢慢形成了附加荷載，即位移荷載；⑤偶然荷載，在外部突發的沖擊下會導致荷載的出現，對于壓力管道所產生一定的影響，其有著一定的偶然性和不確定性特征，但是這樣的影響并不是長期存在的，只是暫時的，所以不會對壓力管道造成太大的傷害。

3.2 壓力管道應力分析的內容

壓力管道應力分析主要包括了靜力、動力等分析內容。

1)對于靜力的分析，技術人員需要考慮周全，將壓力管道在壓力荷載和持續荷載下的一次應力計算出來，這樣做主要是為了預防壓力管道的變形。在計算好壓力荷載和持續荷載之后，還需要計算出熱漲荷載、位移荷載運作下的二次應力，而這樣做則是為了預防壓力管道的過度損壞。在壓力管道和相連接的所有設備的作用力也需要加以測試，從而有效地保障設備連接的穩定性和安全性。當壓力管道的法蘭受力存在問題的時候，技術人員應當及時地采取措施預防法蘭的泄漏。當壓力管道處于位移或者是外部撞擊的情況下才能夠對靜力進行計算。此外，還需測量靜力分析管理對于支架、吊架的作用力，從而來全方位保證作業的安全性。

2)對壓力管道應力動力的分析。首先，要分析壓力管道在地震的情況下所產生的動力是多少，這樣做主要是為了給將來的實際應用奠定安全基礎，當技術人員將地震時候壓力管道的最大動力承受力計算出來之后，就可以制定出相對應的預防措施，在實際的運行過程中，如果突發真正的地震狀況，也可以及時進行處理。其次，分析壓縮機和泵管道的固定頻率以及振型，以防壓力管道在該情況下產生共振。第三，技術人員同時還要對壓縮機管道的振動應力進行分析，將其具體振動數值分析出來，從而預防在振動情況下疲勞破壞。第四，分析出管道氣體所產生的壓力脈動，特別是氣柱的固定頻率和壓力脈動數值，而這樣做則是為了預防在壓力超出極限的情況下產生太大的振動，而導致壓力管道松動等故障的出現。最后，技術人員需分析支架的荷載狀況，以此來給結構設計提供重要依據。

3.3 壓力管道靜力分析與動力分析之間的聯系

在壓力管道應力的具體分析上，靜力分析的主要內容就是對壓力管道的柔性進行設計，而在一個特殊且特定的環境之下，壓力管道就可以將熱脹情況以及位移情況下所產生的變形及破裂情況進行克服或者逐漸適應，并使壓力管道的應力可以限制在一個固定的范圍之內。但是，即便這樣，技術人員在發現這一問題存在的時候，仍然需要及時采取措施進行補救，以免造成更多、更大的故障。而動力分析的主要內容就是對壓力管道進行防振設計，盡可能地減少壓力管道的振動，當振動幅度比較小的時候，可能有時是正常現象，但當頻率和幅度都超出了一定限制值時，技術人員就應該引起注意，采取一些舉措，盡量減少或徹底杜絕壓力管道的振動。

4 壓力管道應力分析的特點

壓力管道應力分析對于壓力管道的薄膜應力、局部彎曲應力等并沒有進行細分考慮，并且，在對壓力管道的一次應力和二次應力進行計算分析的時候，雖然都進行了詳細分析，但這兩次應力分析的目的和內容都是不一樣的。對于一次應力分析來說，只是提升了壓力管道的可承受壓力，而在二次應力的分析上，主要是圍繞防振問題進行的，因此，壓力管道應力分析存在一定的差異性。不僅如此，在壓力管道二次應力的校驗上，其也是壓力管道二次應力分析的關鍵，其重點在于驗證壓力管道的安全性和運行可靠性，從而最大程度上減少壓力管道的疲勞性，因而也存在一定的針對性。在壓力管道一次應力的分析上，其校正和剪應力理論并不相同，在計算的時候，沒有對壓力管道的縱向應力進行任何的分析與計算。和設備相連接的管道會受到一定的影響，而這種影響一般都是來自壓力管道本身的，因為壓力管道本身就有著一定的柔軟性，其負載的設計必須要在規定標準范疇之內，只有這樣，才能夠保證壓力管道運行的安全性與穩固性。如果負載設計違反了設計標準，就會造成很多不必要的故障產生，給壓力管道運作過程帶來麻煩。對于那種轉動設備關口的荷載來說，技術人員需要將其控制在專業規定范疇之內。針對其他必要性的荷載，也需要參照對應的標準規范，因為只有這樣，才能夠從根本上有效地保障壓力管道的順利且安全穩定運作。在壓力管道機械壓力振動與脈動控制這一塊，技術人員可以從以下兩方面來進行控制：一方面，在連接壓縮機與脈動控制上可以參考對應的規范；另一方面，在泵管道壓力管道和脈動控制上，則可以參考相關標準規范，從而考慮周全，在全方位上力保壓力管道應力是在可承受范疇內的。

5 結束語

在社會進步與經濟發展的當代社會，壓力管道在很多領域都有廣泛的應用，假如壓力管道存在應力故障，就會導致很多不必要麻煩的出現，因此，壓力管道應力分析尤為重要。在實際的壓力管道應力分析過程當中，壓力管道應力主要可以分成一次應力、二次應力、峰值應力等三種。本文主要分析了壓力管道應力分析的前提、壓力管道應力內容分析(靜力分析、動力分析)、壓力管道靜力分析與動力分析之間存在的聯系，以期為我國相關行業的發展提供參考。