化工設計中的管道應力分析

董彥偉(山東華魯恒升集團德化設計研究有限公司，山東 德州 253000)

0 引言

得益于當前日益發(fā)達的科學技術，同時也為了給社會提供更加安全可靠的化工產品，化工產業(yè)的發(fā)展勢頭很強勁，我國的化工產業(yè)基本形成了一定的體系，對生產過程中工藝流程的控制更加嚴格精密，為未來化工企業(yè)的長遠發(fā)展打下了較好的基礎。但目前對化工行業(yè)必須要用到的管道設計與分析的重視程度還不夠，化工產業(yè)管道設計中還存在諸多問題，例如管道的應力系統(tǒng)分析問題，這對化工產業(yè)今后的長遠發(fā)展有著十分重大的影響，因此對化工設計中管道應力的相關分析與改進必須給與一定的重視，保障化工生產安全性的同時提升生產效率，為化工生產企業(yè)創(chuàng)造更大的經濟效益。

1 管道應力的相關概念

在當前的生活以及工業(yè)生產中，管道系統(tǒng)是不可或缺的一環(huán)，對其的分析研究正在逐步深入，針對管道應用過程中出現的變形問題引入了應力概念來進行科學嚴密的分析，以此來保障管道的正常運行。在管道應力分析中把應力分成了一次應力和二次應力。一次應力的出現主要是由外界條件引起的，當管道由于內外受力達到平衡狀態(tài)時的外接負載引起的力就稱為一次應力。值得注意的是一次應力的大小與狀態(tài)并不是一成不變的，而是會隨著外界條件發(fā)生相應改變，影響因素主要是外界的再和力量，當一次應力的大小大于管道材料的承受極限時管道就會發(fā)生塑性形變，最終會導致管道的破裂，影響管道系統(tǒng)的正常運行。二次應力是在一次應力的前提下出現的應力，當管道在一次應力的作用下發(fā)生形變時，由于管道塑形條件而產生的約束力就是二次應力。二次應力的出現主要受溫度以及受力點發(fā)生位移的影響。由于二次應力是在一次應力導致的管道形變基礎上產生的，因此二次應力的大小也就取決于管道產生形變的程度，并且無論外界負載如何都不會對二次應力產生影響，即二次應力的產生以及影響條件完全由管道內部狀態(tài)決定。二次應力對于管道的影響在于應力值過大時會導致管道產生疲勞，進而縮短管道的使用壽命。在管道應用中應力是必須進行研究的重要課題，掌握好應力的信息能夠有效延長管道的使用壽命，從而創(chuàng)造更大的經濟效益[1]。

2 化工設計中對管道應力的分析

隨著化工產業(yè)的不斷發(fā)展，工廠企業(yè)中生產規(guī)模與生產效率都有了較大的變化，相應地對管道的要求也更高。由于科技以及化工生產技術的改進，化工生產流程中新型的設備也在逐步增多，進一步增加了化工管道系統(tǒng)的負載，因此對化工管道應力分析十分重要。隨著科技的發(fā)展以及對管道應力的深入分析，對化工管道的應力分析也有不同方法。

2.1 通過目測來檢測管道應力

目測檢測是通過將兩組或兩組以上的各種條件接近的管道放在一起進行分析的方法，對管道的特點要求一般是其柔性，對柔性接近的一條管道的應力可以大致推測出其他管道的應力情況，能夠大致推算出管道中受力的集中點。但這種方法畢竟沒有專業(yè)的檢測設備，只屬于經驗之談，僅限于經驗比較豐富的設計人員使用，而管道在實際的應用中除了柔性特點還會因為其工作的其他因素導致應力情況不同，因此這種檢測方法的誤差比較大，需要工作經驗較多的人員來進行才能夠保障一定的準確度，進行應力分析時工程師需要認清自身，不能夠隨意采用這種分析方法[2]。

2.2 通過物理方法進行應力分析

在管道應力分析領域有著一些專業(yè)的物理方法，通過繪制管道的圖紙進行應力分析，利用相關的物理手段進行分析，如公式計算等。通過這樣的計算分析能夠較為初步地完成相應的受力分析，在一定的程度上保障管道的柔性要求。這種分析方法雖然只是一種較為初步的應力分析，但因為其準確程度較高以及分析過程簡便快捷而具有非常高的普及度和適用性，應用非常廣泛。

2.3 借助計算機軟件進行應力分析

計算機技術以及智能軟件的快速發(fā)展使得之前許多比較復雜艱難的工作變得簡單起來，計算機軟件技術也能夠應用在管道應力分析中。通過計算機軟件技術來編寫相應的管道應力分析軟件就可以作為輔助分析手段來完成對管道的應力分析，同時還可以在計算機上通過模擬軟件對管道的實際工作條件進行模擬，這樣的模擬分析可以在一定程度上減少在實際的管道工作中出現問題的幾率，進行模擬分析也有利于減少管道設計中的成本損耗。借助計算機技術進行應力分析的方法屬于精確程度比較高的分析方法，一般應用于管道容量較大同時精確度要求很高的管道設計中。

3 管道應力分析的主要評判標準

根據應力的類型分為靜力分析和動力分析兩個主要方面，每一種分析又包含多種受力情況，它們又有著不同的作用來保障管道的正常運行。通常有以下方面：(1)通過對壓力荷載和持續(xù)荷載作用下的一次應力進行計算分析，以此避免管道出現塑性變形破壞；(2)管道熱脹冷縮以及端點附加位移等位移荷載作用下的二次應力計算，防止管道因為長時間形變產生疲勞破壞；(3)分析管道對設備的作用力，防止作用力太大，以免出現影響設備正常運行的情況；(4)分析管道支吊架的受力，為構建合理的管道系統(tǒng)提供一定的依據，以便于在合適的地點架設支架；(5)分析管道上法蘭的受力情況，防止管道出現法蘭泄漏；(6)分析管道中因為受力出現的管系位移情況，防止管道碰撞和支吊點位移過大。

4 減少管道應力影響的方法措施

為了有效延長管道的使用壽命以及提升管道的安全性從而保障化工生產的效率，需要在設計時采取一定的方法來減少應力的影響，改善管道的受力情況，同時設計時需要考慮到管道工作環(huán)境以及所接的設備情況等因素。

4.1 選取合適的管道支吊架架設方案

支吊架主要用于電廠汽水管道或鍋爐設備、在運行中產生熱位移，是管道系統(tǒng)中非常重要的一個環(huán)節(jié)。支架的架設要求需要首先對管道受力情況進行全面詳盡的計算，其主要要求有彈簧支吊架以及熱位移要求。彈簧支吊架在出廠前進行了整定，當安裝到管道和設備上后，對有關螺紋調整，將鎖定銷脫開，這時彈簧的實際承載就是設計所要求的冷態(tài)荷載。支吊架系統(tǒng)在管道系統(tǒng)中具有至關重要的作用[3]，根據管道的工作情況以及應力研究合理的支吊架能夠有效減少應力對管道系統(tǒng)的負面影響，但與此同時不合理不科學的支吊架架設位置會使管道的應力增加，影響到管道的正常運行。科學的管道支吊架架設方案還能夠使管道中所受的二次應力以及管道推力減小，進一步為管道的運行提供保障。

4.2 適當增加管道的抗壓性能

構成管道材料的強度過高就會導致管道的柔性變差，使得管道更加容易出現破裂等，化工管道設計中就需要適當增加管道的柔度，使其擁有更加良好的柔韌性。為達到提升管道柔度的目的，可以采用改變管道走向、使用波紋管膨脹節(jié)來搭建管道系統(tǒng)等方法，當管道系統(tǒng)中某一部分硬度過大時可以采用增加管道長度的方法來減小管道中的壓力，達到增加管道柔度的目的。

5 管道架設時施工方法探究

當前的管道架設施工主要分為循序漸進的三個步驟，每一步的施工質量都會直接關系到后續(xù)施工環(huán)節(jié)，從而影響到管道系統(tǒng)的整體質量，因此對施工環(huán)節(jié)必須重視。

首先是鉆孔環(huán)節(jié)，這是進行管道架設施工的第一步，主要采用的方法是陸地鉆孔法。在表層為卵漂石的地面進行鉆孔施工時需要在地面以下一到兩米處使用小沖程鉆孔，同時要將泥漿比控制為一點四，這樣的鉆孔方法能夠保證鉆孔堅實圓順，有利于后續(xù)施工的進行。在地面兩米以下鉆進時，可以采用正常鉆孔手段。在持續(xù)鉆進的過程中需要時刻對鉆孔深度以及地下泥漿的比重進行測量。其次是清孔步驟，就是對鉆孔進行一定程度清理，當鉆孔深度達到標準并且其他指標也完全合格后應當立即進行鉆孔的清理工作。清孔的目的主要有兩個：一是將鉆孔底部一些雜質清理出來；二是嚴格控制鉆孔內物質的比例，使得鉆孔底部的沉渣比例以及泥漿比例達到設計要求的標準。在此過程中需要不斷向鉆孔內注入清水，并保證孔內的水位保持在一個合適工作的數值，并通過提渣桶將孔內的沉渣取出。最后是安裝管道時采用的水下混凝土澆鑄技術，這是最為關鍵的一步，灌注步驟為“復測孔深-放置鋼筋籠-搭設水下平臺-防止水封導管-灌注第一斗水封混凝土-邊灌注邊拆除直至灌注完畢”[4]。在灌注過程中拆除導管時對導管底部在混凝土中的深度也有一定的要求，一般為二到六米之間，并且灌注過程不能停止，必須一氣呵成，直到灌注完成之前都不能將導管提出混凝土。

6 結語

化工設計中的管道應力分析對管道的運行以及使用壽命有著直接的作用，同時也是化工行業(yè)的命脈所在，關系到化工生產的各個方面，因此對于管道應力的研究探討絕對不能停止。當前在化工設計中的管道應力分析已經有了一定的成果，能夠初步解決一些管道應力導致的問題，但是這還遠遠不夠，只有將這一研究深入持續(xù)地進行下去才能夠保障化工行業(yè)的生產效率以及安全性不斷提高，助力化工行業(yè)持續(xù)長遠的發(fā)展。