管道設計中的應力分析與優化策略

張致遠，于 浩，紀新強，錢明軒

（1.上海齊耀熱能工程有限公司，上海 201108；2.中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201108）

隨著我國國民經濟發展，化工裝置規模越來越大，工藝流程越來越復雜，對安全生產的重視程度也越來越高。管道應力分析一般針對高溫高壓，介質易燃易爆易腐蝕管線，此類管道如果發生泄漏或者破壞，將造成不可挽回的財產損失，同時污染環境。管道應力分析作為一種力學分析，是通過計算得到物體內的應力分布和數值。其中既包括管道內壓、自重以及其他外在作用下的一次應力，也包括在熱膨脹、冷縮以及位移約束時所產生的二次應力。需要根據管道輸送介質類型、管道工作的溫度壓力環境以及所連接的設備類型等指標綜合選取合理的方法進行分析，如目測法、圖表法、公式法以及計算機分析法等。通過科學有效的管道應力分析，不僅能夠對管道所存在的安全隱患進行識別，保證管道應力在規范的許用范圍內從而維持管道系統的整體安全，又能夠解決管道機械振動、脈動、安全閥排放等振動問題，進而為管道的優化提供設計依據。

1 管道設計中的應力分析

1.1 管道應力分析校驗

管道設計中既要保證管道有足夠的剛度又要有一定的柔性，因為管道在工作過程中由于環境以及與運行工況的不同會受到不同的作用力，一旦某種作用力超出管道本身所承載的范圍便會導致管道出現一定程度的破壞或者位移。按照壓力的表現形式，管道應力包含一次應力、二次應力以及峰值應力3個部分，其中一次應力是指由重力、壓力或其他外力載荷作用下所產生的應力，一次應力具備非自限性，也就是其并不能夠實現自我限制[1]。該種應力會隨著外部荷載數值的增加而增加，一旦應力數值達到某一承載范圍的臨界值管道便會發生塑性變形或者損壞。研究表明，一次應力中縱向應力為重力、壓力和其他外力產生的持續荷載總和，該縱向應力應小于材料在操作工況最高溫度下的許用應力，應力校核條件如下。

式中：SL為管道自身以及其組件的縱向應力；Sh為操作工況下最高溫度管道材料基本許用應力。

而二次應力指由于熱脹冷縮或者端點位移等位移載荷的作用所產生的應力，該種應力受環境影響較大，其本身具備一定的自限性，也就是其可以通過自身張力的衡量與外力產生平衡，即便是發生塑性變形也會一段時間后恢復。應力校核條件如下。

SE≤SA；此時：SA=f[1.25Sc+0.25Sh]

倘若SL小于Sh，則管道材料本身的基本許用應力最高溫度和最低溫度的差值可以加在0.25Sh上，則有：

SE≤SA；此時：SA=f[1.25(Sc+Sh)-SL]

式中：SE為管道熱脹冷縮位移范圍；SA為管道材料本身的許用位移應力范圍；Sc為操作工況下最低溫度管道材料基本許用應力。

峰值壓力作為一次應力以及二次應力的附加應力，受管道部件松動以及熱力效應影響較為明顯，峰值應力所產生的塑性變形并不明顯，但會導致根源性衰減的出現，甚至在不斷地累積下實現量變到質變的轉變。

因此在進行管道應力分析時首先要完成的是一個標準值的確認，進而以此為基礎進行預期標準模型的建立。管道設計應力分析過程中通常需要在計算機軟件的輔助下完成，常見的管道應力分析軟件包含CAESAR Ⅱ、PipePak、PV Elite 以及AutoPIPE 等，以CAESAR Ⅱ為例，該軟件作為一款功能強大的管道應力分析軟件，采用有限元分析法將形狀復雜的連續體劃分為有限個單元，對這些單元進行深入研究，得到規律后再將這些單元集合起來，從而能夠完成復雜管道系統動態分析。且該軟件具備靈活的建模功能，可以為多種管道系統的設計實現提供基礎。在完成模型建立后，通過軟件計算得到應力校核結果，分析各點處載荷以及位移情況，可以對現有管道設計進行檢驗以及優化，如圖1所示。

圖1 山東某火炬項目CAESAR Ⅱ 管道模型

1.2 管道設計中的應力分析內容

管道所承受的外加載荷包含動態載荷以及靜態載荷，不同的載荷對管道應力影響不同，即便是相同的動態載荷和靜態載荷也會產生不同的應力對抗。靜態載荷是一種累計，是載荷的緩慢增加，這樣的過程能夠給予管道系統本身足夠的時間進行響應，響應過程中的管道系統處于一種平衡狀態，且該種狀態下的管道系統不會發生運動，所有的力以及力矩也會被平衡力消除[2]；而動態載荷恰好相反，其在累積的過程中會迅速地產生變化，對于管道系統本身并沒有足夠的時間去進行內部載荷的分配，也就難以保證管道系統的平衡，所以此時的管道系統會發生運動，而此時的力以及力矩無法被消除。因此管道設計中的應力分析包含靜態和動態兩方面的內容，分析內容以及目的如表1所示。

表1 管道應力分析內容以及目的

常見的需要軟件分析的管道系統包括各類火炬氣管道（管徑大，壁厚薄，溫度高），蒸汽管道（管徑大，溫度高）。此類型管道承受靜力載荷，往往通過靜力分析對管道一次應力和二次應力進行校核，同時得到設備管口受力條件，反饋設備專業進行管口校核；有時還會對轉動設備進行振動分析，通過計算使管道振動得到有效控制。

2 管道設計優化策略

2.1 合理安排管道走向

管道設計中應充分考慮最大限度地減少二次應力的產生，同時也要結合整個設備、機泵以及其他組件的受力情況進行綜合分析，實現其剛度、強度以及振動等問題的解決，進而為科學規劃布置以及安裝提供依據。對于管道走向，若未能結合實際需求進行合理設置，很可能會產生相關的應力問題。其中表現最為突出的就是轉動設備，因為轉動設備管道在使用的過程中一旦管道系統的頻率同振源的頻率相同則會導致共振現象的發生。這樣一來無論是管道設備本身，還是與其相連的建筑系統，均會發生一定程度的損壞。因此，想要實現管道設計的優化，要綜合對管道的尺寸以及位置分配進行考量，同時結合生產實際中多方因素限制完成走向的優化。優化過程中可以通過計算機軟件的輔助，結合應力計算結果進行走向優化完成超標應力的調整，以保證調整后的管道系統所承受的二次應力的大小在整個管道系統規范應力的范圍內[3]。設計中考慮到實際生產、制造、安裝等過程中存在誤差，一般以管線二次應力低于許用應力的70%作為判斷二次應力合規的標準。

2.2 科學分配管口載荷

管口是設備與管道之間的連接部位，整個管道系統在運行狀態下會產生彎曲振動以及徑向振動。其中的彎曲振動既包括管道本身的彎曲應力，又包括管道系統內部的流體脈動。而徑向振動的主要影響因素為管道系統內部的流體壓力以及管道系統運輸過程中所產生的周期性變化。因此管道彎曲率較大時，管道系統與設備連接管口處振動較為明顯。一旦管口流通面積發生變化或者流動走向發生變化，整個管道所承受的振動也會發生變化。尤其隨著管道內運輸流體轉向的影響必然會有強大的激勵產生，這在管道系統突然啟動停機或者管道系統方向發生轉變時異常明顯，該過程會在短時間內形成峰值壓力。盡管峰值壓力在短時間內不會產生塑性變形，但其作為一次應力以及二次應力的附加應力，會在不斷積累下產生不可逆的影響。因此，在進行管道設計優化的過程中需綜合對管口以及轉彎處的載荷開展優化。優化過程中可以通過固定支架或者卡箍等設備的輔助設置通過應力的抑制來保證滿足整體需求。例如在火炬項目中通常在火炬氣分液罐入口前管道上最靠近入口的支撐點處設置軸向止推支架，可以有效地減少分液罐入口管口載荷，在保護設備的同時優化設備設計。

2.3 實現管道柔性設計

管道柔性作為一個物理概念表達的是管道在自身變形過程中的吸收熱脹、冷縮以及其他位移變形的能力，因此，通過合理的柔性設計，能夠保證管道具備一定的柔性，有效防止各種變形的產生。這樣一來管道本身能夠通過自身的變形來吸收其他因素對管道系統產生影響而發生的位移[4]。想要實現管道柔性的增加可采取以下措施。

（1）可以對管道的走向進行合理的改變和布置，因為這樣的過程能夠實現管道能力的自然補償。例如將管道走向設置為L 型或者是π 型。在整個管道系統中管道長度越長其產生的位移越大。而改變走向的設計以管道兩端固定頂點為前提，通過增加管道長度以及彎頭數量改變管道走向，這樣便能夠保證位移吸收力的提升，避免金屬疲勞或者力矩過大現象的產生。

（2）可以通過各種自然補償能力的提升，以避免在集中應力下迫使管道發生形變。自然補償能力提升過程中需要通過補償器進行輔助。除此之外，也可以通過彈簧支架進行補償，彈簧支架在使用的過程中會產生一個豎直方向的力，這樣一來，便能夠對支撐點所產生的豎直位移的約束進行有效釋放，以實現整個管道柔性的增加。但值得注意的是，若在管道設計的過程中連續地使用彈簧支架必定會對整個管道的穩定性造成影響。

（3）如果管道口徑過大，則可以通過波紋管膨脹節進行補償，該種補償能夠有效地避免較大應力作用下管道形變的產生。

2.4 高效增加管道支架

增加管道支架、吊架的目的在于實現一次應力以及二次應力的緩解，同時有效地對整個管道體系的塑變進行把控，以減輕二次應力同系統管網所承受壓力，進而保證整個管網系統實現穩定運轉。該過程中首先要保證在管道最大允許跨度需求之下一次應力能夠完全通過。這樣一來，即便是有集中的荷載產生也可以通過支架布置，減少偏心荷載以及彎曲應力。該過程中可以將支架設置在距離荷載較近的地方或者是設備管嘴較近。

對于整個管道系統而言，整個二次應力的產生由于管道系統形變受阻而引起，所以經過合理計算在支架或者是吊架的輔助下能夠最大限度地保證管道系統適應形變的需求[5]。值得注意的是，整個支架或者吊架選取的過程中應綜合生產實際進行考量，否則會因其難以承擔管道系統的重力負荷而進一步導致一元應力超標情況發生。尤其對安裝有往復式壓縮機的管道系統而言，應通過獨立的支架或者吊架的安裝，以保證其與其他建筑物相分隔，這樣能夠有效地降低管網振動。

3 結束語

管道應力分析直接關系到管道自身與其相連設備、機械、土建結構的安全。通過管道靜力分析可以對系統進行安全評定，在滿足標準規范的前提下合理的選擇自然補償類型及長度，支吊架位置及類型。通過管道動力分析可以有效控制管道在各類沖擊載荷下的振動。該過程中需結合系統實際需求同時在各類管道應力分析軟件的輔助之下可以進行科學合理地計算，通過分析計算結果采取合理的優化措施，保證管道裝置的安全運行同時節省成本。