工业管道设计中的应力研究

摘 要：管道应力研究有利于提升设计过程中管道的柔韧性，能够有效避免因为热胀冷缩等物理因素对其产生的影响。本文接下来详细阐述了主要的几种管道应力类型，并深入探讨了管道应力研究的相关内容与方式，最后论述了其重要性。

关键词：工业管道设计；应力研究；重要性；方式

加强对管道设计的应力研究，能够更好地保障其装置的安全性，以及运行的健康性。工业化时代的到来与发展，促使了化工装置的规模逐渐增大，也使得管道设计在这样的发展背景影响下不断进步。因而，对于这方面的研究也就变得尤其重要性。当前，许多设计单位或者投资方都越来越重视管道应力研究分析，特别是国外的投资项目及国家重点保护工程等都提出了具体要求，希望在设计中能够通过应力研究加强管道性能。

1 应力类型

（一）应力的定义

对于应力的定义，比较被人们所熟知一种是指物体因为受到温度与湿度等众多因素的影响而发生一定程度变化时，物体内的各个部位会产生一种内力。这种内力是通过各部位之间进的相互作用而产生的，能够对外部温度与湿度等相关因素带来的影响起到一定的抵制作用。并且，其试图让发生变形后的物体恢复到原本的位置。简而言之，也就是说应力是指所考察对象某截面中其中一点的单位面积上的内力。

（二）应力的分类

在管道设计中，其主要是受到压力脉冲、冲击、风等等之类外力因素与热膨胀方面的影响而产生的一系列应用问题。在对待类型不同的应力问题，要结合其影响因素选择适合的应对方式。通常情况下，根据其所产生的效应与破坏作用这些方面进行分析，大体可以把应力划分为三种类型：一次应力、二次应力和峰值应力。

所谓的一次应力，也就是指其只有是受到外加荷载影响而产生的应力问题。比如人们日常生活中比较熟知的由压力、重力等作用影响而产生的应力。这种应力拥有非自限性的特点。简单来说就是一次应力同外加负荷之间能够达到平衡状态。通常情况下都是随着其外加荷载的提升而提升，直到负载超过了材料承载的最高值时，就会使得管道发生变形或破坏。除此之外，人们平常比较熟知的风载荷与水冲击等因素造成的应力也被划分到一次应力中。

二次应力主要是指因为热胀冷缩及其他位移受约束所产生的应力。其基本特点就是有自限性，简单来说二次应力不会直接和外力平衡，当载荷超过了材料的极限时，因为管道内部的压力和产生的少许塑性变形就能够使应力下降。此时的应力需要重新分布，让材料的应变达到自均衡。

峰值应力，主要是指管道或者附件因为局部结构不能够连续或者局部热应力效应，加到一次应力或者二次应力的增量。其基本特点是不引起明显的变形，在短距离内从它的根源减弱，是一种疲劳性的裂纹或脆性破坏的原因造成的。

2 应力研究分析的主要内容及方法

（一）应力研究分析的主要内容

对管道应力进行研究的内容主要包含着针对管道进行载荷、变形、应力等方面不同类型的力学研究分析，并在此基础上使得管道在设计的各种载荷下还可以避免出现位移或者是被破坏之类的现象，最终使得管道的安全性得以有效保证，也使得管道使用的经济性得到确保。通常情况下，应力研究划分为静力研究分析和动力研究分析两个方面。

静力方面大致被划分为六个小点，但对其研究都主要是在静力载荷的作用下进行的。第一点是指压力或持续荷载作用下的一次应力计算，这样做可以有效预防塑性变形破坏。第二则是在发生热膨胀冷缩的作用下，以及端点附加位移等荷载作用下，进行二次应力计算。以此能更好地预防管道出现疲劳破坏的现象。其三，是对管道设备管口的受力进行计算与评定，才能把作用力掌握在一定范围内，让设备健康运行。其四，是对管道支吊架的支承点受力进行计算，这方面的研究则是为了可以给支架的设计提供更加精确的数据依据。其五，主要是研究管道上法兰受力情况，计算出其法兰受力才能更好地预防法兰泄露。其六，是为了给支架设计还有结构设计提供更符合实际的依据，主要就两相流以及液击这方面的冲击载荷计算进行了研究与分析。

动力研究大致被划分为四个点，其主要是围绕着动力载荷作用情况下的管道力学分析。其一，研究围绕着管道本身具有的一定规律的振频率进行分析，以此预防系统出现共振现象。其二，主要是对管道强迫其振动响应进行分析，从而找出能够更好对管道振动与应力进行控制的方式。最后两点主要是针对往复式的压缩机（泵）气（液）柱频率与压力脉动两方面进行分析，前者有利于实现防止气柱共振的目的，后者有利于控制压力脉动值。

（二）应力研究分析的方法

通常，管道应力研究分析的方法有目测法，简单计算法及计算软件法三种。在实际的设计时，不一定所有的管道都要进行应力计算。

目测法比较适用于有一定经验的研究分析人员在对运行状态健康的管道柔性相同或者基本相当的管道进行研究分析使使用。还能对已经研究分析过的管道进行比较，确定出柔性不错的管道。只是对于新人而言，还是需要进行严密的计算研究，才能保证工程的安全性。而简单计算法比较适用于拥有相同直径、相同壁厚、没有支管、两端固定、中间没有约束的非剧毒的介质管道。可以选择使用简化柔性计、格林乃尔法，Tube Turns法，凯洛格公司计算法等。

常用D0Y/（L-U）2≤208.3这个简化公式计算管道的柔性。公式中：D0代表管道的外径（单位mm）；Y代表由管道吸收总位移（单位mm）；L 代表管段两固定点间的展开长度（单位m）；U 代表两端（固定）点间直线距离（单位m）。但是这个公式是简化后的公式，所以有它的局限性，当出现以下情况的管道时不能运用此公式。第一，管道处于剧烈循环的环境中，存在疲劳危险的情况。第二，需要大直径的薄壁管道（管件的应力增强系数大于等于5）。第三，和端点的连线不在同一个方向的端点附加位移量占总位移量很大部分的管道。第四，L/U>2.5的不等腿U型弯管道或者近似直线的锯齿状的管道。

除了前面所讲这两种计算方式，还可以此采用计算软件进行计算。当前工程设计中常用到的国外应力分析软件有CAEPIPE、CAESAR、PIPE-FLO、Caesar II 等。最为普遍的软件是美国COADE公司的Caesar II，该程序是管道静力和动力研究分析的专用软件。国内优易软件的AutoPSA，也是很优秀的软件程序，在价格和使用习惯等都有很大的优势。

3 应力研究的重要性

（一）保证装置安全运作

如果管道的布置不科学，就会使整个装置存在巨大的安全隐患，犹如一个不定时炸弹，不知道它什么时候就会爆炸。举个简单的例子，因为管道热应力导致管架被破坏，设备的管口撕裂或被顶坏，弯头部分的焊接缝隙出现裂缝，法兰泄露的情况时常发生，如果情况严重还会发生燃烧甚至爆炸，引起人员的伤亡。

所以，需要在管道设计时进行应力研究分析，通过对应力研究分析，可以使其具有柔性。通过科学合理的布置使一些容易产生振动的管道的振动频率和震源激振错开，防止共振发生，确保整个系统安全运作。

（二）节约成本，减少工程投资

管道应力研究分析主要是通过相关的计算应力软件分析，精确的计算可以保证数据的可靠性，再根据数据做管道的设计辅助，可以减少工程的投资成本。例如，可以通过应力分析研究科学地对管架进行布置，甚至能够精确到预算管架的个数及承受的重力，这样就能减少投资的成本。再例如，可以通过应力研究分析的数据算出管件、补偿器等管道所需配件的设计参数，也能使投资具体化、合理化。

4 结语

当今世界现代工业不断向前发展，相对应的生产装置的规模也逐渐向大型化发展，许多高压、高温、大直径的管道运用和繁多复杂的生产情况让管道应力研究在工业管道设计中发挥不可忽视的重要作用。管道的安全性是否达标的基础在于管道应力研究分析，它能够保障装置安全、正常的运作，同时也在材料节约和设计优化等方面起着重要的作用。

参考文献：

[1]万波，赵浩.管道设计中的应力分析[J].广东化工，2013，05：161-162.