谈论关于化工设计中管道应力的分析

【摘 要】近些年来， 随着社会工业化发展速度不断加快，化工行业发展进程也不断地进步，目前在化工行业中设计是重要的部分，设计的好坏直接影响工厂的安全生产质量等问题，然而化工管道设计是工厂设计中的核心部分，管道设计的基础即为管道应力的分析与计算，在优化管道设计与安全生产等方面发挥着重要作用。就此，本文根据笔者多年工作实际经验，针对化工设计中管道应力的分析进行了详细的分析与探讨。

【关键词】化工设计；管道应力分析；作用

1 简单概述管道应力的作用及特点

由于是受热胀冷缩、内压持续外载及其它位移等的载荷作用，会导致材料屈服极限小于管道最大应力，进而使工作状态下的材料发生塑性变形，而管系应力状态也会随高温管道的蠕变及应力松弛发生变化。根据产生效应与破坏作用的不同，可将管道应力分为三类：（1）一次应力。由于诸如压力或重力等外加荷载作用而产生的应力即为一次应力，还包括管道承受介质内压、介质重量以及自重等持续外荷载而产生的应力，它无自限性，可以外加荷载平衡相对，并会随着外加荷载同步增加，若材料屈服极限小于一次应力值，则会致使管道塑性变形而受到破坏。（2）二次应力。一次应力导致管道变形而受到约束所产生的应力即为二次应力，多是由端点位移和热胀冷缩引起。它有自限性特点，应力会随管道产生小量变形或局部屈服而下降，且不直接与外加荷载平衡，二次应力过大会使管道发生疲劳破坏。（3）峰值应力。管道或附件局部热应力效应到一次应力或二次应力的附加增量即为峰值应力，还包括管道附件上焊缝未焊透处及小半径圆角处的应力。不引起显著变形是的峰值应力特点，短距离内可从它的应力根源衰减会导致脆性破坏或疲劳裂纹。

2 进行对管道应力的分析

一般管道应力分析主要包括两个部分，即静力分析与动力分析，静力分析包括：（1）仿塑性变形破坏的持续载荷与压力荷载作用产生的一次应力计算；（2）防疲劳破坏的管道端点附加位移或热胀冷缩等载荷作用产生的二次应力计算；（3）防支吊点位移过大和管道碰撞的管系位移计算；（4）为支吊架设计提供可靠依据的管道支吊架受力计算；（5）防法兰泄露的管道上法兰受力计算；（6）保证机器、设备正常运行的管道对机器和设备作用力的计算。而动力分析包括：（1）防管道系统共振的管道自振频率分析；（2）防管道地震应力过大的管道地震分析；（3）控制压力脉动值的往复式压缩机压力脉动分析；（4）防气柱共振的往复式压缩机气柱频率分析；（5）控制管道应力与振动的管道强迫振动响应分析。

3 确定好需要应力分析的管道

由于管道应力分析之前应先确定需要进行应力分析的管道，有较好柔性的管道是不需要进行应力分析与计算，也就是说，应力分析与计算不是针对所有管道而言的。而要想确定需要应力分析的管道，就要综合考虑管径、压力、温度、所连接设备、配管标准完善程度、管内介质危害程度及设计人员经验等诸多因素，而设计时需要应力分析和计算的管道主要有：（1）连接往复压缩机、离心压缩机、往复泵以及汽轮机等载荷敏感设备进出口的管道；（2）可能发生严重震动的两相流管道；（3）输送浆料和粉料与进出高温反应器的大口径管道；（4）连接空冷器的及以上与连接离心泵的3”及以上的进出口管道；（5）连接可能沉降设备的及以上管道；（6）安全泄放系统与夹套管道；（7）以上直径的稀有金属管道；（8）ASMEB3l.3中M 类流体管道。

4 选择好管道应力分析软件

由于管道压力分析涉及大量计算，是一个相当复杂的分析过程，而目前的管道应力分析必须根据计算机程序并利用应力分析软件才能实现，CAESAR_II 软件、Triflex 软件以及 AutoPIPE 软件是应用较为广泛的管道应力分析软件。每一款管道应力分析软件都各有其优劣势，在不同侧面发挥着重要作用，而对于应力分析软件的选择，需要根据工程设计项目的具体实际情况并结合其他相关因素进行综合考虑来决定。

5 管系受力状况的改善措施

由于管道设计在工厂设计中占据重要位置，为保证工厂运行质量，化工管道设计不仅要符合工艺过程的规范要求，而且为确保设备、管道、机泵及附件等能保持最佳状态并可以实现长周期安全运行，还应充分考虑其受力情况，采取有效措施改善管系受力状况，对此，在设计与施工中可以从以下几个方面着手：

5.1 通过增加管道的柔性改变

一般在管道设计中，能反映管道变形难以程度的即为管道柔性，而增加管道柔性可以通过改变管道走向、选用弹簧支吊架或是波纹管膨胀节来实现。首先，改变管道走向可根据管系长度在两固定点位置一定时增加能增加管道柔性原理，可以在管系某一方向过硬时增加与其垂直方向管道的长度来增加管道柔性，改变管道走向有投资少、运行可靠且操作简单等特点。而选用弹簧支吊架，可通过支吊架处存在垂直位移来实现放松约束，进而达到管系柔性增加的目的。若管径较大时会受场地限制，则可选用波纹管膨胀节，尤其低压大直径管道较适用，但因为造假过高且制造复杂，还未能被广泛接受。

5.2 合理选用支吊架并正确设置管道支吊架

由于支吊架在管道系统中发挥重要作用，支吊架选用与设置的合理性在满足一次应力、减小管系振动与二次应力方面都有着至关重要的意义，而若是支吊架的选用或设置不合理，则会因为承受不住管道重量等荷载而致使管道的一次应力发生超标状况。并且，支吊架的设置合理对控制管系变形以减少管道二次应力与设备受到的管道推力也有显著成效，为管道与设备的正常运行提供有力保障。同时，合理设置支架于往复机械的振动管道而言，还能有效减小管道振动。而设置支吊架时，应符合管道允许的最大跨度要求，在设备管嘴就近处设置，有集中荷载时应靠近荷载布置，而往复式压缩机应单独设置支吊架并将其与建筑物隔离。

5.3 通过采用冷紧的方法进行降低

在运行初期，冷紧方法可以减少端点受管道的推力与力矩。冷紧方法通过将一部分管道热应力集中在冷态来实现热胀应力在管道热态下对端点推力与力矩的降低，对于法兰连接处由于弯矩过大而发生泄露现象也起到防范作用。

6 结语

综上所述，化工管道应力分析与计算式管道设计的基础，而管道设计是化工工厂设计的重要组成部分，管道设计很大程度上影响着工厂运行质量，其中管道应力的计算和分析发挥着关键性的基础作用，因此，必须重视化工设计中的管道应力分析与计算，为减轻设计难度、缩减设计周期以及提高设计质量奠定可靠基础。

参考文献：

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