浅谈压力管道应力分析及计算

摘 要：压力管道在工业生产或社会建设中被越来越广泛的使用，以其自身的特殊性和有针对性的特点，成为工业社会的一个重要课题。管道质量及应力的大小直接影响到工程的质量及安全事故的发生率，应力的分析与计算也显得十分重要。压力管道应力可分为一次应力、二次应力及峰值应力，三种类型，各种类型应力的特点各有不同，可以通过科学的方法如CAESAR II分析系统及复杂的公式多次计算，得出准确数值。

关键词：压力管道 应力分析 计算

随着我国现代化技术的革新，工业蓬勃发展，国家大力支持公共设施建设项目，油田建设、大兴水利、天然气工程、南水北调工程等，压力管道成为最常见设备之一，其承担着输送易燃易爆能源、放射性及高腐蚀性物资的重大任务。压力管道的安全与质量问题也成为从设计、安装、维护到使用等各个环所有相关部门都关注的重点防范问题，但其生产和使用过受到各种荷载因素的影响，加之自身应力的原因，使得压力管道事故频频发生，成为重大公共安全隐患，其也是国家相关安全监督管理项目之一[1]。压力管道的应力分析与计算成为各种建设项的必要课题。现对当前常用的压力管道应力进行分析及计算，相关报告如下：

一、压力管道的特点

压力管道在工作过程中所承担的重任和性质的特殊性，使其呈现出与一般管道与压力容器完全不同的特性，按照使用领域来划分，压力管道了分为一般工业压力管道和大跨度的公用管道，具体分以下几点：①工业压力管道 构建出现代工业化生产体系，其特点是连接点多，管道的弯曲较多，分布密度大。各个车间职能不同，使用的压力管道材料、规格要求各不一样，降低了整个系统的均衡质量。生产过程中影响荷载的因素众多，如温度、运送物资质量、密度、化学性质等[2]。②大跨度公用管道 该类工程均跨越地理、气候各不一样的省市，有以下几个特点即长度极大，压力荷载复杂，性质不稳定，且受自然条件影响较多，如地质压力、风雪天气、地震塌陷等。各项安全指标的测量准确度不高，维护难度大。

二、压力管道应力的分类

在使用过程中，压力管道会受到各种荷载的影响，发生弯曲、变形、断裂等现象，也使得压力管道的安全管理问题难度很大，也直接影响到压力管道的使用寿命。因此压力管道的应力分析十分必要。一般压力管道应力分为以下三种：①一次应力 一次应力是压力管道在对抗外在载荷时所必须的内部应力，其随着外力的增大而增大，且始终保持微妙的平衡关系，具有非自限性的特点。一次应力按照分布状况又可分为三个类型：一次整体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力；②二次应力 二次应力（Q）与外部荷载没有直接关系，而是自身结构上的各个部件的组合、连接，互相作用变形产生的正应力。在管道受到外部荷载时，塑性变化缓冲本身应力。二次应力不会直接损伤管道，而是经过一段时间反复交替且不稳定量的荷载压力下，导致管道老化、脆弱。鉴于该性质，二次应力的检测需在一段时间内测量与计算，才能获得准确值[3]。③峰值应力 当管道局部构件出现集中热荷载，甚至达到一次应力或二次应力的荷载量，而管道并未发生位移、形变等反应，管道对于热荷载的瞬间疲劳和损伤，是从根本上损伤了管道的物理及化学性质，对管道是致命的、不可逆的损伤[4]。

三、应力的计算

在计算压力管道应力值方面，方法众多，大致可以分为如软件计算与手动公式计算两大来类：

1.软件计算

现代先进的测算系统中，常用的软件有AutoPIPE 、CAESAR II等，CAESAR II以其简便的操作，较高的准确率，还可给给予用户清晰的国际化标准作为参考等优点，成为计算压力管道应力的是首选软件。其可以计算诸多种类的应力，包括地震荷载、瞬变流冲击荷载如安全阀自动跳闸或阀门在特殊条件下的瞬间开启或关闭的冲击力等一次应力、热胀冷缩的热力荷载和定点位置移动荷载的二次应力、管道的支吊架所承受的压力、压力管道对连接的机械设备限制力等[5]。

2.手动公式计算

在经典力学原理的基础上推理出的一套应力计算公式，可将其运用于实际应力值计算中，根据作用力的不同类型，计算公式也有所区别，如压力管道的应力许用值的限定中的一次应力的限定值为：内力作用下 ；内压轴向力与连续的外部力作用下 ；二次应力的限定值可分为一次应力加二次应力 ；单独二次应力 ；当内压轴向力和连续外部作用力小于内压作用力时，二次应力计算公式 中，f为修正系数，交变次数N的值小于7000时，相应的f值为1；当N的值超过7000时，则f的值为0.9。承受内压圆筒应力分布平均值的计算式为

， 。

由最大剪力应用理论可以推出压力管道壁的厚度计算公式：根据外径来计算 根据内径来计算 ，若在必要条件下，需考虑压力管道在产生负偏差和被腐蚀等情况，应在一定程度上放宽数值，压力的管道壁的厚度应为 。

因压力管道的受力情况复杂，且自身架构材质等不同，计算公式也十分繁琐，且需要多次计算才能得出准确值，如火力电厂锅炉压力管道应力的具体公式为：

该公式中αeq表示内压折算应力（ＭＰａ）；Ｐ表示设计压力（ＭＰａ）；Ｄｏ表示管子外径（ｍｍ）Ｓ表示管子实测最小壁厚（ｍｍ）；Ｙ表示温度对计算管子壁厚公式的修正系数；α表示考虑腐蚀、磨损和机械强度的附加厚度（ｍｍ）；η表示许用应力的修正系数。对计算出的一次应力、二次应力等进行判别。一、二次应力值应小于规定值；管道对设备管口的推力和力矩应在允许的范围内；管道的最大位移量应能满足管道布置的要求。

参考文献

[1]罗宇，张春迎，陈万里.探讨化工设计中的管道应力分析[J].科技信息.2010（11）：775-748.

[2]周小兵，蔡晓峰，阳东升，何旭东，包俊.弹簧支吊架在管道布置和应力分析中的相关注意事项[J].化肥设计.2010（06）：29-31.

[3]唐永进.压力管道应力分析的内容及特点[J].石油化工设计.2008（02）：20-24.

[4]姚志华，张光科.压力管道洪水损坏施工修复设计研究[J].吉林水利.2011（04）：15-17.

[5]曹宇光，孔谦，田凯，张卿，张杰.基于有限元模拟的压力管道轴向裂纹应力强度因子计算[J].石油矿场机械.2010（08）：1-6.