压力管道应力分析的内容及典型的案例分析

摘要：压力管道应力的分析是压力管道设计的重要内容，随着压力管道应用越来越普及，对它的认识也越来越深入，压力管道的重要性也逐渐的凸显出来。压力管道的应力作用直接关系到管道的正常使用和操作的安全。本文主要对压力管道应力进行分析，阐述其基本内容，从而更好的掌握压力管道的相关工作内容，促进压力管道应力分析的标准化和规范化。

关键词：压力管道；应力分析；内容；事例

引言

在压力管道使用的过程中，常常会伴随着一系列的问题，如果得不到很好的解决会严重的影响压力管道正常的使用。通过阐述管道应力分析内容为维护压力管道应力正常运行提供理论的依据。经过案例分析进步了解一些压力管道应力分析的机理。

一、压力管道应力分析的内容

压力管道应力的分析关系到压力管道安装后的使用情况，所以加强对压力管道应力分析，提高压力管道正常运行的重要依据。压力管道应力分析的内容主要涉及到以下的几个方面：

（一）分析管道系统的载荷来源。

管路系统的载荷主要分为一次应力载荷和二次应力载荷，一次应力载荷通常指管道系统正常生产时的内外压力作用、管道系统自身的重力、设备运行中的压力脉冲对管道系统的作用以及瞬间内承受的载荷（风力、地震，泵瞬时启动的压力载荷等）。二次应力载荷通常是指管路运行时产生的热膨胀载荷、冷紧是产生的载荷、由于设备沉降产生的管道系统支点位移产生的载荷。

（二）静力分析

通过对管路系统内压荷载和持续荷载作用下的一次应力分析计算、管道系统冷热膨胀位移产生的二次应力分析计算、管道系统与相关设备的相互作用及管口校核、管道系统的支吊架的受力分析、可以有效防止管道发生塑性变形、管道疲劳损坏，确保管道系统与设备的安全运行。

（三）动力分析

管道系统设计应避免管道振动和管道共振，对振动管线特别是往复式压缩机、往复泵的相关管线要重点进行分析，主要包括管道内气（液）柱的频率分析，使其避开激振频率；压力脉冲不均匀度分析，控制压力脉动值；管道系统固有频率，各个节点的振幅及动应力分析，通过设置管道防震支架和优化配管设计，避免产生共振。

（四）柔性管道设计

通过改变管道的走向，选用管道补偿器，增设弹簧支吊架，使管道有足够的柔性来吸收热胀、冷缩及其它位移变形。管道柔性设计时在保证足够柔性的前提下尽量使管长缩短，投资尽量减少。

二、压力管道系统的安全判断

（一）静设备的允许荷载。管道作用于相关的地方时，必要要维持在其要求的的允许值范围内。当超过所要求的荷载时，要及时的进行校核。

（二）转动机器的允许荷载。管道作用于转动机器管口的荷载不应超过机器的允许荷载，相关的部门可以根据要求进行有效的核算，如：离心泵管口的允许荷载可参考API610的规定、汽轮机管口的允许荷载可参考NEMASM23的规定等，按照一定的标准和规定的要求进行核算，使允许荷载控制在要求范围内。

（三）往复机械压力脉动及振动控制。往复机械压力脉动及振动控制可以分别参考API618和API674的规定进行核算控制。

（四）管道应力的校核规范。管道应力的校核规范根据管道类型的不同分为不同的校核准则，在工艺管道应力的校核中一般采用的是GB50316《工业金属管道设规范》。对于长输管道按照输油或输气分别执行GB50253《输油管道工程设计规范》或GB50251-2003《输气管道工程设计规范》。

三、压力管道应力分析典型事例

通过了解应力分析的内容和安全判断，为日后管道应力分析提供理论依据和判断方法，以下为应力分析案例。

2013年某新建的化工厂压缩机出口缓冲罐发生振动。主要流程见图1，工艺气体经过入口缓冲罐分液后进入离心式压缩机，离心式压缩机由蒸汽透平机驱动，压缩机的出口流量随着透平机蒸汽的流量的增加线性增长，工艺气体经过压缩机升压后进入出口缓冲罐。现场压缩机启动后压缩机本体和进出口管线未发生振动，当流量线性增大到正常流量的30%时，出口缓冲罐噪音明显并伴随高频率振动，严重影响正常的生产操作。

本次案例由于是管道系统振动，只涉及动力分析。首先要判断振动的来源，压缩机管线的振动来源主要来源三个方面：压缩机本体振动带动管线振动；压缩机本体的频率与管道频率吻合共振；管道系统的中气柱脉动频率与管道频率吻合共振。通过现场勘察压缩机本体运行正常，由压缩机本体振动造成的管道系统振动可以排除。本案例压缩机为离心式压缩机，管道气柱脉冲基本可以忽略，气柱脉冲造成的管道系统共振可以排除。压缩机本体运行频率与管道系统频率吻合时，管道系统也会振动，现场发现只有出口缓存罐振动管线运行正常，说明有某种频率与罐的固有频率吻合产生共振。经翻阅设计资料压缩机出口缓冲罐入口切线进料。工艺物料进入缓冲罐后会沿罐旋转，沿罐壁的旋转频率随流量线性增长，当旋转频率与罐的固有频率吻合时，出口缓冲罐振动也就放生了。

通过查阅规范和资料往复式压缩为缓解气柱脉冲和压力脉冲需要增设出口缓冲罐，离心式压缩机可以不需要增设出口缓冲罐，经过设计整改将管道系统中的出口缓冲罐移除后，整体管道系统运行正常，工艺装置可以达到设计符合要求，说明以上分析判断正确。

四、结语

压力管道设计时要多方面考虑管道应力对管道设计产生的影响，学习管道应力分析既要从理论学习中收获知识，又要从实际分析案例中汲取经验，本文是笔者一些心得希望能为同行提供一些帮助。

参考文献：

[1]罗宇；张春迎；探讨化工设计中的管道应力分析[J]；科技信息；2010年11期

[2]吴刚；陈江；压力管道安全管理系统的开发及应用[A]；第三届全国管道技术学术会议压力管道技术研究进展精选集[C]；2006年