解析化工設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力分析

都基環(huán)

摘 要：管道應(yīng)力分析，是化工設(shè)管道設(shè)計(jì)過程中尤為關(guān)鍵的一環(huán)，而就其中的化工管道設(shè)計(jì)而言，其又是整個(gè)化工工廠設(shè)計(jì)中一個(gè)十分重要的組成部分，因此，為了以一種更為清晰、明了的方式將化工設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力分析相關(guān)方面為相關(guān)讀者呈現(xiàn)出來，本文將緊緊圍繞著化工設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力分析這一中心主題，對管道應(yīng)力的類型、管道應(yīng)力分析的主要內(nèi)容、應(yīng)力分析管道的類型、檢測方法以及管道應(yīng)力的校核規(guī)范，管道應(yīng)力分析軟件的選擇等幾個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行闡述和說明。

關(guān)鍵詞：化工設(shè)計(jì)；管道設(shè)計(jì)；應(yīng)力分析

前言：如今，我國的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)在經(jīng)過幾十年的發(fā)展過后，正經(jīng)歷著前所未有的繁榮，而我們應(yīng)該知道的是，在這繁榮發(fā)展的背后，實(shí)際上是大量先進(jìn)設(shè)備的部署以及、生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)和使用。事實(shí)上，就如今的化學(xué)工業(yè)來說，其所使用的生產(chǎn)裝置已經(jīng)不斷走向大型化和復(fù)雜化，而在這種裝置之中，標(biāo)志性的便是大量高溫、高壓以及大直徑管道的使用。這種使用性能作用的發(fā)揮，實(shí)際上又離不開對求安全性的評價(jià)與檢測，因?yàn)橹挥性诎踩缘玫奖Ｕ系臈l件下，整個(gè)化工設(shè)計(jì)才能變得更為可靠。為此，管道分析就是應(yīng)著這一安全評價(jià)和檢測的需求而提出的，但其自身又是一個(gè)復(fù)雜環(huán)節(jié)的集合體，我們有必要加強(qiáng)對其的認(rèn)識(shí)和把握。

一、管道應(yīng)力的種類

在文章開篇之前，我們先對本文的主體—管道應(yīng)力，進(jìn)行簡要的分析和介紹，以為接下來對其相關(guān)方面的進(jìn)一步論述奠定一定的基礎(chǔ)。

一次應(yīng)力是指由于外加荷載，如壓力和重力等的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力。一次應(yīng)力的特點(diǎn)是：滿足與外加荷載的平衡關(guān)系，隨外加荷載的增加而增加，且無自限性，當(dāng)其值超過材料的屈服極限時(shí)，管道將產(chǎn)生塑性變形而破壞。管道承受的介質(zhì)內(nèi)壓、自重、介質(zhì)重量等持續(xù)外荷載而產(chǎn)生的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力。

二次應(yīng)力是由于管道變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，它不直接與外力平衡，二次應(yīng)力的特點(diǎn)就是具有自限性，當(dāng)管道局部屈服和產(chǎn)生小量變形時(shí)應(yīng)力就能降下來。二次應(yīng)力過大時(shí)，將使管道產(chǎn)生疲勞破壞。在管道中，二次應(yīng)力一般由熱脹冷縮和端點(diǎn)位移引起。

峰值應(yīng)力是管道或附件由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部熱應(yīng)力效應(yīng)（包括局部應(yīng)力集中）附加到一次應(yīng)力或二次應(yīng)力的增量。它的特點(diǎn)是不引起顯著的變形，而且在短距離內(nèi)從它的根源衰減，它是一種導(dǎo)致疲勞裂紋或脆性破壞的可能原因。管道附件上小半徑圓角處、焊縫未焊透處的應(yīng)力，均屬于峰值應(yīng)力。

二、管道應(yīng)力分析的主要內(nèi)容

當(dāng)然，就管道應(yīng)力分析來說，其實(shí)際上是一個(gè)系統(tǒng)性的工作，因?yàn)榫推渥陨韥碚f，其主要包括多個(gè)內(nèi)容方面。

管道應(yīng)力分析的任務(wù)，主要是對管道進(jìn)行載荷、應(yīng)力、變形等各類力學(xué)分析，使管道在設(shè)計(jì)條件內(nèi)的各種載荷的作用下，能有效地抵抗不被允許的變形、位移和破壞，保證管道的安全性和經(jīng)濟(jì)性。管道應(yīng)力分析分為靜力分析（含疲勞分析，風(fēng)載荷及地震載荷分析）和動(dòng)力分析。對一般管道，通常只做靜力分析即可，但對一些特殊工況的管道則應(yīng)做動(dòng)力分析（如往復(fù)泵、往復(fù)式壓縮機(jī)的進(jìn)出口管道）。

三、應(yīng)力分析管道的類型及分析方法

我們知道，就化工廠的管道而言，其有著不同的類型，而這種類型實(shí)際上也需要有著不同的分析方法與其相對應(yīng)，總的來說，常用的應(yīng)力分析的方法有目測檢驗(yàn)法、簡單分析法（圖表法、公式法）和計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)力分析法。管道設(shè)計(jì)中通常根據(jù)介質(zhì)的危險(xiǎn)性、管道操作工況、地震烈度、行業(yè)類型等來確定應(yīng)力分析的方法。

1、目測檢驗(yàn)法

目測檢驗(yàn)法不需要進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，但需目測者具有相當(dāng)?shù)墓こ探?jīng)驗(yàn)。與運(yùn)行良好的管道（或已分析的管道）的柔性相同或基本相當(dāng)?shù)墓艿揽梢圆捎媚繙y檢驗(yàn)的方法。

2、簡單分析法

簡單分析法能確保管道有足夠的柔性，盡管不能提供準(zhǔn)確的載荷和應(yīng)力，但這種分析簡單而快速，甚至可以由非專職應(yīng)力分析工程師來完成。

3、計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)力分析

使用專門的管道應(yīng)力分析軟件對管道進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算和結(jié)果分析。計(jì)算并分析評定管道各分支點(diǎn)的應(yīng)力、約束點(diǎn)和端點(diǎn)（設(shè)備管口）的力和力矩等。

四、管道應(yīng)力分析的規(guī)范及軟件

事實(shí)上，就應(yīng)力分析而言，其并不是一個(gè)簡而易行的工作想，相反的，其需要依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范，選用相應(yīng)的軟件，進(jìn)行嚴(yán)格的控制，總的來說，其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、規(guī)范：

（1）GB50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（2008 年版）

（2）GB/T 20801-2006《壓力管道規(guī)范》

（3）HG/T20645-1998《化工裝置管道機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)定》

（4）SH/T3041-2002《石油化工管道柔性設(shè)計(jì)規(guī)范》

（5）GB150-2011《鋼制壓力容器》

（6）JB/T8130.1-1999《恒力彈簧支吊架》

（7）JB/T8130.2-1999《可變彈簧支吊架》

（8）GB 50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》

（9）GB 50253-2003《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》

2、軟件：

目前國外工程設(shè)計(jì)中常用的應(yīng)力分析的軟件有 AutoPIPE、CAEPIPE、CAESAR、FlowPhase、PIPE-FLO、PipePak、SIMFLEX、ZENPIPE 等。我國自 80 年代初開始引進(jìn)應(yīng)力分析軟件，其中以CARSARⅡ在國內(nèi)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用最為廣泛。近年來一些國產(chǎn)優(yōu)秀軟件也因其更貼近國人的使用習(xí)慣、價(jià)格等優(yōu)勢也得到了越來越多的應(yīng)用，如長沙優(yōu)易軟件的 AutoPSA。上述應(yīng)力分析軟件的優(yōu)勢領(lǐng)域各不相同，根據(jù)工程實(shí)際情況選擇合適的軟件，對管道設(shè)計(jì)和計(jì)算將起到事半功倍的效果。

結(jié)語：經(jīng)過上文的分析和介紹，我們對管道應(yīng)力的種類、應(yīng)力分析的主要內(nèi)容、分析方法以及工具等方面的內(nèi)容有了一定的了解，從中我們可以深刻地認(rèn)識(shí)到，面臨著如今化工產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展以及大量管道設(shè)施使用的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)，如何通過相關(guān)措施的提出和采用，提升化學(xué)化工裝置的安全性能顯得尤為重要和必要。事實(shí)上，就管道應(yīng)力分析來說，其作為一種運(yùn)用相關(guān)方法，對管道的實(shí)際情況進(jìn)行分析和勘查，對于確保和提升管道設(shè)施安全性來說，具有十分關(guān)鍵的意義，然而，這種關(guān)鍵意義的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上依賴于我們采用合適的管道應(yīng)力分析方法，嚴(yán)格依照相關(guān)管道應(yīng)力規(guī)范，并選用合理的軟件，并不斷提升自身的操作能力和操作素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜志勇.管道應(yīng)力分析在工程上的應(yīng)用[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2011.01endprint