管道應(yīng)力在化工設(shè)計中的分析

蔣雨明 賀文良(.濟南石油化工設(shè)計院， 山東 濟南 50000；

(2.山東魯新設(shè)計工程有限公司， 山東 濟南 250000)

隨著科技的不斷發(fā)展，我國的化學(xué)研究者在本領(lǐng)域內(nèi)取得了輝煌的成就?；づc人類的生活息息相關(guān)，化工水平的提高，不僅為人們的生活和工作提供了方便、提高了質(zhì)量，還為社會的健康發(fā)展和進步提供了巨大的推動力。管道安全是安全生產(chǎn)的一項重要內(nèi)容，管道設(shè)計專業(yè)逐漸成為大學(xué)里的熱門專業(yè)，通過研究管道產(chǎn)生的應(yīng)力來判斷管道的安全性，盡可能用最少的錢設(shè)計出最合理的管道。

1 管道應(yīng)力分類

(1)管道一次應(yīng)力 一次應(yīng)力是指因壓力或重力等外加荷載而產(chǎn)生的應(yīng)力。變形程度根據(jù)材料不同而不同，有的材料變形不明顯，也就是說屈服點不明顯，所以規(guī)定當(dāng)殘余變形達到0.2%時的應(yīng)力值，作為“條件屈服極限”，以σ0.2表示。地震載荷、安全閥動作沖擊荷載等產(chǎn)生的力都屬于一次應(yīng)力。

(2)管道二次應(yīng)力 管道二次應(yīng)力是管道由于受到溫度變化所產(chǎn)生的熱脹冷縮或著其他位移受到約束而發(fā)生的應(yīng)力。它的主要特征是具有自限性，也就是說管道局部達到屈服點或小量變形引起持續(xù)變形，應(yīng)力開始重新分布，材料應(yīng)變達到均衡。熱應(yīng)力是二次應(yīng)力。

(3)管道峰值應(yīng)力 管道峰值應(yīng)力是指管道局部熱應(yīng)力或局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的共同影響疊加到一次應(yīng)力和二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量。峰值應(yīng)力的主要特征是發(fā)生在局部，不會發(fā)生顯著的變形，僅在以根源為中心短距離范圍內(nèi)導(dǎo)致疲勞裂紋或脆性破壞，危害性小于二次應(yīng)力。

2 管道應(yīng)力分析主要內(nèi)容

(1)靜力分析內(nèi)容 ①分析管道在壓力載荷和持續(xù)載荷作用下所承受的一次應(yīng)力，一次壓力小于等于管道材料的屈服點時，管道不會發(fā)生變形和破壞，這時是可靠安全的。②計算分析管道在溫度變化下所產(chǎn)生的熱脹冷縮或管道端點在允許空間內(nèi)所承受的二次壓力，計算二次壓力可以防止管道材料疲勞破壞。③分析計算管道對工作設(shè)備的反作用力，反作用力不要超過廠家提供的工作設(shè)備管嘴允許值，否則會破壞工作設(shè)備。④計算分析管道支吊架受力和法蘭受力。法蘭主要用來連接兩個管子或兩個設(shè)備，精確計算法蘭處的受力可以將外力和力矩折算成當(dāng)前壓力一般控制在70MPa以下。

(2)動力分析內(nèi)容 ①分析管道的自振頻率。當(dāng)管道受到外力干擾后管道仍會用振動，振動所產(chǎn)生的頻率叫自振頻率。分析管道的自振頻率可以有效的防止管道系統(tǒng)發(fā)生共振，降低共振產(chǎn)生的危害。②分析管道的受迫振動。受迫振動是指管道的振動頻率和外力的振動頻率相同，影響產(chǎn)品質(zhì)量。分析管道的受迫振動可以有效的降低管道振動發(fā)生的頻率和應(yīng)力。③分析往復(fù)式壓縮機氣柱頻率和脈動，防止氣柱共振，控制脈動值。

3 管道應(yīng)力優(yōu)化措施

管道在設(shè)計和施工過程中要進行優(yōu)化改良，讓整個化工生產(chǎn)系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運行，壽命達到最長。

(1)合理選擇和安裝管道支吊架 選擇支架時，盡可能選擇能夠控制或減少管道向某個方向發(fā)生位移的支架或者可以選擇幫助管道去適應(yīng)變形的支架。

(2)提高管道的柔性和韌性 ①利用U型彎來改變管道走向，提高管道的自然補償能力。這種補償方法技術(shù)含量高低、成本低、簡單易行，在生產(chǎn)中被廣泛采用。②安裝補償器提高管道的自然補償能力。補償器又叫膨脹節(jié)，能夠吸收熱作用或溫度變化所引起的尺寸變化，防止管道變形或破壞。③安裝彈簧支架。當(dāng)管道發(fā)生垂直方向的移位時，彈簧支架會伸長或縮短，受力支點會發(fā)生變化，就能既不改變管道走向，又能提高管道的柔韌性。

(3)采用管道冷緊法緩解管道應(yīng)力 管道冷緊法是讓在冷狀態(tài)下的拉力去抵消熱狀態(tài)下發(fā)生的位移，冷緊法只是降低管道固定點的推力和力矩，并未改變應(yīng)力范圍，不影響管道的疲勞狀態(tài)，這種方法簡單易行，廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)中。但是當(dāng)管道的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力都沒有超過最大允許值時，可以不采用此種方法。

4 結(jié)語

管道設(shè)計水平的高低也逐漸成為衡量一個化工企業(yè)競爭力高低的重要因素，化工廠選址不同、生產(chǎn)設(shè)備不同，配套的管道設(shè)計應(yīng)該隨時變化，管道設(shè)計的重要性日益凸顯。在管道設(shè)計中，安全生產(chǎn)、優(yōu)化措施、材料選擇、成本分析等都是管道應(yīng)力分析的主要研究內(nèi)容。管道應(yīng)力分析數(shù)據(jù)龐大復(fù)雜，工作量大，計算過程嚴密，人為進行難度大，一般依靠相關(guān)的計算軟件。

[1]申云青.有關(guān)化工設(shè)計中管道應(yīng)力的分析.山東工業(yè)技術(shù)，2014，(19).

[2]何思然.化工設(shè)計過程中管道材料的選用分析.化工管理，2015，(06).

[3]楊春梅.水力學(xué)計算機軟件在化工設(shè)計中的應(yīng)用.四川化工，2015，(01).