化工設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力分析的必要性研究

徐齊珍

（南京強(qiáng)思工程技術(shù)服務(wù)有限公司，江蘇南京 210000）

化工設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力分析的必要性研究

徐齊珍

（南京強(qiáng)思工程技術(shù)服務(wù)有限公司，江蘇南京 210000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，工業(yè)技術(shù)水平也得到了不斷的提升，化工裝置在國(guó)內(nèi)的需求量不斷增加，管道裝置的直徑越來(lái)越大，化工裝置管道的設(shè)計(jì)變得更加關(guān)鍵。對(duì)化工管道應(yīng)力的種類(lèi)進(jìn)行分析，分別闡述了管道應(yīng)力設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。最后通過(guò)強(qiáng)調(diào)化工管道應(yīng)力在化工設(shè)計(jì)中的必要性，提出了幾點(diǎn)應(yīng)對(duì)措施，以供參考。

管道應(yīng)力；化工設(shè)計(jì)；必要性

在物理學(xué)中，管道內(nèi)力的集度稱(chēng)為應(yīng)力，也就是作用在物體單位面積上的力。管道應(yīng)力的研究對(duì)我國(guó)的石化行業(yè)，電力行業(yè)甚至醫(yī)療方面都有很大的價(jià)值，以下著重介紹管道應(yīng)力在化工設(shè)計(jì)中的必要性。

1 化工管道應(yīng)力的分類(lèi)

管道承受的最大應(yīng)力，超過(guò)材料的承受極限，使得材料在正常的工作狀態(tài)下產(chǎn)生變形，管道在熱脹冷縮、持續(xù)外載或經(jīng)過(guò)高溫的蠕變以及應(yīng)力的松弛等情況下，管系上的應(yīng)力就發(fā)生了變化。因?yàn)閼?yīng)力的不同會(huì)產(chǎn)生不同的效應(yīng)，對(duì)于應(yīng)力對(duì)管系所引起的破壞，應(yīng)該采取不同的處理方式。在管道應(yīng)力中分為三類(lèi)：一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。

一次應(yīng)力：指的是由于外在的壓力，重力，外加荷載而產(chǎn)生的應(yīng)力。其特點(diǎn)是：無(wú)自限性，外加荷載在增加時(shí)，一次應(yīng)力也隨之增加，滿(mǎn)足與外加載荷之間的平衡關(guān)系，壓力一旦超過(guò)了管道材料的承受能力，管道會(huì)因?yàn)樗苄宰冃伪黄茐摹Ｓ纱丝梢?jiàn)，一次應(yīng)力的產(chǎn)生是由于持續(xù)外荷載而產(chǎn)生，管道承受的持續(xù)外荷載是自重、介質(zhì)重量及介質(zhì)內(nèi)壓等。

二次應(yīng)力：當(dāng)管系在一些不確定的因素下發(fā)生形變時(shí)，用來(lái)對(duì)抗這種變化而產(chǎn)生的力就叫做二次應(yīng)力，比如熱脹冷縮，或者在管道位移發(fā)生變化的情況下。二次應(yīng)力具有自限性，和一次應(yīng)力與外加載荷可以保持平衡有所不同，二次應(yīng)力不能隨外加載荷增加而增大，管道自身能產(chǎn)生塑性變形或者是通過(guò)自身局部的變化來(lái)降低管道應(yīng)力，在外加載荷超過(guò)了自身的承受極限的時(shí)候，管道仍然保持完好，并且進(jìn)行應(yīng)力的合理再次分布。

峰值應(yīng)力：指的是前兩次應(yīng)力之上的增量。峰值應(yīng)力一般出現(xiàn)在焊縫沒(méi)干透的位置。經(jīng)常會(huì)對(duì)管道形成裂紋進(jìn)而造成脆性損壞，是在日積月累中形成的，其作用并不顯著。

2 管道應(yīng)力分析的內(nèi)容

在管道設(shè)計(jì)的過(guò)程中都要進(jìn)行管道的應(yīng)力分析，大到工業(yè)生產(chǎn)或石油天然氣運(yùn)輸管道，小到冰箱的制冷設(shè)備，管道所處的環(huán)境體現(xiàn)了管道應(yīng)力復(fù)雜的特性。這種環(huán)境下的應(yīng)力可以分為靜力分析和動(dòng)力分析兩種。當(dāng)外加載荷經(jīng)過(guò)管道的速率緩慢時(shí)，管系就有足夠的時(shí)間將管道應(yīng)力進(jìn)行均勻的分配，在保持平衡的情況下可進(jìn)行靜力分析。當(dāng)外加載荷在管道中運(yùn)動(dòng)的速率過(guò)快，管道來(lái)不及將載荷平均分配，讓管系處在不平衡的環(huán)境中就要進(jìn)行動(dòng)力分析。

2.1 靜力分析

（1）為了避免管道產(chǎn)生塑性的變形破壞，我們要設(shè)定合理的管道應(yīng)力值，對(duì)壓力荷載作用進(jìn)行壓力的計(jì)算。

（2）為了避免管系由于自身的變形而帶來(lái)?yè)p失，控制應(yīng)力值在可承受范圍之內(nèi)，所以要對(duì)在管道其他位移上受到限制或者熱脹冷縮時(shí)產(chǎn)生的二次應(yīng)力進(jìn)行分析和整理。

（3）要保障設(shè)備的運(yùn)行安全，要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)去執(zhí)行設(shè)備的受力，分析其對(duì)管道對(duì)設(shè)備的作用力。

2.2 動(dòng)力分析

（1）規(guī)避管道系統(tǒng)的共振要通過(guò)分析管道自振頻率，深入研究管道自振的頻率。

（2）控制管道的應(yīng)力掌握管道的振動(dòng)規(guī)律。要分析管道強(qiáng)迫振動(dòng)的響應(yīng)情況。

（3）避免發(fā)生氣柱共振，將壓力的脈動(dòng)值控制在合理范圍，要對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)的壓力脈動(dòng)和氣柱頻率進(jìn)行分析。

3 以CA ESARII軟件為例的應(yīng)力計(jì)算范圍

在化工設(shè)計(jì)中，管道應(yīng)力的產(chǎn)生是非常復(fù)雜的。一般情況下，這幾種應(yīng)力分析必須通過(guò)軟件進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表1。

表1 管道應(yīng)力計(jì)算

另外，除圖表中所示，在界區(qū)外的管廊上相當(dāng)長(zhǎng)的直管，與貯罐相連的DN 300以上的管線等等產(chǎn)生應(yīng)力的原因復(fù)雜的管線都可以用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)計(jì)算。

4 減少管系應(yīng)力影響的措施

4.1 合理選用支吊架

設(shè)置管道的過(guò)程中，適當(dāng)?shù)倪x用管道支架，支架的種類(lèi)會(huì)對(duì)管系受力有著非常重要的影響?？紤]到一次應(yīng)力和二次應(yīng)力因素的影響，設(shè)置管道支吊架，來(lái)避免兩次的應(yīng)力給管道帶來(lái)的不良影響。為了避免管道受到損壞，消除一次應(yīng)力的影響應(yīng)該把管道支吊架設(shè)置成滿(mǎn)足最大限度的要求，而二次應(yīng)力的作用影響，在選用支吊架的時(shí)候，要看吊架能不能適應(yīng)管系的變形問(wèn)題，盡可能的避免其帶來(lái)的影響。

4.2 增強(qiáng)管道的柔性

管道的自身由于受力會(huì)發(fā)生一定的變形，而管道的柔性恰恰限制了這種特性，在對(duì)外在荷載有效程度上，管道的柔性發(fā)揮了抗形變的作用。在一些特殊的情況下，可以巧妙的使用管道的柔性來(lái)抵抗由于外界因素對(duì)管道造成的形變。應(yīng)用彈簧支架、選擇補(bǔ)償能力大的補(bǔ)償器及改變管道走向這三種措施可以使管道柔性加強(qiáng)。通過(guò)這三種措施，可以保障管系的安全生產(chǎn)，改善關(guān)系的受力情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)中，對(duì)于管系的應(yīng)力分析是管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容，良好的管系設(shè)計(jì)可以提高工業(yè)生產(chǎn)的效益并且優(yōu)化工業(yè)設(shè)備。在管道管系的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員要不斷的進(jìn)行管道優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中得到真理，深化化工設(shè)計(jì)的理論分析，把理論和實(shí)際相結(jié)合。在此過(guò)程中，充分展現(xiàn)出管道應(yīng)力分析的優(yōu)勢(shì)，最大程度的推動(dòng)化工產(chǎn)業(yè)向效益共存的多贏局面發(fā)展。

[1] 崔廣東.石油化工管道設(shè)計(jì)的應(yīng)力分析與柔性設(shè)計(jì)[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013，（16）：45-46.

[2] 韋征，顧順超.如何正確分析化工管道設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力[J].化工管理，2015，（16）：180.

Analysis and Necessity of Pipeline Stress in Chemical Engineering Design

Xu Qi-zhen

With the rapid development of China’s economy，the industrial technology has been improved continuously.The demand of chemical plant is increasing in China，and the diameter of the pipeline is getting bigger and bigger.The design of the pipeline is becoming more and more important.In this paper，the types of stress in chemical pipelines are analyzed，respectively，the main content of the stress design of the pipeline is expounded.In the end，the author points out the necessity of chemical pipeline stress in chemical engineering design and puts forward some countermeasures for reference.

pipeline stress；chemical design；necessity

TQ055.81

A

1003–6490（2016）10–0074–02

2016–10–06

徐齊珍（1984—），女，江蘇淮安人，助理工程師，主要從事管道和設(shè)備的設(shè)計(jì)工作。