化工設(shè)計中管道應(yīng)力的分析

鐘彥

摘 要：隨著化工產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，提升化學(xué)化工裝置的安全性能顯得尤為重要和必要。管道應(yīng)力分析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。

關(guān)鍵詞：化工設(shè)計；管道應(yīng)力；分析

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油、化工發(fā)展迅猛。然而，石油化工裝置通常具有高溫高壓、易燃易爆、劇毒等復(fù)雜的生產(chǎn)條件，隨著裝置日益大型化，工藝管道的規(guī)格及復(fù)雜程度也相應(yīng)增大，管道設(shè)計的地位也顯得的越來越重要。這是因為只有在安全性得到保障的條件下，整個化工設(shè)計才能變得更為可靠。在工程設(shè)計中，管道應(yīng)力分析主要解決管道的強度、剛度、振動等問題，為管道布置、安裝、配置，即進行管道設(shè)計，提供科學(xué)依據(jù)。因此，管道應(yīng)力分析越來越受到設(shè)計單位和投資方的重視，并且在石油、化工、電力等燃化工業(yè)管道設(shè)計中占據(jù)了十分重要的位置，是管道工程設(shè)計的基礎(chǔ)，是裝置正常、安全運行的重要保障。

一、管道應(yīng)力分類

管道一次應(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。

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。

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。

二、管道應(yīng)力分析的內(nèi)容

在管道設(shè)計中，很多管道都要進行管道應(yīng)力分析，例如冷箱的管道、脆弱材料襯里的管道等等，它們都需要進行內(nèi)力分析，管道種類的多樣性也決定了管道應(yīng)力分析的多樣性和復(fù)雜性，接下來，我們就對管道應(yīng)力分析的內(nèi)容進行詳述。管系受到的外加載荷有靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷之分。這種外加載荷性態(tài)上的差異性使管系對其的反應(yīng)也有很大不同，即使是對待相同大小的靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷，管系的響應(yīng)也是有差異的。這就是管道應(yīng)力分析出現(xiàn)了靜力分析和動力分析兩種。

（一）靜力分析的內(nèi)容

靜力分析的內(nèi)容主要有：第一，對壓力載荷作用下一次應(yīng)力的計算，設(shè)定合理的管道應(yīng)力值，避免管道發(fā)生塑性變形損壞；第二，對管道熱脹、冷縮或其他位移受到限制的情況下產(chǎn)生的二次應(yīng)力進行分析，將應(yīng)力值控制在允許范圍內(nèi)，避免疲勞破壞帶來的損失；第三，分析管道對設(shè)備的作用力，設(shè)備的受力要嚴格按照標準執(zhí)行，保障設(shè)備的安全運行。除此以外還要對支吊架受力和法蘭受力進行計算。

（二）動力分析的內(nèi)容

動力分析的內(nèi)容主要有：第一，對管道自震的頻率進行深入研究，通過分析管道自震的頻率，得出規(guī)避管道系統(tǒng)共振的方法；第二，分析管道強迫震動的響應(yīng)情況，進而能夠掌握管道震動規(guī)律，控制管道應(yīng)力。第三，對往復(fù)式壓縮機的氣柱頻率和壓力脈動進行分析，避免氣柱共振的發(fā)生，將壓力脈動值設(shè)定在合理范圍內(nèi)。

三、管道應(yīng)力分析的目的

管道的應(yīng)力，主要是管道承受內(nèi)壓力、外部荷載以及熱膨脹或冷緊等多種因數(shù)引起的。其中熱膨脹問題是管道應(yīng)力分析所要解決的最常見和最主要的問題。進行管道應(yīng)力分析，根據(jù)要求，主要有以下幾個方面：（1）為了使管道應(yīng)力在規(guī)范的許用范圍內(nèi)；（2）為了使設(shè)備管口荷載符合制造商或公認的標準；（3）為了使與管道連接的容器應(yīng)力保持在其規(guī)定的許用范圍內(nèi)；（4）為了計算出各種支撐及約束的設(shè)計載荷；（5）為了確定因各種沖擊所導(dǎo)致的管道位移；（6）角車決管道動力學(xué)問題，如管道的機械振動，流體錘等；（7）幫助配管優(yōu)化設(shè)計。

四、管道應(yīng)力優(yōu)化措施

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。

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。

總之，管道應(yīng)力分析及設(shè)計在管道設(shè)計中的作用是很重要的。管道支吊架的作用主要有兩個方面：一是承受管系的自重和外部載荷，目的是避免產(chǎn)生過量撓度，控制管系的一次應(yīng)力在一定范圍之內(nèi)；二是用來使管系適應(yīng)位移的需要，調(diào)整和改善管系的應(yīng)力分布情況，以控制管系二次應(yīng)力和綜合應(yīng)力允許界限以內(nèi)，使管系的端點推力在許用的范圍，從而達到保護設(shè)備的目的，例如壓縮機、汽輪機以及機泵等敏感的機械設(shè)備。管道自重荷載在各支吊點的分配也扮演著重要角色。設(shè)計師應(yīng)盡量使管系的一次應(yīng)力分布較為均勻。合理的自重分配是管道支吊架設(shè)置中應(yīng)首先考慮的問題。設(shè)計中要從安全性和經(jīng)濟性的角度都進行，盡可能利用管道的自然補償，當(dāng)有空間條件限制以及經(jīng)濟核算作指導(dǎo)時可合理選用補償器進行補償。

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