關于化工設計中管道應力的研究

豈洪志常少博

（1湖南中化恒科工程設計有限公司，湖南 長沙 410000）

（2河南省發(fā)展燃氣有限公司，河南 鄭州 450000）

關于化工設計中管道應力的研究

豈洪志1常少博2

（1湖南中化恒科工程設計有限公司，湖南 長沙 410000）

（2河南省發(fā)展燃氣有限公司，河南 鄭州 450000）

在化工設計中，管道設計最為關鍵，設計管道過程中必須首先對管道應力進行分析，打好設計基礎。本文主要介紹了化工管道應力的幾大分類及管道應力的主要分析內容，同時提出了化工設計中減少管道應力影響的相關技術措施。

管道應力；化工設計；分類；應力計算范圍；技術措施

化工設計中必須首先為管道應力給出合理設計方案，進而促進安全生產(chǎn)進程，同時實現(xiàn)生產(chǎn)成本節(jié)約目標。就目前發(fā)展來看，化工設計中的管道應力設計研究已經(jīng)成為行業(yè)領域發(fā)展的主流趨勢。

1 管道應力的基本內涵與分類

1.1 管道應力的基本內涵

管道應力主要指管道在受到外力作用過程中，管道內部產(chǎn)生抵抗外力作用的對應內力，該內力會與外力形成彼此之間的相互作用，希望將外力所導致的管道形變恢復到受力前原始狀態(tài)。所以說，管道某處受外力產(chǎn)生形變位置一定也會同時產(chǎn)生相應內力。

1.2 管道應力的基本分類

管道應力并不是單一內力，它也存在多種類型。但從本質上來講管道應力會伴隨外力作用同時產(chǎn)生，是相對應的一種力。當然，管道在受到不同外力應力后，其所產(chǎn)生的內力應力類型也會有所不同。具體來講，管道應力主要包括以下3種。

首先是一次應力，它是指在受到外在重力、壓力、外加荷載與介質內壓等等外力作用下所相應產(chǎn)生的內力應力。該一次應力的基本特征就是沒有自限性，當外加荷載不斷增加過程中，一次應力也會相應增加，但它始終滿足與外加荷載間的應力平衡關系。但當壓力超過管道材料承受能力范圍時，管道就會發(fā)生塑性形變最終被破壞。所以說，一次應力的產(chǎn)生主要以持續(xù)外荷載應力為主。而一般管道所承受的持續(xù)外荷載則主要以管道自重、介質內壓及介質重量為主。

其次是二次應力，化工設計管道會受到一些外界不確定因素影響，進而導致形變現(xiàn)象發(fā)生，用來對抗這種形變所產(chǎn)生的管道應力就是二次應力。比如比較常見的熱脹冷縮現(xiàn)象，管道位移形變現(xiàn)象等等。二次應力其自身是存在一定自限性的，這種自限性并不能像一次應力那樣可以保證外加荷載平衡，換言之二次應力不能隨外加荷載的增加而相應增大，但管道能通過自身局部變化來有效降低管道應力。如果外加荷載超出管道自身承受荷載極限，管道依然還能保持完好不被破壞，然后再對應力進行二次分布。

二次應力的具體評定標準為σE≤[σ]A，在該評定標準公式中得出以下兩式：

上述兩式要以管道平面內與外彎曲部位的相同應力作為增大系數(shù)，其中應力增大系數(shù)為i，當應力增大系數(shù)在疲勞破壞循環(huán)次數(shù)相同狀況下，管道的彎曲應力就會作用于管件的名義彎曲應力之上。另外在二次應力影響下，管道也會受熱膨脹并產(chǎn)生一定伸長量，它的數(shù)學公式為：

一般鋼管的a值取值為α=1.2×10-5m/m·℃，這也是針對供熱管道的強度計算，計算它的熱膨脹與冷縮、內壓及外部荷載作用力所引發(fā)的力矩和應力，判斷管道設計是否安全經(jīng)濟。

第三是峰值應力，峰值應力屬于前兩種應力的增量表現(xiàn)。如果管道附近出現(xiàn)局部結構不連續(xù)問題或局部熱應力效應問題，就要在管道的一次及二次應力層面??上增加新應力增量，即增加峰值應力。峰值應力一般會體現(xiàn)在管道焊縫位置或未焊透問題，但整體上峰值應力的作用不甚明顯，它是在長時間中慢節(jié)奏逐漸積累形成的，對管道的破壞也是日積月累效果，一般來說會在3年內對管道形成疲勞裂紋，最終造成管道的脆性破壞現(xiàn)象[1]。

2 管道應力分析的基礎內容及重要性

2.1 管道應力分析的基礎內容

化工設計管道在應力分析過程中要考慮到其應力本身的復雜特征，主要分為靜力分析、動力分析兩種。如果外加載荷經(jīng)過化工管道速率較慢，其管道管系內部應力能夠均勻分配，保證內外力應力平衡，此時就要進行管道應力的靜力分析；如果外加荷載在管道中運動速率過快，管道本身可能無法及時進行載荷平均分配，此時管道內外應力必然出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，在如此環(huán)境下，必須進行動力分析。

首先談靜力分析，由于管道塑性變形會對管道本身帶來破壞性影響，所以必須為管道設定應力值，同時對壓力荷載作用進行計算。再者，要控制應力值在管道可承受極限范圍之內，避免管道由于位移而造成應力受限，同時充分考慮熱脹冷縮所造成的二次應力問題，對它進行有效分析與整理；最后，靜力分析也能夠間接保障設備運行安全，一般來說要按照基礎標準來設置設備受力范圍，并同時分析化工管道對設備的真實作用力。

其次談動力分析，首先必須規(guī)避管道系統(tǒng)中所存在的共振效應，主要要分析化學管道的自振頻率。第二要準確把握管道應力振動規(guī)律，并分析管道在強迫振動下的實際響應狀況。最后要盡量避免發(fā)生氣柱共振現(xiàn)象，將壓力脈動值始終控制在合理范圍之內，并對復式壓縮機壓力脈動氣柱頻率進行全面檢查確定[2]。

2.2 管道應力分析的現(xiàn)實意義

在明確了靜力與動力分析之后，應該從微觀角度來組合二力，基于化學管道的應力分析結果來進行一次、二次應力的安全值精細計算和設定，最大限度減少管道外加荷載應力對管道的破壞作用。整體來看，管道應力分析能夠為管道設計提供技術保障基礎，提高管道安全性評價質量，優(yōu)化管道化工設計過程，促進企業(yè)安全生產(chǎn)，大量節(jié)約材料資金成本。所以說，化工管道應力分析及設計能夠為企業(yè)帶來多贏局面，尤其對企業(yè)生產(chǎn)效率提高有很大促進作用。

3 降低化工設計中管道應力影響的相關技術措施

3.1 基于CA ESARII軟件計算管道應力范圍

考慮到管道應力產(chǎn)生的復雜性，所以要在多種應力分析條件下，通過軟件計算它們的管道應力范圍，如表1。

表1 化工設計管道的盈利計算數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，在管道外部管廊位置直管與貯罐直接相連，并利用DN300以上管線進行連接，產(chǎn)生應力。在滿足D/T＜100的條件下，CA ESARII軟件計算的管道應力范圍值都準確有效，這其中D代表了主管管徑，d代表分支管管徑[3]。

3.2 降低管道應力影響的技術措施

為了降低應力對化工設計管道的形變影響，本文主要提出了兩點降低管道應力的主要措施。

首先，要為管道內部合理設置支吊架，其支架的種類選擇與管道受力影響有直接關系，所以要具體考慮一次應力與二次應力的實際影響，特別在設置管道支吊架過程中避免由二次應力所造成的管道不良受力影響。同時，也要保護管道不受損壞，最大限度消除一次應力影響，滿足支吊架在管道中設置的最大應力限度要求。

其次，要有效增強管道柔性，通常情況下，化工設計管道會根據(jù)受力來發(fā)生變化，產(chǎn)生管道變形結果，但是管道柔性卻能有效限制管道形變。特別是在某些特殊狀況下，應該合理利用管道這一柔性特征來抵抗外界環(huán)境可能帶來的管道外力形變問題，例如采用彈簧支架、或者選擇某些補償能力較為強大的補償器來調整管道走向，進一步增強管道柔性，改善管系內部的多種應力相互受力關系，確保管道管系始終安全[4]。

4 結語

可以見得，管道應力分析對管道設計而言至關重要，它間接幫助工業(yè)生產(chǎn)效益提升，因此企業(yè)工程應該重視對化工設計中管道應力的深層次研究分析，推動化工產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展。

[1]韋征,顧順超.如何正確分析化工管道設計中的管道應力[J].化工管理,2015(16):180-180.

[2]冷霜.管道應力分析在大型空分項目中的應用[J].化工管理,2015(12):134.

[3]陳樂.燃氣管道應力計算方法與應用[J].上海煤氣,2008 (6):14-15,39.

[4]徐齊珍.化工設計中管道應力分析的必要性研究[J].化工設計通訊,2016,42(10):74,76.