如何正確分析化工管道設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力

應(yīng)輝

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(duì)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(cè)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

1 應(yīng)力的分類

管道在持續(xù)外載、內(nèi)壓以及熱脹、冷縮和其它位移等載荷作用下，其最大應(yīng)力往往超過材料的屈服極限，從而使材料在工作狀態(tài)下發(fā)生塑性變形，另外高溫管道的應(yīng)力松弛和蠕變，也將使管系上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。對(duì)于不同種類的應(yīng)力應(yīng)當(dāng)區(qū)別對(duì)待，根據(jù)它可能產(chǎn)生的效應(yīng)和對(duì)于破壞所起的作用不同，給與不同的限定。管道上的應(yīng)力，一般分析一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力三類。

眾所周知，一次應(yīng)力（PrimaryStress）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。對(duì)于一次應(yīng)力，其特點(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。

一般認(rèn)為，二次應(yīng)力（SecondaryStress）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。

對(duì)于峰值應(yīng)力（PeakStress），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。

2 進(jìn)行對(duì)管道應(yīng)力的分析

一般管道應(yīng)力分析主要包括兩個(gè)部分，即靜力分析與動(dòng)力分析，靜力分析包括：（1）仿塑性變形破壞的持續(xù)載荷與壓力荷載作用產(chǎn)生的一次應(yīng)力計(jì)算；（2）防疲勞破壞的管道端點(diǎn)附加位移或熱脹冷縮等載荷作用產(chǎn)生的二次應(yīng)力計(jì)算；（3）防支吊點(diǎn)位移過大和管道碰撞的管系位移計(jì)算；（4）為支吊架設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)的管道支吊架受力計(jì)算；（5）防法蘭泄露的管道上法蘭受力計(jì)算；（6）保證機(jī)器、設(shè)備正常運(yùn)行的管道對(duì)機(jī)器和設(shè)備作用力的計(jì)算。而動(dòng)力分析包括：（1）防管道系統(tǒng)共振的管道自振頻率分析；（2）防管道地震應(yīng)力過大的管道地震分析；（3）控制壓力脈動(dòng)值的往復(fù)式壓縮機(jī)壓力脈動(dòng)分析；（4）防氣柱共振的往復(fù)式壓縮機(jī)氣柱頻率分析；（5）控制管道應(yīng)力與振動(dòng)的管道強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析。

3 管系受力狀況的改善措施

由于管道設(shè)計(jì)在工廠設(shè)計(jì)中占據(jù)重要位置，為保證工廠運(yùn)行質(zhì)量，化工管道設(shè)計(jì)不僅要符合工藝過程的規(guī)范要求，而且為確保設(shè)備、管道、機(jī)泵及附件等能保持最佳狀態(tài)并可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，還應(yīng)充分考慮其受力情況，采取有效措施改善管系受力狀況，對(duì)此，在設(shè)計(jì)與施工中可以從以下幾個(gè)方面著手：

3.1 通過增加管道的柔性改變

一般在管道設(shè)計(jì)中，能反映管道變形難以程度的即為管道柔性，而增加管道柔性可以通過改變管道走向、選用彈簧支吊架或是波紋管膨脹節(jié)來實(shí)現(xiàn)。首先，改變管道走向可根據(jù)管系長(zhǎng)度在兩固定點(diǎn)位置一定時(shí)增加能增加管道柔性原理，可以在管系某一方向過硬時(shí)增加與其垂直方向管道的長(zhǎng)度來增加管道柔性，改變管道走向有投資少、運(yùn)行可靠且操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。而選用彈簧支吊架，可通過支吊架處存在垂直位移來實(shí)現(xiàn)放松約束，進(jìn)而達(dá)到管系柔性增加的目的。若管徑較大時(shí)會(huì)受場(chǎng)地限制，則可選用波紋管膨脹節(jié)，尤其低壓大直徑管道較適用，但因?yàn)樵旒龠^高且制造復(fù)雜，還未能被廣泛接受。

3.2 合理選用支吊架并正確設(shè)置管道支吊架

由于支吊架在管道系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，支吊架選用與設(shè)置的合理性在滿足一次應(yīng)力、減小管系振動(dòng)與二次應(yīng)力方面都有著至關(guān)重要的意義，而若是支吊架的選用或設(shè)置不合理，則會(huì)因?yàn)槌惺懿蛔」艿乐亓康群奢d而致使管道的一次應(yīng)力發(fā)生超標(biāo)狀況。并且，支吊架的設(shè)置合理對(duì)控制管系變形以減少管道二次應(yīng)力與設(shè)備受到的管道推力也有顯著成效，為管道與設(shè)備的正常運(yùn)行提供有力保障。同時(shí)，合理設(shè)置支架于往復(fù)機(jī)械的振動(dòng)管道而言，還能有效減小管道振動(dòng)。而設(shè)置支吊架時(shí)，應(yīng)符合管道允許的最大跨度要求，在設(shè)備管嘴就近處設(shè)置，有集中荷載時(shí)應(yīng)靠近荷載布置，而往復(fù)式壓縮機(jī)應(yīng)單獨(dú)設(shè)置支吊架并將其與建筑物隔離。

3.3 通過采用冷緊的方法進(jìn)行降低

在運(yùn)行初期，冷緊方法可以減少端點(diǎn)受管道的推力與力矩。冷緊方法通過將一部分管道熱應(yīng)力集中在冷態(tài)來實(shí)現(xiàn)熱脹應(yīng)力在管道熱態(tài)下對(duì)端點(diǎn)推力與力矩的降低，對(duì)于法蘭連接處由于彎矩過大而發(fā)生泄露現(xiàn)象也起到防范作用。

4 CAESARII管道應(yīng)力計(jì)算軟件的理論基礎(chǔ)及應(yīng)用范圍

4.1 與貯罐相連的，公稱管徑DN300及以上且設(shè)計(jì)溫度在100℃以上的管線；

4.2 離心式壓縮機(jī)（API617）及往復(fù)式壓縮機(jī)（API618）的DN80及以上的進(jìn)、出口管線；c）蒸汽透平（NAMESM—23）的入口、出口和抽提管線；

4.3 泵（API610）——公稱管徑4″及以上且溫度100℃及以上或溫度-20℃及以下的吸入、排出管線；

4.4 空冷器（API661）——公稱管徑DN150及以上且溫度120℃及以上的進(jìn)、出口管線；

4.5 加熱爐（API560）——與管口相連的DN150及以上和溫度200℃及以上的管線；

4.6 相當(dāng)長(zhǎng)的直管，如界區(qū)外的管廊上的管線；

4.7 法蘭處的泄漏會(huì)造成重大危險(xiǎn)的管線，如氧氣管線、環(huán)氧乙烷管 線等。

4.8 公稱管徑DN100及以上且100℃及以上或-50℃及以下的所有管線。

5 結(jié)論

管道應(yīng)力分析與計(jì)算，是研究管道在各種荷載作用下產(chǎn)生的力、力矩和應(yīng)力，從而判斷管道的安全性，同時(shí)使管道設(shè)計(jì)盡可能經(jīng)濟(jì)合理。管道應(yīng)力分析是管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通過應(yīng)力分析可以優(yōu)化管道設(shè)計(jì)，可以使管道設(shè)計(jì)更加合理化。

參考文獻(xiàn)

[1]陳昊.管道設(shè)計(jì)中關(guān)于管道應(yīng)力的分析與考慮.科技信息，2016.

[2]宋岢岢.工業(yè)管道應(yīng)力分析與工程應(yīng)用.中國(guó)石化出版社，2017-03-01.

[3]姜崴.管道應(yīng)力分析軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.山西化工，2016.

[4]陳俊.管道應(yīng)力及固定點(diǎn)受力分析.化工設(shè)計(jì)通訊，2017.