工業(yè)管道應(yīng)力分析在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及探討

任飛虎

（山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團(tuán)有限公司， 山西 太原 030000）

工業(yè)管道是工藝流程種類最多、生產(chǎn)環(huán)境狀態(tài)變化最為復(fù)雜、輸送介質(zhì)種類較多、條件比較苛刻的設(shè)備。為了保證工業(yè)企業(yè)良好的運(yùn)行環(huán)境以及行業(yè)之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)對(duì)工業(yè)管道的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。工業(yè)管道應(yīng)力分析在化工、石油焦化、電力等工業(yè)管道設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的位置，工業(yè)管道應(yīng)力分析對(duì)工業(yè)生產(chǎn)安全、管道的設(shè)計(jì)優(yōu)化、工程的材料節(jié)約等方面起到了重要的作用。

1 管道應(yīng)力分析的內(nèi)容

管道應(yīng)力分析主要是以靜力分析與動(dòng)力分析兩種內(nèi)容為主。從單個(gè)關(guān)系的角度來(lái)看，其對(duì)于動(dòng)態(tài)載荷以及同等水平靜態(tài)載荷的響應(yīng)存在著十分明顯的差異性，靜態(tài)載荷是載荷被逐漸的施加到管道系統(tǒng)當(dāng)中，其具備有充足的時(shí)間來(lái)進(jìn)行響應(yīng)同時(shí)在系統(tǒng)中進(jìn)行配置，并且能夠確保系統(tǒng)始終維持均衡性，處于均衡狀態(tài)下，各種力與力矩均將被消除，且管道不發(fā)生運(yùn)行。

1.1 靜力分析

1） 計(jì)算壓力載荷與持續(xù)荷載作用下所產(chǎn)生出的一次應(yīng)力，可避免出現(xiàn)塑性變形損壞。其一次應(yīng)力值低于管材最大應(yīng)力值即性能穩(wěn)定；2） 計(jì)算管道對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的作用力，以避免作用力過(guò)大，確保設(shè)備能夠始終保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)備管嘴受力應(yīng)當(dāng)?shù)陀谧畲笙薅ㄖ担?） 對(duì)管道支架受力予以計(jì)算處理，以便給予支吊架設(shè)計(jì)提供依據(jù)支持。

1.2 動(dòng)力分析

1） 往復(fù)式壓縮設(shè)備的氣、柱頻率分析，主要是為應(yīng)對(duì)氣柱發(fā)生共振效應(yīng)；2） 往復(fù)式壓縮設(shè)備壓力脈動(dòng)分析，主要是為實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力脈動(dòng)值的有效控制；3） 管道自振動(dòng)頻率分析，主要是為避免管道系統(tǒng)發(fā)生共振效應(yīng)；4） 管道強(qiáng)迫式振動(dòng)分析，主要是為實(shí)現(xiàn)對(duì)管道振動(dòng)頻率及應(yīng)力的有效控制。

2 工業(yè)管道應(yīng)力分析的主要目的

一般情況下，管道設(shè)計(jì)工程師在管道配管完成后，需要將臨界管系提給管道機(jī)械工程師對(duì)管道進(jìn)行柔性分析與應(yīng)力計(jì)算，對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析主要解決以下幾項(xiàng)問(wèn)題：1） 計(jì)算后需要保證管道各點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果控制在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)允許的安全數(shù)值內(nèi)；2） 保證與管道相連接的設(shè)備管口載荷符合制造商或者標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求；3） 使設(shè)計(jì)管道及其連接部分的安全性保持在規(guī)范允許的范圍內(nèi)；4） 計(jì)算管道在約束條件下的不同位置處的載荷；5） 分析不同工況條件下的管道位移從而保證管架選擇的合理性；6） 為了解決管道機(jī)械振動(dòng)、聲頻振動(dòng)、壓力脈動(dòng)等問(wèn)題；7） 使管道設(shè)計(jì)更加合理化。

3 工業(yè)管道應(yīng)力分析的應(yīng)用

3.1 管道熱應(yīng)力和柔性調(diào)整

管道柔性是管道通過(guò)自身變形吸收熱膨脹、冷縮和其他位移變形的能力。作為設(shè)計(jì)人員，應(yīng)在管道圖紙?jiān)O(shè)計(jì)初期，充分考慮工業(yè)管道柔性應(yīng)力，對(duì)影響工業(yè)管道質(zhì)量因素逐一歸納。對(duì)管道鋪設(shè)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，降低相關(guān)問(wèn)題發(fā)生幾率，杜絕管道斷裂、支撐松散等不良事故的發(fā)生。此外，設(shè)計(jì)管理人員還應(yīng)從成本因素環(huán)節(jié)，考慮如何縮短管道長(zhǎng)度，降低成本。在考慮管道柔性應(yīng)力的因素中，除考慮外界環(huán)境問(wèn)題對(duì)管道影響外，還可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)管道支撐端點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

3.2 管道振動(dòng)的緩解措施

在工業(yè)管道介質(zhì)的輸送過(guò)程中，往往會(huì)發(fā)生管道振動(dòng)的現(xiàn)象。若是管道長(zhǎng)期處于振動(dòng)狀態(tài)會(huì)造成管道疲勞發(fā)生破環(huán)，由此引發(fā)管道斷裂介質(zhì)泄漏的情況，有毒可燃的介質(zhì)可能會(huì)引發(fā)生產(chǎn)事故。消減管道振動(dòng)的措施：1） 管道材質(zhì)的選擇。為了減輕振動(dòng)，首先要選擇抗震性能較強(qiáng)、彈性較好的材料。2） 在管道系統(tǒng)適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置緩沖器或孔板，降低流體脈動(dòng)強(qiáng)度，可在一定程度上減弱管道振動(dòng)。3） 在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，管道彎頭處避免急轉(zhuǎn)彎。因此在管道安裝中盡量減少使用彎頭或者減小彎頭的角度。4） 在材料強(qiáng)度允許的條件下，選擇直徑較大、管壁較薄的管道。

3.3 支吊架的合理設(shè)置

管道應(yīng)力分析過(guò)程中正確的設(shè)置管道支吊架也是至關(guān)重要的。如果安裝位置不合理會(huì)使得管道在運(yùn)行中破壞管道的組成件，使生產(chǎn)無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于保證支架的合理設(shè)置應(yīng)符合以下幾點(diǎn)要求：1） 承重架需要控制一定間距保證管道撓度；2） 充分利用管道的自然補(bǔ)償滿足管道的柔性要求；3） 管道位移不允許超出管托的寬度；4） 不同場(chǎng)合選擇不同型式的支吊架。

3.4 采取冷緊施工方法

應(yīng)用冷緊方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管道在初期運(yùn)行過(guò)程中的對(duì)端點(diǎn)推力及力矩的有效降低。冷緊方式是促使管道內(nèi)的部分熱應(yīng)力集中于冷態(tài)處，進(jìn)而減小管道在熱態(tài)效應(yīng)下的熱脹力以及對(duì)端點(diǎn)推力及力矩，由此亦可避免法蘭連接位置因?yàn)閺澗剡^(guò)大而出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。而冷緊并不會(huì)導(dǎo)致熱脹應(yīng)力范圍發(fā)生變化。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在管道設(shè)計(jì)專業(yè)中管道應(yīng)力分析是最重要的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作內(nèi)容，因此很有必要對(duì)管道應(yīng)力展開(kāi)相關(guān)的分析工作。同時(shí)考慮到管道應(yīng)力分析過(guò)程的復(fù)雜性，以及所要分析的內(nèi)容數(shù)量眾多，基于這一現(xiàn)狀情況下要實(shí)現(xiàn)對(duì)管系受力狀況的有效改善，則應(yīng)采取加強(qiáng)管道柔性、采用冷緊施工方法、合理布設(shè)管道支吊架等方式。