壓力管道應(yīng)力分析的內(nèi)容及特點研究

陳立暉

(福建省工業(yè)設(shè)備安裝有限公司，福建 福州 350001)

1 壓力管道應(yīng)力分析的重要性

壓力管道應(yīng)力指在指定的面積之內(nèi)壓力管道構(gòu)件所承受的壓力。在外部力量的驅(qū)使下，反而會產(chǎn)生更多更大的應(yīng)力，假設(shè)壓力管道的應(yīng)力已經(jīng)超出了管道材料的承受范圍之外，那么就會出現(xiàn)變形、破裂等多種故障。眾所周知，壓力管道應(yīng)力有著很大的作用，特別是在建筑物當(dāng)中，若壓力管道出現(xiàn)了任何的破裂、失衡等現(xiàn)象，并得不到及時改善，隨著時間的推移，就會導(dǎo)致建筑物也遭到損壞，影響到人們的日常生活進行。壓力管道應(yīng)力分析過程當(dāng)中，技術(shù)人員應(yīng)該盡量考慮周全。有幾種管道是平時最容易常用到的：①連接儲罐設(shè)備的管道，長度一般都在300 mm以上，而極限溫度在100 ℃以上；②離心壓縮機和往復(fù)式壓縮機的管道。另外，還有泵進出管道、蒸汽透平管道、加熱爐管道、反應(yīng)器管道、再沸器管道、兩相流管道、脈動流管道等，公稱的直徑≥100 mm，極限溫度在-50 ℃左右。

2 壓力管道應(yīng)力的分類

2.1 一次應(yīng)力分析

因為壓力管道常常會遭到外部負(fù)載或重力的影響，這樣的外部壓力可能是來自于重力的，也可能是由風(fēng)力導(dǎo)致的，有時甚至是外界的撞擊導(dǎo)致的，在各種各樣的壓力及負(fù)載影響之下，就會產(chǎn)生一次壓力管道應(yīng)力。而一般，所產(chǎn)生的一次壓力管道應(yīng)力應(yīng)該是和外部壓力條件是一致的，當(dāng)外部的壓力在逐漸增加的時候，一次應(yīng)力就會沒有自限性，可以將這些一次壓力管道應(yīng)力分成整體結(jié)構(gòu)影響應(yīng)力、局部影響應(yīng)力和機械荷載下的界面厚度線性應(yīng)力三種。通常情況下，在一次壓力管道應(yīng)力的背景下，當(dāng)增加的應(yīng)力已經(jīng)超出了壓力管道的塑性值時，壓力管道就會直接破裂，失去穩(wěn)定性和可靠性，所以，壓力管道的一次應(yīng)力必須進行認(rèn)真、嚴(yán)格的控制。同時，技術(shù)人員在設(shè)計的時候，應(yīng)該預(yù)留一定的回轉(zhuǎn)余地，即裕度，從而有效地預(yù)防壓力管道塑性變形、破損。并且，把彈性分析和極限分析當(dāng)成是前提，在正式使用之前，對壓力管道的最大應(yīng)力承受值進行測試，知曉最大極限，才能夠在后期的應(yīng)用中更好地控制與管理。

2.2 二次應(yīng)力分析

當(dāng)壓力管道處于熱脹冷縮的條件之下，就會產(chǎn)生一定的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，其主要的特點也就是壓力管道一次應(yīng)力的自限性特點，當(dāng)壓力管道具備這兩種應(yīng)力之后，就沒有辦法和外界保持平衡、穩(wěn)定。這個時候，如果荷載超出了壓力管道的最大極限，管道依舊會變形、破裂，壓力管道應(yīng)力就會呈分布狀散開，讓壓力管道可以達(dá)到自我平衡的狀態(tài)。

2.3 峰值應(yīng)力分析

在壓力管道的所有應(yīng)力當(dāng)中，峰值應(yīng)力并不是最大的應(yīng)力全值，因為壓力管道的構(gòu)建當(dāng)中，局部構(gòu)建并不緊湊，就會造成壓力管道一次應(yīng)力或者二次應(yīng)力的增加，但其并不會和一次、二次應(yīng)力一樣導(dǎo)致變形或破裂，峰值應(yīng)力對于管壓力管道沒有任何根本性的損害，只會導(dǎo)致壓力管道脆性衰弱或管道疲勞等現(xiàn)象。而導(dǎo)致峰值應(yīng)力出現(xiàn)的原因也有很多，比如，壓力、荷載、管徑、溫度等，在實際的操作過程當(dāng)中，因為所受到的影響因素比較多，技術(shù)人員必須對壓力管道的峰值壓力進行詳細(xì)的核對與校正，并對壓力管道的循環(huán)荷載進行疲勞分析，為將來的使用奠定良好的基礎(chǔ)。

3 壓力管道壓力分析的主要內(nèi)容

3.1 壓力管道應(yīng)力分析的前提

壓力管道應(yīng)力在分析之前，技術(shù)人員必須遵循其主要前提內(nèi)容，首先，是對溫度的計算，整個分析過程應(yīng)該在20 ℃左右的溫度環(huán)境下進行，在正常運行下可能產(chǎn)生的任何突發(fā)事件都應(yīng)該考慮周全，比如，吹掃、開工、停車、除焦等，并未雨綢繆，做好預(yù)防措施。其次，是對壓力的計算，壓力管道壓力分析和壓力有著較為密切的關(guān)系，因此，整個應(yīng)力分析過程也應(yīng)該在內(nèi)部和外部的壓力條件下進行考慮，對壓力和溫度相耦合時候的最大壓力值加以計算。在建筑工程中，其特征不可能是一模一樣的，壓力管道的結(jié)構(gòu)本身又比較復(fù)雜，這就使得會受到很多原因的限制，就算是風(fēng)力、地質(zhì)條件等因素都可能成為影響因素，因此，也可以認(rèn)為，壓力管道應(yīng)力分析的關(guān)鍵也是荷載。荷載主要有：①壓力荷載，在壓力管道的壁面上，壓力管道需要承擔(dān)很多不一樣的介質(zhì)內(nèi)部壓力，而在各種各樣不一致的內(nèi)部壓力下再進行荷載計算；②持續(xù)荷載。持續(xù)荷載是因為自重荷載和偏心荷載組合而成的，前者自重荷載是在重力加速的情況下形成的，而后者偏心荷載則是在支架、吊架的反作用力下所形成的；③熱漲荷載，該荷載屬于非垮塌性荷載的一種表現(xiàn)形式，當(dāng)壓力管道的內(nèi)部和外部溫度不一樣時，就會產(chǎn)生溫度差，而正是因為這種溫度差導(dǎo)致熱脹冷縮的效果，因而產(chǎn)生了熱漲荷載；④位移荷載，在壓力管道移動的時候，因為壓力管道在安裝的過程當(dāng)中，會導(dǎo)致溫度的產(chǎn)生，而從冷變熱的溫度變化過程，就會產(chǎn)生一定的約束性，因而就慢慢形成了附加荷載，即位移荷載；⑤偶然荷載，在外部突發(fā)的沖擊下會導(dǎo)致荷載的出現(xiàn)，對于壓力管道所產(chǎn)生一定的影響，其有著一定的偶然性和不確定性特征，但是這樣的影響并不是長期存在的，只是暫時的，所以不會對壓力管道造成太大的傷害。

3.2 壓力管道應(yīng)力分析的內(nèi)容

壓力管道應(yīng)力分析主要包括了靜力、動力等分析內(nèi)容。

1)對于靜力的分析，技術(shù)人員需要考慮周全，將壓力管道在壓力荷載和持續(xù)荷載下的一次應(yīng)力計算出來，這樣做主要是為了預(yù)防壓力管道的變形。在計算好壓力荷載和持續(xù)荷載之后，還需要計算出熱漲荷載、位移荷載運作下的二次應(yīng)力，而這樣做則是為了預(yù)防壓力管道的過度損壞。在壓力管道和相連接的所有設(shè)備的作用力也需要加以測試，從而有效地保障設(shè)備連接的穩(wěn)定性和安全性。當(dāng)壓力管道的法蘭受力存在問題的時候，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)及時地采取措施預(yù)防法蘭的泄漏。當(dāng)壓力管道處于位移或者是外部撞擊的情況下才能夠?qū)o力進行計算。此外，還需測量靜力分析管理對于支架、吊架的作用力，從而來全方位保證作業(yè)的安全性。

2)對壓力管道應(yīng)力動力的分析。首先，要分析壓力管道在地震的情況下所產(chǎn)生的動力是多少，這樣做主要是為了給將來的實際應(yīng)用奠定安全基礎(chǔ)，當(dāng)技術(shù)人員將地震時候壓力管道的最大動力承受力計算出來之后，就可以制定出相對應(yīng)的預(yù)防措施，在實際的運行過程中，如果突發(fā)真正的地震狀況，也可以及時進行處理。其次，分析壓縮機和泵管道的固定頻率以及振型，以防壓力管道在該情況下產(chǎn)生共振。第三，技術(shù)人員同時還要對壓縮機管道的振動應(yīng)力進行分析，將其具體振動數(shù)值分析出來，從而預(yù)防在振動情況下疲勞破壞。第四，分析出管道氣體所產(chǎn)生的壓力脈動，特別是氣柱的固定頻率和壓力脈動數(shù)值，而這樣做則是為了預(yù)防在壓力超出極限的情況下產(chǎn)生太大的振動，而導(dǎo)致壓力管道松動等故障的出現(xiàn)。最后，技術(shù)人員需分析支架的荷載狀況，以此來給結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要依據(jù)。

3.3 壓力管道靜力分析與動力分析之間的聯(lián)系

在壓力管道應(yīng)力的具體分析上，靜力分析的主要內(nèi)容就是對壓力管道的柔性進行設(shè)計，而在一個特殊且特定的環(huán)境之下，壓力管道就可以將熱脹情況以及位移情況下所產(chǎn)生的變形及破裂情況進行克服或者逐漸適應(yīng)，并使壓力管道的應(yīng)力可以限制在一個固定的范圍之內(nèi)。但是，即便這樣，技術(shù)人員在發(fā)現(xiàn)這一問題存在的時候，仍然需要及時采取措施進行補救，以免造成更多、更大的故障。而動力分析的主要內(nèi)容就是對壓力管道進行防振設(shè)計，盡可能地減少壓力管道的振動，當(dāng)振動幅度比較小的時候，可能有時是正?，F(xiàn)象，但當(dāng)頻率和幅度都超出了一定限制值時，技術(shù)人員就應(yīng)該引起注意，采取一些舉措，盡量減少或徹底杜絕壓力管道的振動。

4 壓力管道應(yīng)力分析的特點

壓力管道應(yīng)力分析對于壓力管道的薄膜應(yīng)力、局部彎曲應(yīng)力等并沒有進行細(xì)分考慮，并且，在對壓力管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力進行計算分析的時候，雖然都進行了詳細(xì)分析，但這兩次應(yīng)力分析的目的和內(nèi)容都是不一樣的。對于一次應(yīng)力分析來說，只是提升了壓力管道的可承受壓力，而在二次應(yīng)力的分析上，主要是圍繞防振問題進行的，因此，壓力管道應(yīng)力分析存在一定的差異性。不僅如此，在壓力管道二次應(yīng)力的校驗上，其也是壓力管道二次應(yīng)力分析的關(guān)鍵，其重點在于驗證壓力管道的安全性和運行可靠性，從而最大程度上減少壓力管道的疲勞性，因而也存在一定的針對性。在壓力管道一次應(yīng)力的分析上，其校正和剪應(yīng)力理論并不相同，在計算的時候，沒有對壓力管道的縱向應(yīng)力進行任何的分析與計算。和設(shè)備相連接的管道會受到一定的影響，而這種影響一般都是來自壓力管道本身的，因為壓力管道本身就有著一定的柔軟性，其負(fù)載的設(shè)計必須要在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范疇之內(nèi)，只有這樣，才能夠保證壓力管道運行的安全性與穩(wěn)固性。如果負(fù)載設(shè)計違反了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，就會造成很多不必要的故障產(chǎn)生，給壓力管道運作過程帶來麻煩。對于那種轉(zhuǎn)動設(shè)備關(guān)口的荷載來說，技術(shù)人員需要將其控制在專業(yè)規(guī)定范疇之內(nèi)。針對其他必要性的荷載，也需要參照對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因為只有這樣，才能夠從根本上有效地保障壓力管道的順利且安全穩(wěn)定運作。在壓力管道機械壓力振動與脈動控制這一塊，技術(shù)人員可以從以下兩方面來進行控制：一方面，在連接壓縮機與脈動控制上可以參考對應(yīng)的規(guī)范；另一方面，在泵管道壓力管道和脈動控制上，則可以參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從而考慮周全，在全方位上力保壓力管道應(yīng)力是在可承受范疇內(nèi)的。

5 結(jié)束語

在社會進步與經(jīng)濟發(fā)展的當(dāng)代社會，壓力管道在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，假如壓力管道存在應(yīng)力故障，就會導(dǎo)致很多不必要麻煩的出現(xiàn)，因此，壓力管道應(yīng)力分析尤為重要。在實際的壓力管道應(yīng)力分析過程當(dāng)中，壓力管道應(yīng)力主要可以分成一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力等三種。本文主要分析了壓力管道應(yīng)力分析的前提、壓力管道應(yīng)力內(nèi)容分析(靜力分析、動力分析)、壓力管道靜力分析與動力分析之間存在的聯(lián)系，以期為我國相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供參考。