關(guān)于壓力管道應(yīng)力分析的內(nèi)容研究

劉鵬福

摘要：壓力管道廣泛的應(yīng)用在石油化工.天然氣等行業(yè)的物質(zhì)運(yùn)輸過程中，并且發(fā)揮著十分重要的作用，能夠保證原料與產(chǎn)品的正常運(yùn)輸。在壓力管道運(yùn)行時(shí)，其應(yīng)力情況會(huì)受到多方面因素的影響，包括管道系統(tǒng)的內(nèi)部因素與來自外界環(huán)境的因素，想要對(duì)壓力管道應(yīng)力情況進(jìn)行分析，必須準(zhǔn)確掌握壓力管道的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，才能獲得更加準(zhǔn)確的分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞：壓力管道;應(yīng)力分析;內(nèi)容及特點(diǎn)

1壓力管道應(yīng)力分析的重要性

在石油化工，天然氣等行業(yè)中，壓力管道發(fā)揮著十分重要的作用，在應(yīng)用壓力管道進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸?shù)倪^程中，為了保證其運(yùn)行的安全性與可靠性，必須對(duì)管道應(yīng)力情況進(jìn)行全面的分析。壓力管道應(yīng)力是指單位面積的管道構(gòu)件上承受的內(nèi)力，其在外力載荷的作用下產(chǎn)生更大的值，如果應(yīng)力的大小超過了管道材料能夠承受的范圍，就會(huì)造成管道出現(xiàn)失穩(wěn)變形破裂等事故。

2壓力管道應(yīng)力分析的內(nèi)容

壓力管道應(yīng)力分析內(nèi)容包括管道應(yīng)力分析工作的任務(wù)和工作過程、管道應(yīng)力分析基礎(chǔ)知識(shí)、壓力作用下管道組成件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，管道允許跨距的計(jì)算、管道應(yīng)力分析的安全評(píng)定方法、管道的柔性設(shè)計(jì)、管道應(yīng)力分析中的特殊問題（夾套管和埋地管的分析、安全閥排氣反作用力的計(jì)算、水錘荷載的計(jì)算高壓管逍的應(yīng)力分析）、管道支吊架的設(shè)計(jì)選用原則、往復(fù)壓縮機(jī)管道的防振設(shè)計(jì)、各種管道振動(dòng)問題.有限元法在管道應(yīng)力分析中的應(yīng)用、管道應(yīng)力分析程序介紹。

2.1管道應(yīng)力分類

壓力管道應(yīng)力分類的依據(jù)是應(yīng)力管道強(qiáng)度破壞所起的作用，其作用大小取決于應(yīng)力產(chǎn)生的原因和應(yīng)力的作用區(qū)域及分布形狀，通常將壓力管道中的應(yīng)力分為：一次應(yīng)力二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力。

（1）一次應(yīng)力

一次應(yīng)力是指平衡外加機(jī)械載荷所必須的應(yīng)力，它必須滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的精力平衡關(guān)系，隨外載荷的增加而增加，且不會(huì)因達(dá)到材料的屈服點(diǎn)而自行限制，因此具有非自限性的特征，另外，當(dāng)一次應(yīng)力超過屈服點(diǎn)時(shí)將引起管道總體范圍內(nèi)的顯著變形或破壞。所以應(yīng)該嚴(yán)格控制一次應(yīng)力，以防止過度的塑性變形導(dǎo)致管道的失效或破壞。一次應(yīng)力還可以分為三種：一次總體薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力"。一次總體薄膜應(yīng)力是指沿厚度方向均勻分布的應(yīng)力，等于沿厚度方向的應(yīng)力平均值。其達(dá)到材料的屈服點(diǎn)就意味著管道在整體范圍內(nèi)發(fā)生屈服，應(yīng)力不重新分布，而是直接導(dǎo)致破壞。一次彎曲應(yīng)力是指沿厚度線性分布的應(yīng)力。它在內(nèi)、外表面上大小相等、方向相反。這種應(yīng)力在達(dá)到屈服極限時(shí)，只是表面屈服，如果繼續(xù)增加載荷，則屈服加深，直至最后破壞，因此其破壞時(shí)的應(yīng)力大于一次總體薄膜應(yīng)力一次局部薄膜應(yīng)力是在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)由內(nèi)壓或其他機(jī)械載荷產(chǎn)的薄膜應(yīng)力和結(jié)構(gòu)不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力，通常其應(yīng)力水平大于一次總體薄膜應(yīng)力。

（2）二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是指由于熱脹，冷縮和其他相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的應(yīng)力。二次應(yīng)力不是由外載荷直接產(chǎn)生的，因此當(dāng)荷載超過材料的屈服極限時(shí)，管道局部的屈服或少量塑性變形使下降的應(yīng)力重新分配，使材料的應(yīng)變達(dá)到自均衡，所以二次應(yīng)力的作用不是為平衡外載荷，而是結(jié)構(gòu)在受載時(shí)變形協(xié)調(diào)而使應(yīng)力得到緩解。由于二次應(yīng)力自限性的特點(diǎn)使它比一次應(yīng)力更危險(xiǎn)，受到更嚴(yán)格的限制。

（2）峰值應(yīng)力

峰值應(yīng)力是由于載荷、結(jié)構(gòu)形狀突變而引起的局部應(yīng)力集中的最高應(yīng)力值，其特點(diǎn)是不引起顯著變形，而且在短距離內(nèi)從它的根源衰減，是一種引起疲勞破壞或脆性斷裂的可能根源。

1.2管道應(yīng)力分析的任務(wù)

管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動(dòng)力分析：

（1）管道靜力分析的任務(wù)管道靜力分析的目的是保證管道柔軟性，吸收因熱脹冷縮及端點(diǎn)位移產(chǎn)生的變形，使管道各個(gè)節(jié)點(diǎn)一次、二次應(yīng)力小于其許用應(yīng)力，靜力分析的主要內(nèi)容是：第一.為了給彈簧支架的選用提供依據(jù)，防止管道碰撞和支吊架位移過大，計(jì)算管系位移;第二.為保證因?qū)υO(shè)備作用力過大而引起的設(shè)備或機(jī)器的安全，計(jì)算管道對(duì)與其相連的設(shè)備或機(jī)器的作用力;第三為保證管道因?yàn)樗苄宰冃味鸬淖陨戆踩?，?jì)算壓力載荷和持續(xù)載荷作用下的一次應(yīng)力;第四。為了給支吊架的設(shè)計(jì)提供依據(jù)保證支吊架和土建結(jié)構(gòu)的安全，計(jì)算管道支吊架的受力;第五.為滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范需求防止因金屬產(chǎn)生疲勞而引起的破壞，計(jì)算管道因熱脹冷縮、端點(diǎn)附加位移等位移載荷作用下的二次應(yīng)力;第六.為防止法蘭泄漏，計(jì)算管道上法蘭的受力。

（2）管道動(dòng)力分析的任務(wù)

管道的動(dòng)力分析的目的是保證管道管系具備--定的剛度，避免在干擾力的作用下發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，動(dòng)力分析的主要內(nèi)容是：第一.分析地震時(shí)對(duì)管道產(chǎn)生的應(yīng)力，防止管道在地震中發(fā)生破壞;第二，分析往復(fù)壓縮機(jī)和往復(fù)泵管道的固有頻率和振型，防止管道系統(tǒng)發(fā)生共振;第三.分析往復(fù)壓縮機(jī)管道的強(qiáng)迫振動(dòng)，控制管道的振動(dòng)應(yīng)力，防止管道因振動(dòng)發(fā)生疲勞破壞;第四.分析往復(fù)壓縮機(jī)管道氣體產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，計(jì)算管內(nèi)氣體的氣柱固有頻率和壓力脈動(dòng)，避免氣柱共振和壓力脈動(dòng)過大，從而防止管道的振動(dòng)過大。

（3）壓力管道的柔性

管道柔性是反映管道變形難易程度的一個(gè)物理概念，其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件是溫度、介質(zhì)、壁厚，管徑.材質(zhì).端點(diǎn)位移等，設(shè)計(jì)的目的是保證管道在設(shè)計(jì)條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、端點(diǎn)附加位移.管道支撐設(shè)置不當(dāng)?shù)仍颍斐晒艿缿?yīng)力過大引起的金屬疲勞或因管道推力過大造成支架破壞、管道連接出產(chǎn)生泄漏管道推力或力矩過大，使與其相連接的設(shè)備產(chǎn)生過大的應(yīng)力或變形，影響設(shè)備正常運(yùn)行的問題。管道的柔性越大，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力就越小，也就是說，管道的柔性越大，，變形就越小。因此，為減少因熱脹冷縮或位移產(chǎn)生的變形，增大管道柔性的措施有：第一.改變管道走向以增加管道柔性;第二。增加管系的長(zhǎng)度可以增加管道的柔性，增加與其垂直的管道的長(zhǎng)度可以減少管系的剛性;第三選用彈簧支吊架，在吊架處存在的垂直位移，可以將約束放松，增加管道的柔性。

3結(jié)束語

由于我國(guó)正處于發(fā)展中國(guó)家的行列之中，工業(yè)化的建設(shè)正在如火如茶的展開，各類工業(yè)建設(shè)中都會(huì)涉及到壓力管道的使用。尤其是化工類的流程工業(yè)工程中，由于需要大量管道輸送介質(zhì)物料，形成完整的生產(chǎn)系統(tǒng)。

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（作者單位：江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院? 江蘇徐州）