化工設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力分析

董彥偉(山東華魯恒升集團(tuán)德化設(shè)計(jì)研究有限公司，山東 德州 253000)

0 引言

得益于當(dāng)前日益發(fā)達(dá)的科學(xué)技術(shù)，同時(shí)也為了給社會(huì)提供更加安全可靠的化工產(chǎn)品，化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭很強(qiáng)勁，我國(guó)的化工產(chǎn)業(yè)基本形成了一定的體系，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中工藝流程的控制更加嚴(yán)格精密，為未來(lái)化工企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展打下了較好的基礎(chǔ)。但目前對(duì)化工行業(yè)必須要用到的管道設(shè)計(jì)與分析的重視程度還不夠，化工產(chǎn)業(yè)管道設(shè)計(jì)中還存在諸多問(wèn)題，例如管道的應(yīng)力系統(tǒng)分析問(wèn)題，這對(duì)化工產(chǎn)業(yè)今后的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展有著十分重大的影響，因此對(duì)化工設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力的相關(guān)分析與改進(jìn)必須給與一定的重視，保障化工生產(chǎn)安全性的同時(shí)提升生產(chǎn)效率，為化工生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 管道應(yīng)力的相關(guān)概念

在當(dāng)前的生活以及工業(yè)生產(chǎn)中，管道系統(tǒng)是不可或缺的一環(huán)，對(duì)其的分析研究正在逐步深入，針對(duì)管道應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的變形問(wèn)題引入了應(yīng)力概念來(lái)進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)密的分析，以此來(lái)保障管道的正常運(yùn)行。在管道應(yīng)力分析中把應(yīng)力分成了一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。一次應(yīng)力的出現(xiàn)主要是由外界條件引起的，當(dāng)管道由于內(nèi)外受力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的外接負(fù)載引起的力就稱為一次應(yīng)力。值得注意的是一次應(yīng)力的大小與狀態(tài)并不是一成不變的，而是會(huì)隨著外界條件發(fā)生相應(yīng)改變，影響因素主要是外界的再和力量，當(dāng)一次應(yīng)力的大小大于管道材料的承受極限時(shí)管道就會(huì)發(fā)生塑性形變，最終會(huì)導(dǎo)致管道的破裂，影響管道系統(tǒng)的正常運(yùn)行。二次應(yīng)力是在一次應(yīng)力的前提下出現(xiàn)的應(yīng)力，當(dāng)管道在一次應(yīng)力的作用下發(fā)生形變時(shí)，由于管道塑形條件而產(chǎn)生的約束力就是二次應(yīng)力。二次應(yīng)力的出現(xiàn)主要受溫度以及受力點(diǎn)發(fā)生位移的影響。由于二次應(yīng)力是在一次應(yīng)力導(dǎo)致的管道形變基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，因此二次應(yīng)力的大小也就取決于管道產(chǎn)生形變的程度，并且無(wú)論外界負(fù)載如何都不會(huì)對(duì)二次應(yīng)力產(chǎn)生影響，即二次應(yīng)力的產(chǎn)生以及影響條件完全由管道內(nèi)部狀態(tài)決定。二次應(yīng)力對(duì)于管道的影響在于應(yīng)力值過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致管道產(chǎn)生疲勞，進(jìn)而縮短管道的使用壽命。在管道應(yīng)用中應(yīng)力是必須進(jìn)行研究的重要課題，掌握好應(yīng)力的信息能夠有效延長(zhǎng)管道的使用壽命，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

2 化工設(shè)計(jì)中對(duì)管道應(yīng)力的分析

隨著化工產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，工廠企業(yè)中生產(chǎn)規(guī)模與生產(chǎn)效率都有了較大的變化，相應(yīng)地對(duì)管道的要求也更高。由于科技以及化工生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)，化工生產(chǎn)流程中新型的設(shè)備也在逐步增多，進(jìn)一步增加了化工管道系統(tǒng)的負(fù)載，因此對(duì)化工管道應(yīng)力分析十分重要。隨著科技的發(fā)展以及對(duì)管道應(yīng)力的深入分析，對(duì)化工管道的應(yīng)力分析也有不同方法。

2.1 通過(guò)目測(cè)來(lái)檢測(cè)管道應(yīng)力

目測(cè)檢測(cè)是通過(guò)將兩組或兩組以上的各種條件接近的管道放在一起進(jìn)行分析的方法，對(duì)管道的特點(diǎn)要求一般是其柔性，對(duì)柔性接近的一條管道的應(yīng)力可以大致推測(cè)出其他管道的應(yīng)力情況，能夠大致推算出管道中受力的集中點(diǎn)。但這種方法畢竟沒(méi)有專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備，只屬于經(jīng)驗(yàn)之談，僅限于經(jīng)驗(yàn)比較豐富的設(shè)計(jì)人員使用，而管道在實(shí)際的應(yīng)用中除了柔性特點(diǎn)還會(huì)因?yàn)槠涔ぷ鞯钠渌蛩貙?dǎo)致應(yīng)力情況不同，因此這種檢測(cè)方法的誤差比較大，需要工作經(jīng)驗(yàn)較多的人員來(lái)進(jìn)行才能夠保障一定的準(zhǔn)確度，進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)工程師需要認(rèn)清自身，不能夠隨意采用這種分析方法[2]。

2.2 通過(guò)物理方法進(jìn)行應(yīng)力分析

在管道應(yīng)力分析領(lǐng)域有著一些專業(yè)的物理方法，通過(guò)繪制管道的圖紙進(jìn)行應(yīng)力分析，利用相關(guān)的物理手段進(jìn)行分析，如公式計(jì)算等。通過(guò)這樣的計(jì)算分析能夠較為初步地完成相應(yīng)的受力分析，在一定的程度上保障管道的柔性要求。這種分析方法雖然只是一種較為初步的應(yīng)力分析，但因?yàn)槠錅?zhǔn)確程度較高以及分析過(guò)程簡(jiǎn)便快捷而具有非常高的普及度和適用性，應(yīng)用非常廣泛。

2.3 借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行應(yīng)力分析

計(jì)算機(jī)技術(shù)以及智能軟件的快速發(fā)展使得之前許多比較復(fù)雜艱難的工作變得簡(jiǎn)單起來(lái)，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)也能夠應(yīng)用在管道應(yīng)力分析中。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)來(lái)編寫相應(yīng)的管道應(yīng)力分析軟件就可以作為輔助分析手段來(lái)完成對(duì)管道的應(yīng)力分析，同時(shí)還可以在計(jì)算機(jī)上通過(guò)模擬軟件對(duì)管道的實(shí)際工作條件進(jìn)行模擬，這樣的模擬分析可以在一定程度上減少在實(shí)際的管道工作中出現(xiàn)問(wèn)題的幾率，進(jìn)行模擬分析也有利于減少管道設(shè)計(jì)中的成本損耗。借助計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)力分析的方法屬于精確程度比較高的分析方法，一般應(yīng)用于管道容量較大同時(shí)精確度要求很高的管道設(shè)計(jì)中。

3 管道應(yīng)力分析的主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)應(yīng)力的類型分為靜力分析和動(dòng)力分析兩個(gè)主要方面，每一種分析又包含多種受力情況，它們又有著不同的作用來(lái)保障管道的正常運(yùn)行。通常有以下方面：(1)通過(guò)對(duì)壓力荷載和持續(xù)荷載作用下的一次應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，以此避免管道出現(xiàn)塑性變形破壞；(2)管道熱脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移等位移荷載作用下的二次應(yīng)力計(jì)算，防止管道因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間形變產(chǎn)生疲勞破壞；(3)分析管道對(duì)設(shè)備的作用力，防止作用力太大，以免出現(xiàn)影響設(shè)備正常運(yùn)行的情況；(4)分析管道支吊架的受力，為構(gòu)建合理的管道系統(tǒng)提供一定的依據(jù)，以便于在合適的地點(diǎn)架設(shè)支架；(5)分析管道上法蘭的受力情況，防止管道出現(xiàn)法蘭泄漏；(6)分析管道中因?yàn)槭芰Τ霈F(xiàn)的管系位移情況，防止管道碰撞和支吊點(diǎn)位移過(guò)大。

4 減少管道應(yīng)力影響的方法措施

為了有效延長(zhǎng)管道的使用壽命以及提升管道的安全性從而保障化工生產(chǎn)的效率，需要在設(shè)計(jì)時(shí)采取一定的方法來(lái)減少應(yīng)力的影響，改善管道的受力情況，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到管道工作環(huán)境以及所接的設(shè)備情況等因素。

4.1 選取合適的管道支吊架架設(shè)方案

支吊架主要用于電廠汽水管道或鍋爐設(shè)備、在運(yùn)行中產(chǎn)生熱位移，是管道系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。支架的架設(shè)要求需要首先對(duì)管道受力情況進(jìn)行全面詳盡的計(jì)算，其主要要求有彈簧支吊架以及熱位移要求。彈簧支吊架在出廠前進(jìn)行了整定，當(dāng)安裝到管道和設(shè)備上后，對(duì)有關(guān)螺紋調(diào)整，將鎖定銷脫開(kāi)，這時(shí)彈簧的實(shí)際承載就是設(shè)計(jì)所要求的冷態(tài)荷載。支吊架系統(tǒng)在管道系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的作用[3]，根據(jù)管道的工作情況以及應(yīng)力研究合理的支吊架能夠有效減少應(yīng)力對(duì)管道系統(tǒng)的負(fù)面影響，但與此同時(shí)不合理不科學(xué)的支吊架架設(shè)位置會(huì)使管道的應(yīng)力增加，影響到管道的正常運(yùn)行?？茖W(xué)的管道支吊架架設(shè)方案還能夠使管道中所受的二次應(yīng)力以及管道推力減小，進(jìn)一步為管道的運(yùn)行提供保障。

4.2 適當(dāng)增加管道的抗壓性能

構(gòu)成管道材料的強(qiáng)度過(guò)高就會(huì)導(dǎo)致管道的柔性變差，使得管道更加容易出現(xiàn)破裂等，化工管道設(shè)計(jì)中就需要適當(dāng)增加管道的柔度，使其擁有更加良好的柔韌性。為達(dá)到提升管道柔度的目的，可以采用改變管道走向、使用波紋管膨脹節(jié)來(lái)搭建管道系統(tǒng)等方法，當(dāng)管道系統(tǒng)中某一部分硬度過(guò)大時(shí)可以采用增加管道長(zhǎng)度的方法來(lái)減小管道中的壓力，達(dá)到增加管道柔度的目的。

5 管道架設(shè)時(shí)施工方法探究

當(dāng)前的管道架設(shè)施工主要分為循序漸進(jìn)的三個(gè)步驟，每一步的施工質(zhì)量都會(huì)直接關(guān)系到后續(xù)施工環(huán)節(jié)，從而影響到管道系統(tǒng)的整體質(zhì)量，因此對(duì)施工環(huán)節(jié)必須重視。

首先是鉆孔環(huán)節(jié)，這是進(jìn)行管道架設(shè)施工的第一步，主要采用的方法是陸地鉆孔法。在表層為卵漂石的地面進(jìn)行鉆孔施工時(shí)需要在地面以下一到兩米處使用小沖程鉆孔，同時(shí)要將泥漿比控制為一點(diǎn)四，這樣的鉆孔方法能夠保證鉆孔堅(jiān)實(shí)圓順，有利于后續(xù)施工的進(jìn)行。在地面兩米以下鉆進(jìn)時(shí)，可以采用正常鉆孔手段。在持續(xù)鉆進(jìn)的過(guò)程中需要時(shí)刻對(duì)鉆孔深度以及地下泥漿的比重進(jìn)行測(cè)量。其次是清孔步驟，就是對(duì)鉆孔進(jìn)行一定程度清理，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)并且其他指標(biāo)也完全合格后應(yīng)當(dāng)立即進(jìn)行鉆孔的清理工作。清孔的目的主要有兩個(gè)：一是將鉆孔底部一些雜質(zhì)清理出來(lái)；二是嚴(yán)格控制鉆孔內(nèi)物質(zhì)的比例，使得鉆孔底部的沉渣比例以及泥漿比例達(dá)到設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)。在此過(guò)程中需要不斷向鉆孔內(nèi)注入清水，并保證孔內(nèi)的水位保持在一個(gè)合適工作的數(shù)值，并通過(guò)提渣桶將孔內(nèi)的沉渣取出。最后是安裝管道時(shí)采用的水下混凝土澆鑄技術(shù)，這是最為關(guān)鍵的一步，灌注步驟為“復(fù)測(cè)孔深-放置鋼筋籠-搭設(shè)水下平臺(tái)-防止水封導(dǎo)管-灌注第一斗水封混凝土-邊灌注邊拆除直至灌注完畢”[4]。在灌注過(guò)程中拆除導(dǎo)管時(shí)對(duì)導(dǎo)管底部在混凝土中的深度也有一定的要求，一般為二到六米之間，并且灌注過(guò)程不能停止，必須一氣呵成，直到灌注完成之前都不能將導(dǎo)管提出混凝土。

6 結(jié)語(yǔ)

化工設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力分析對(duì)管道的運(yùn)行以及使用壽命有著直接的作用，同時(shí)也是化工行業(yè)的命脈所在，關(guān)系到化工生產(chǎn)的各個(gè)方面，因此對(duì)于管道應(yīng)力的研究探討絕對(duì)不能停止。當(dāng)前在化工設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力分析已經(jīng)有了一定的成果，能夠初步解決一些管道應(yīng)力導(dǎo)致的問(wèn)題，但是這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只有將這一研究深入持續(xù)地進(jìn)行下去才能夠保障化工行業(yè)的生產(chǎn)效率以及安全性不斷提高，助力化工行業(yè)持續(xù)長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。