管道設(shè)計中的應(yīng)力分析與優(yōu)化策略

張致遠，于 浩，紀新強，錢明軒

（1.上海齊耀熱能工程有限公司，上海 201108；2.中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201108）

隨著我國國民經(jīng)濟發(fā)展，化工裝置規(guī)模越來越大，工藝流程越來越復(fù)雜，對安全生產(chǎn)的重視程度也越來越高。管道應(yīng)力分析一般針對高溫高壓，介質(zhì)易燃易爆易腐蝕管線，此類管道如果發(fā)生泄漏或者破壞，將造成不可挽回的財產(chǎn)損失，同時污染環(huán)境。管道應(yīng)力分析作為一種力學(xué)分析，是通過計算得到物體內(nèi)的應(yīng)力分布和數(shù)值。其中既包括管道內(nèi)壓、自重以及其他外在作用下的一次應(yīng)力，也包括在熱膨脹、冷縮以及位移約束時所產(chǎn)生的二次應(yīng)力。需要根據(jù)管道輸送介質(zhì)類型、管道工作的溫度壓力環(huán)境以及所連接的設(shè)備類型等指標(biāo)綜合選取合理的方法進行分析，如目測法、圖表法、公式法以及計算機分析法等。通過科學(xué)有效的管道應(yīng)力分析，不僅能夠?qū)艿浪嬖诘陌踩[患進行識別，保證管道應(yīng)力在規(guī)范的許用范圍內(nèi)從而維持管道系統(tǒng)的整體安全，又能夠解決管道機械振動、脈動、安全閥排放等振動問題，進而為管道的優(yōu)化提供設(shè)計依據(jù)。

1 管道設(shè)計中的應(yīng)力分析

1.1 管道應(yīng)力分析校驗

管道設(shè)計中既要保證管道有足夠的剛度又要有一定的柔性，因為管道在工作過程中由于環(huán)境以及與運行工況的不同會受到不同的作用力，一旦某種作用力超出管道本身所承載的范圍便會導(dǎo)致管道出現(xiàn)一定程度的破壞或者位移。按照壓力的表現(xiàn)形式，管道應(yīng)力包含一次應(yīng)力、二次應(yīng)力以及峰值應(yīng)力3個部分，其中一次應(yīng)力是指由重力、壓力或其他外力載荷作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力，一次應(yīng)力具備非自限性，也就是其并不能夠?qū)崿F(xiàn)自我限制[1]。該種應(yīng)力會隨著外部荷載數(shù)值的增加而增加，一旦應(yīng)力數(shù)值達到某一承載范圍的臨界值管道便會發(fā)生塑性變形或者損壞。研究表明，一次應(yīng)力中縱向應(yīng)力為重力、壓力和其他外力產(chǎn)生的持續(xù)荷載總和，該縱向應(yīng)力應(yīng)小于材料在操作工況最高溫度下的許用應(yīng)力，應(yīng)力校核條件如下。

式中：SL為管道自身以及其組件的縱向應(yīng)力；Sh為操作工況下最高溫度管道材料基本許用應(yīng)力。

而二次應(yīng)力指由于熱脹冷縮或者端點位移等位移載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，該種應(yīng)力受環(huán)境影響較大，其本身具備一定的自限性，也就是其可以通過自身張力的衡量與外力產(chǎn)生平衡，即便是發(fā)生塑性變形也會一段時間后恢復(fù)。應(yīng)力校核條件如下。

SE≤SA；此時：SA=f[1.25Sc+0.25Sh]

倘若SL小于Sh，則管道材料本身的基本許用應(yīng)力最高溫度和最低溫度的差值可以加在0.25Sh上，則有：

SE≤SA；此時：SA=f[1.25(Sc+Sh)-SL]

式中：SE為管道熱脹冷縮位移范圍；SA為管道材料本身的許用位移應(yīng)力范圍；Sc為操作工況下最低溫度管道材料基本許用應(yīng)力。

峰值壓力作為一次應(yīng)力以及二次應(yīng)力的附加應(yīng)力，受管道部件松動以及熱力效應(yīng)影響較為明顯，峰值應(yīng)力所產(chǎn)生的塑性變形并不明顯，但會導(dǎo)致根源性衰減的出現(xiàn)，甚至在不斷地累積下實現(xiàn)量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)變。

因此在進行管道應(yīng)力分析時首先要完成的是一個標(biāo)準值的確認，進而以此為基礎(chǔ)進行預(yù)期標(biāo)準模型的建立。管道設(shè)計應(yīng)力分析過程中通常需要在計算機軟件的輔助下完成，常見的管道應(yīng)力分析軟件包含CAESAR Ⅱ、PipePak、PV Elite 以及AutoPIPE 等，以CAESAR Ⅱ為例，該軟件作為一款功能強大的管道應(yīng)力分析軟件，采用有限元分析法將形狀復(fù)雜的連續(xù)體劃分為有限個單元，對這些單元進行深入研究，得到規(guī)律后再將這些單元集合起來，從而能夠完成復(fù)雜管道系統(tǒng)動態(tài)分析。且該軟件具備靈活的建模功能，可以為多種管道系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)提供基礎(chǔ)。在完成模型建立后，通過軟件計算得到應(yīng)力校核結(jié)果，分析各點處載荷以及位移情況，可以對現(xiàn)有管道設(shè)計進行檢驗以及優(yōu)化，如圖1所示。

圖1 山東某火炬項目CAESAR Ⅱ 管道模型

1.2 管道設(shè)計中的應(yīng)力分析內(nèi)容

管道所承受的外加載荷包含動態(tài)載荷以及靜態(tài)載荷，不同的載荷對管道應(yīng)力影響不同，即便是相同的動態(tài)載荷和靜態(tài)載荷也會產(chǎn)生不同的應(yīng)力對抗。靜態(tài)載荷是一種累計，是載荷的緩慢增加，這樣的過程能夠給予管道系統(tǒng)本身足夠的時間進行響應(yīng)，響應(yīng)過程中的管道系統(tǒng)處于一種平衡狀態(tài)，且該種狀態(tài)下的管道系統(tǒng)不會發(fā)生運動，所有的力以及力矩也會被平衡力消除[2]；而動態(tài)載荷恰好相反，其在累積的過程中會迅速地產(chǎn)生變化，對于管道系統(tǒng)本身并沒有足夠的時間去進行內(nèi)部載荷的分配，也就難以保證管道系統(tǒng)的平衡，所以此時的管道系統(tǒng)會發(fā)生運動，而此時的力以及力矩?zé)o法被消除。因此管道設(shè)計中的應(yīng)力分析包含靜態(tài)和動態(tài)兩方面的內(nèi)容，分析內(nèi)容以及目的如表1所示。

表1 管道應(yīng)力分析內(nèi)容以及目的

常見的需要軟件分析的管道系統(tǒng)包括各類火炬氣管道（管徑大，壁厚薄，溫度高），蒸汽管道（管徑大，溫度高）。此類型管道承受靜力載荷，往往通過靜力分析對管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力進行校核，同時得到設(shè)備管口受力條件，反饋設(shè)備專業(yè)進行管口校核；有時還會對轉(zhuǎn)動設(shè)備進行振動分析，通過計算使管道振動得到有效控制。

2 管道設(shè)計優(yōu)化策略

2.1 合理安排管道走向

管道設(shè)計中應(yīng)充分考慮最大限度地減少二次應(yīng)力的產(chǎn)生，同時也要結(jié)合整個設(shè)備、機泵以及其他組件的受力情況進行綜合分析，實現(xiàn)其剛度、強度以及振動等問題的解決，進而為科學(xué)規(guī)劃布置以及安裝提供依據(jù)。對于管道走向，若未能結(jié)合實際需求進行合理設(shè)置，很可能會產(chǎn)生相關(guān)的應(yīng)力問題。其中表現(xiàn)最為突出的就是轉(zhuǎn)動設(shè)備，因為轉(zhuǎn)動設(shè)備管道在使用的過程中一旦管道系統(tǒng)的頻率同振源的頻率相同則會導(dǎo)致共振現(xiàn)象的發(fā)生。這樣一來無論是管道設(shè)備本身，還是與其相連的建筑系統(tǒng)，均會發(fā)生一定程度的損壞。因此，想要實現(xiàn)管道設(shè)計的優(yōu)化，要綜合對管道的尺寸以及位置分配進行考量，同時結(jié)合生產(chǎn)實際中多方因素限制完成走向的優(yōu)化。優(yōu)化過程中可以通過計算機軟件的輔助，結(jié)合應(yīng)力計算結(jié)果進行走向優(yōu)化完成超標(biāo)應(yīng)力的調(diào)整，以保證調(diào)整后的管道系統(tǒng)所承受的二次應(yīng)力的大小在整個管道系統(tǒng)規(guī)范應(yīng)力的范圍內(nèi)[3]。設(shè)計中考慮到實際生產(chǎn)、制造、安裝等過程中存在誤差，一般以管線二次應(yīng)力低于許用應(yīng)力的70%作為判斷二次應(yīng)力合規(guī)的標(biāo)準。

2.2 科學(xué)分配管口載荷

管口是設(shè)備與管道之間的連接部位，整個管道系統(tǒng)在運行狀態(tài)下會產(chǎn)生彎曲振動以及徑向振動。其中的彎曲振動既包括管道本身的彎曲應(yīng)力，又包括管道系統(tǒng)內(nèi)部的流體脈動。而徑向振動的主要影響因素為管道系統(tǒng)內(nèi)部的流體壓力以及管道系統(tǒng)運輸過程中所產(chǎn)生的周期性變化。因此管道彎曲率較大時，管道系統(tǒng)與設(shè)備連接管口處振動較為明顯。一旦管口流通面積發(fā)生變化或者流動走向發(fā)生變化，整個管道所承受的振動也會發(fā)生變化。尤其隨著管道內(nèi)運輸流體轉(zhuǎn)向的影響必然會有強大的激勵產(chǎn)生，這在管道系統(tǒng)突然啟動停機或者管道系統(tǒng)方向發(fā)生轉(zhuǎn)變時異常明顯，該過程會在短時間內(nèi)形成峰值壓力。盡管峰值壓力在短時間內(nèi)不會產(chǎn)生塑性變形，但其作為一次應(yīng)力以及二次應(yīng)力的附加應(yīng)力，會在不斷積累下產(chǎn)生不可逆的影響。因此，在進行管道設(shè)計優(yōu)化的過程中需綜合對管口以及轉(zhuǎn)彎處的載荷開展優(yōu)化。優(yōu)化過程中可以通過固定支架或者卡箍等設(shè)備的輔助設(shè)置通過應(yīng)力的抑制來保證滿足整體需求。例如在火炬項目中通常在火炬氣分液罐入口前管道上最靠近入口的支撐點處設(shè)置軸向止推支架，可以有效地減少分液罐入口管口載荷，在保護設(shè)備的同時優(yōu)化設(shè)備設(shè)計。

2.3 實現(xiàn)管道柔性設(shè)計

管道柔性作為一個物理概念表達的是管道在自身變形過程中的吸收熱脹、冷縮以及其他位移變形的能力，因此，通過合理的柔性設(shè)計，能夠保證管道具備一定的柔性，有效防止各種變形的產(chǎn)生。這樣一來管道本身能夠通過自身的變形來吸收其他因素對管道系統(tǒng)產(chǎn)生影響而發(fā)生的位移[4]。想要實現(xiàn)管道柔性的增加可采取以下措施。

（1）可以對管道的走向進行合理的改變和布置，因為這樣的過程能夠?qū)崿F(xiàn)管道能力的自然補償。例如將管道走向設(shè)置為L 型或者是π 型。在整個管道系統(tǒng)中管道長度越長其產(chǎn)生的位移越大。而改變走向的設(shè)計以管道兩端固定頂點為前提，通過增加管道長度以及彎頭數(shù)量改變管道走向，這樣便能夠保證位移吸收力的提升，避免金屬疲勞或者力矩過大現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（2）可以通過各種自然補償能力的提升，以避免在集中應(yīng)力下迫使管道發(fā)生形變。自然補償能力提升過程中需要通過補償器進行輔助。除此之外，也可以通過彈簧支架進行補償，彈簧支架在使用的過程中會產(chǎn)生一個豎直方向的力，這樣一來，便能夠?qū)χ吸c所產(chǎn)生的豎直位移的約束進行有效釋放，以實現(xiàn)整個管道柔性的增加。但值得注意的是，若在管道設(shè)計的過程中連續(xù)地使用彈簧支架必定會對整個管道的穩(wěn)定性造成影響。

（3）如果管道口徑過大，則可以通過波紋管膨脹節(jié)進行補償，該種補償能夠有效地避免較大應(yīng)力作用下管道形變的產(chǎn)生。

2.4 高效增加管道支架

增加管道支架、吊架的目的在于實現(xiàn)一次應(yīng)力以及二次應(yīng)力的緩解，同時有效地對整個管道體系的塑變進行把控，以減輕二次應(yīng)力同系統(tǒng)管網(wǎng)所承受壓力，進而保證整個管網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。該過程中首先要保證在管道最大允許跨度需求之下一次應(yīng)力能夠完全通過。這樣一來，即便是有集中的荷載產(chǎn)生也可以通過支架布置，減少偏心荷載以及彎曲應(yīng)力。該過程中可以將支架設(shè)置在距離荷載較近的地方或者是設(shè)備管嘴較近。

對于整個管道系統(tǒng)而言，整個二次應(yīng)力的產(chǎn)生由于管道系統(tǒng)形變受阻而引起，所以經(jīng)過合理計算在支架或者是吊架的輔助下能夠最大限度地保證管道系統(tǒng)適應(yīng)形變的需求[5]。值得注意的是，整個支架或者吊架選取的過程中應(yīng)綜合生產(chǎn)實際進行考量，否則會因其難以承擔(dān)管道系統(tǒng)的重力負荷而進一步導(dǎo)致一元應(yīng)力超標(biāo)情況發(fā)生。尤其對安裝有往復(fù)式壓縮機的管道系統(tǒng)而言，應(yīng)通過獨立的支架或者吊架的安裝，以保證其與其他建筑物相分隔，這樣能夠有效地降低管網(wǎng)振動。

3 結(jié)束語

管道應(yīng)力分析直接關(guān)系到管道自身與其相連設(shè)備、機械、土建結(jié)構(gòu)的安全。通過管道靜力分析可以對系統(tǒng)進行安全評定，在滿足標(biāo)準規(guī)范的前提下合理的選擇自然補償類型及長度，支吊架位置及類型。通過管道動力分析可以有效控制管道在各類沖擊載荷下的振動。該過程中需結(jié)合系統(tǒng)實際需求同時在各類管道應(yīng)力分析軟件的輔助之下可以進行科學(xué)合理地計算，通過分析計算結(jié)果采取合理的優(yōu)化措施，保證管道裝置的安全運行同時節(jié)省成本。