化工设计中的管道应力研究

化工设计中的管道应力研究

尹韬

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摘 要：化工管道设计对保证化工工作的进行意义重大，管道应力分析作为管道设计的基础对于管道的设计有着不可替代的作用，因此管道应力受到化工设计人员的高度重视。下面通过对管道应力的分类及管道应力的介绍，探讨了管道应力分析的重要性，对改善管系受力状况的措施进行了探析。

关键词：化工设计；管道应力分析；载荷

0 前言

随着我国经济的发展，化工工业有了显著发展，化工设计随之受到广泛关注。化工设计中的管道应力分析能够在分析管系受力情况的基础上，提出合理的管道设计方案，在促进管道设计合理化和保障化工设计质量方面发挥了突出作用。接下来，笔者将对管道应力分析的内容进行论述，并且基于管道应力分析对于化工设计的重要性，提出几点管系受力状况的优化措施和方法。

1 管道应力的定义及分类

1.1 管道应力的定义

管道应力是指管道在受到外力作用时，管道内部会产生一种抵抗这种外力作用的内力，这种内力基于力的相互作用，试图将管道受外力变形的状况恢复到受力前的情形。总结来说，管道某受外力位置所表现出的内力即为管道应力。

1.2 管道应力的分类

管道应力不是单一的，它有不同的分类。管道应力是受外力作用产生的，而在受到不同外力作用的情况下，产生的应力也有所不同，想要对管道应力进行准确、合理的分析，需要将应力区别开来，运用具体问题具体分析的方法分别对不同类别的应力进行分析。接下来，我们就通过分析应力产生的原因，对应力种类进行介绍：第一，一次应力。一次应力是指在重力和外压等外加载荷作用下产生的内力，一次内力具有显著的非自限性，这种非自限性表现在内力与外加载荷的等量平衡，当外加载荷增加时，一次内力也随之增加，增加的极限是材料的屈服极限，一旦应力值超过材料的屈服极限，管道的受压变形将超出控制范围，导致管道破坏或毁损。具体导致一次应力产生的外加载荷有风载荷、地震载荷以及水冲击载荷等等；第二，二次应力。二次应力是指在热涨、冷缩以及其他位移受到约束情况下，管道为对抗这些约束而形成的应力。二次应力区别于一次应力的显著特征即是二次应力的有自限性，它不似一次应力那样与外加载荷保持平衡，不随外加载荷的增加而增加，发生外加载荷超出材料的屈服极限的情况时，管道也不至于毁损，管道会通过局部的屈服或是产生少量的塑性变形来有效降低应力，进而完成应力的再次分布，管道保持相对良好的状态；第三，峰值应力。峰值应力是在一次应力和二次应力上的增量，管道或附件在出现局部结构不连续、局部热应力效应时，会在管道一次应力或二次应力上产生一种新的应力增量，这个新的应力增量即是峰值应力。峰值应力通常出现在焊缝未焊透等位置。峰值应力的作用并不显著，它是在潜移默化、日积月累的过程中对管道进行破坏，常会形成管道疲劳裂纹，造成脆性破坏。

2 管道应力分析的内容

在管道设计中，很多管道都要进行管道应力分析，例如冷箱的管道、脆弱材料衬里的管道等等，它们都需要进行内力分析，管道种类的多样性也决定了管道应力分析的多样性和复杂性，接下来，我们就对管道应力分析的内容进行详述。

管系受到的外加载荷有静态载荷和动态载荷之分。这种外加载荷性态上的差异性使管系对其的反应也有很大不同，即使是对待相同大小的静态载荷和动态载荷，管系的响应也是有差异的。者就是管道应力分析出现了静力分析和动力分析两种。

2.1 静力分析的内容

静力分析的内容主要有：第一，对压力载荷作用下一次应力的计算，设定合理的管道应力值，避免管道发生塑性变形损坏；第二，对管道热胀、冷缩或其他位移受到限制的情况下产生的二次应力进行分析，将应力值控制在允许范围内，避免疲劳破坏带来的损失；第三，分析管道对设备的作用力，设备的受力要严格按照标准执行，保障设备的安全运行。除此以外还要对支吊架受力和法兰受力进行计算。

2.2 动力分析的内容

动力分析的内容主要有：第一，对管道自震的频率进行深入研究，通过分析管道自震的频率，得出规避管道系统共振的方法；第二，分析管道强迫震动的响应情况，进而能够掌握管道震动规律，控制管道应力。第三，对往复式压缩机的气柱频率和压力脉动进行分析，避免气柱共振的发生，将压力脉动值设定在合理范围内。

3 管道应力分析的重要性

通过前文论述，我们已经明确了管道应力分析的内容，从微观上来讲，通过静力分析和动力分析的结合，管道应力分析对管系的组成部分进行了准确的计算，将一次应力、二次应力的安全值进行设定，从而最大程度的减少了外加载荷与应力作用对管道进行的破坏，在避免管道系统自震和气柱自震方面发挥了重要作用；从宏观上来讲，管道的应力分析为管道设计提供了基础，促进了管道安全性评价的得出。管道应力分析能够优化化工设计、推动了安全生产进程，并且节约了材料和资金，实现了安全、合理、效益共存多赢局面。总而言之，管道应力分析是一项十分重要的内容。

4 改善管系受力状况的措施

4.1 合理选用和设置管道支吊架

管道支吊架的选用和设置对于管系受力状况的改善有着重要影响，在设置管道支吊架时，要充分考虑一次应力、二次应力等因素，采取有效措施规避一次应力和二次应力的影响，对于一次应力影响的消除，基本措施是使管道支吊架的设置必须满足最大允许跨度的要求，以避免管道受到破坏。对于二次应力作用，要选用可以实现管系适应变形需要的支吊架。

4.2 增加管道柔性

管道柔性限制着管道自身受力变形的能力，对于管道应对外加载荷以及自保的有效程度有较大的影响，增加管道柔性可以增强管道吸收热涨、冷缩，应对其他位移变形的能力。增加管道柔性的措施主要有改变管道走向、选用补偿能力大的补偿器、应用弹簧支架三种。通过以上措施可以改善管系受力状况，保障管系安全生产。

5结语

总之，管道应力分析及设计在管道设计中的作用是很重要的。管道支吊架的作用主要有两个方面：一是承受管系的自重和外部载荷，目的是避免产生过量挠度，控制管系的一次应力在一定范围之内；二是用来使管系适应位移的需要，调整和改善管系的应力分布情况，以控制管系二次应力和综合应力允许界限以内，使管系的端点推力在许用的范围，从而达到保护设备的目的，例如压缩机、汽轮机以及机泵等敏感的机械设备。管道自重荷载在各支吊点的分配也扮演着重要角色。设计师应尽量使管系的一次应力分布较为均匀。合理的自重分配是管道支吊架设置中应首先考虑的问题。设计中要从安全性和经济性的角度都进行，尽可能利用管道的自然补偿，当有空间条件限制以及经济核算作指导时可合理选用补偿器进行补偿。

参考文献：

[1]包亚西.管道应力分析中进行详细应力分析管道的确定[J].河南化工，2010.

[2]杜志勇.管道应力分析在工程上的应用[J].中国高新技术企业，2011.

[3]姜崴.管道应力分析软件在化工设计中的应用[J].山西化工，2004.

[4]于永梅.压力管道柔性设计及金属波纹管膨胀节的选用.河南化工，2009（01）.

[5]冯武文，孟令岩，赵军.减压转油线的应力分析.北京化工大学学报（自然科学版），2004（03）.