化工管道设计中的管道应力分析

化工管道设计中的管道应力分析

王楠

山东华鲁恒升集团德化设计研究有限公司，山东德州253000

摘要：近年来，化工领域越来越重视管道设计技术，并且取得了很大的进步与发展。管道设计的基础与管道应力的计算，其主要分析的是在各种不同荷载作用下所形成的应力、力矩和力，以便于提高所设计管道的经济性、科学性和安全性。如今，管道应力分析在材料规划、优化设计和安全生产等方面都起到了非常重要的作用，并且在电力、化工、石油等燃化工业管道设计中有着非常重要的地位。鉴于此，文章首先分析了化工管道应力的类别，然后对石油化工管道应力设计方面的内容进行了研究，以供参考。

关键词：石化管道；应力分类；设计措施

1化工设计中常见的应力类型分析

对于管道来说，通常其处在内压和持续外载以及冷缩的条件下，相应的最大应力往往会超出材料的屈服限度，加之高温管道出现的应力松弛，相应的管系的应力状态也会出现极大的变化。针对不同种类的应力，应做出与之相对应的处理，这样所达到的限定效果才会更为理想。通常情况下，管道的应力主要分为一次应力、二次应力和峰值应力等三类。

1.1一次应力

所谓一次应力，主要是因外加荷载等形成的应力，例如压力和重力等。具体来看，其并不能自我限制，且会随着荷载的增加而增加，在超过材料的极限时，管道即会出现塑性变形甚至是破坏的情况。另外，管道所受到的风载荷以及地震载荷同样属于一次应力，相应的处理可根据其具体的特征进行。

1.2二次应力

化工管道的二次应力通常是在运行过程中受到温度的影响所产生的一种应力现象。化工管道二次应力的大小与管道设计过程中选择的材料性能指标有着紧密关联。二次应力是因为运行过程中管道环境温度升高，致使管道材料出现胀缩。与一次应力相比，二次应力带有明显的自觉性和自限性，如果化工管道制造材料自身的荷载数值已经超过其承载能力的极限，部分管道就会因为无法承受较大的外部荷载力，出现较小区域内的塑性变形。化工管道在经过一段时间的塑性变形之后，可结合管道的具体受力状况进行分析，确保整个管道的应力分布保持一种较为均匀的状态，将塑性变形区的应力进行适当处理，可使变形较为严重的区域逐渐恢复。由此可以看出，设计人员在化工管道设计工作实施的过程中，需要综合考虑管道运行状况对二次应力产生的各种影响。

1.3峰值应力

此类应力主要是在管道或附件局部结构不连续或是局部热应力效应的条件下形成。具体来看，其的变形并不突出，但却会在短期内出现根源性的衰减，疲劳裂纹或是脆性破坏多与其有关。另外，管道附件上小半径圆角以及焊缝不佳所形成的应力也属于这样的情况。

2管道应力分析目的

管道应力分析旨在将管道的强度、刚度及振动等难题妥善处理，运用科学的方式，有效布置、安装、配置管道，基本要求包括下面几点：（1）保障管道系统设计安全性管道安全性能的总体要求涵盖了耐压强度、耐腐蚀性及密封性。（2）保障装置运行的安全性要是管道布置存在安全隐患，就会导致整个装置运行过程中存在极大的风险，还会存在各种应力难题。例如，在温度变化的条件下，管道会形成过大的热应力，进而引发下列问题：设备管口被拉坏或是顶坏的风险增加，各管件连接处被破坏，甚至会导致燃烧或是爆炸的严重事故。此外，要是动力设备，如果震源的激振和管系固有频率一致，整个装置系统就会产生共振的现象，这时候，设备及其相连的建筑物就会被严重损坏。

3化工管道设计中削减管道应力的有效措施

3.1选取合适的管道支吊架架设方案

支吊架主要用于电厂汽水管道或锅炉设备、在运行中产生热位移，是管道系统中非常重要的一个环节。支架的架设要求需要首先对管道受力情况进行全面详尽的计算，其主要要求有弹簧支吊架以及热位移要求。弹簧支吊架在出厂前进行了整定，当安装到管道和设备上后，对有关螺纹调整，将锁定销脱开，这时弹簧的实际承载就是设计所要求的冷态荷载。支吊架系统在管道系统中具有至关重要的作用，根据管道的工作情况以及应力研究合理的支吊架能够有效减少应力对管道系统的负面影响，但与此同时不合理不科学的支吊架架设位置会使管道的应力增加，影响到管道的正常运行。科学的管道支吊架架设方案还能够使管道中所受的二次应力以及管道推力减小，进一步为管道的运行提供保障。

3.2运用管道柔性设计方式

在化工管道设计的过程中，通常考虑在管道的首段、末端及三通位置连接处分布一定数量的机械设备或水泥建筑。化工管道遭受内部介质热胀冷缩作用的影响，对周边机械设备和建筑会产生一定作用力。如果管道自身的刚度水平相对较高，在作用力逐渐加大的情况下，周边的机械设备和建筑就会出现一定破损。因此，在化工管道设计中，管道应力的削减必须要注意管道柔性设计方式的引入，确保管道在运行过程中承受的应力水平始终处于安全状态。通常而言，化工管道的柔性设计要求管道所处环境温度范围在-50~100℃之间，以避免管道变形。化工管道的直径设计需要在柔性设计的过程中结合管道的具体数据，对管道线路布置状况进行科学调整。管道长时间受到外力作用，很可能会出现位移，这就要求设计人员通过柔性设计，科学考虑与管道所连接的各项附属设备的分布位置。化工管道自身带有一定补偿作用，能防止出现管道变形，在管道内外应力逐渐增大的情况下，柔性设计方式的引入可以通过自然补偿的增设避免管道出现变形。设计人员需综合考虑化工管道运输介质的温度和运输量，使用螺纹管补偿器。在科学选择补偿器类型的同时，对具体碰撞值进行计算，最终确定补偿器的安装位置，尽可能接近两个管道固定点的中心位置。

3.3适当提升管网柔韧水平

管网的柔韧性，可使管道在抵抗应力的过程中产生一定抗压性和自限性，柔韧水平较低的管道材料，在遭受应力冲击时容易出现裂痕，使得峰值应力过大，造成管道系统瘫痪。设计人员在选择管道制造材料的过程中，应选择柔韧性较强的材料，并在管道设计优化过程中，以最小的弯度实现管道设计走向，提高管道对自然因素的抵抗力。减少自然条件影响的一次应力问题数量。管网柔韧水平适当提升可有效削弱管道内部应力，降低化工管道建设成本。

3.4运用冷紧措施

化工管道冷紧现象的出现，主要因为用于制造管道的材料具有一定弹性，容易在外界应力的影响下出现一定性质或性状方面的改变。在化工管道系统运行过程中，会受到运输介质流体的热力学影响出现热胀冷缩现象，最终产生管道局部弯曲或变形，影响化工管道正常使用。较大程度的管道扭曲会造成运输介质泄漏，给化工企业的正常生产和人民群众生命安全带来极大威胁。在化工管道设计优化过程中，冷紧措施的引入需优先进行错位实验，允许管道在热生产状态产生的应力被施加到冷状态，配合低压力管道端口位置出现的推力和力矩，有效降低热伸展应力数值，削减应力对管道正常运行产生的影响。冷紧过程的存在，降低了管道热伸展应力，使管道持续应力得到有效缓冲，降低了外界应力产生的具体影响，可确保化工管道始终处于安全稳定的运行状态。

结语

综上所述，管道应力设计直接关系到化工管道的后续使用和安全稳定，管道设计本身存在问题，就会增加所承载的应力，使管道损坏造成安全隐患。设计人员在设计管道时必须重视管道应力，尽量降低管道所承载的应力，提升管道的安全性能，促进化工产业的安全稳定发展。

参考文献：

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