任飞虎

（山西省工业设备安装集团有限公司， 山西 太原 030000）

工业管道是工艺流程种类最多、生产环境状态变化最为复杂、输送介质种类较多、条件比较苛刻的设备。为了保证工业企业良好的运行环境以及行业之间的激烈竞争，企业对工业管道的设计提出了更高的要求。工业管道应力分析在化工、石油焦化、电力等工业管道设计中占有举足轻重的位置，工业管道应力分析对工业生产安全、管道的设计优化、工程的材料节约等方面起到了重要的作用。

1 管道应力分析的内容

管道应力分析主要是以静力分析与动力分析两种内容为主。从单个关系的角度来看，其对于动态载荷以及同等水平静态载荷的响应存在着十分明显的差异性，静态载荷是载荷被逐渐的施加到管道系统当中，其具备有充足的时间来进行响应同时在系统中进行配置，并且能够确保系统始终维持均衡性，处于均衡状态下，各种力与力矩均将被消除，且管道不发生运行。

1.1 静力分析

1） 计算压力载荷与持续荷载作用下所产生出的一次应力，可避免出现塑性变形损坏。其一次应力值低于管材最大应力值即性能稳定；2） 计算管道对设备产生的作用力，以避免作用力过大，确保设备能够始终保持正常运转。设备管嘴受力应当低于最大限定值；3） 对管道支架受力予以计算处理，以便给予支吊架设计提供依据支持。

1.2 动力分析

1） 往复式压缩设备的气、柱频率分析，主要是为应对气柱发生共振效应；2） 往复式压缩设备压力脉动分析，主要是为实现对压力脉动值的有效控制；3） 管道自振动频率分析，主要是为避免管道系统发生共振效应；4） 管道强迫式振动分析，主要是为实现对管道振动频率及应力的有效控制。

2 工业管道应力分析的主要目的

一般情况下，管道设计工程师在管道配管完成后，需要将临界管系提给管道机械工程师对管道进行柔性分析与应力计算，对管道进行应力分析主要解决以下几项问题：1） 计算后需要保证管道各点的应力结果控制在规范标准允许的安全数值内；2） 保证与管道相连接的设备管口载荷符合制造商或者标准规范的要求；3） 使设计管道及其连接部分的安全性保持在规范允许的范围内；4） 计算管道在约束条件下的不同位置处的载荷；5） 分析不同工况条件下的管道位移从而保证管架选择的合理性；6） 为了解决管道机械振动、声频振动、压力脉动等问题；7） 使管道设计更加合理化。

3 工业管道应力分析的应用

3.1 管道热应力和柔性调整

管道柔性是管道通过自身变形吸收热膨胀、冷缩和其他位移变形的能力。作为设计人员，应在管道图纸设计初期，充分考虑工业管道柔性应力，对影响工业管道质量因素逐一归纳。对管道铺设进行合理设计，降低相关问题发生几率，杜绝管道断裂、支撑松散等不良事故的发生。此外，设计管理人员还应从成本因素环节，考虑如何缩短管道长度，降低成本。在考虑管道柔性应力的因素中，除考虑外界环境问题对管道影响外，还可根据实际情况对管道支撑端点进行调整。

3.2 管道振动的缓解措施

在工业管道介质的输送过程中，往往会发生管道振动的现象。若是管道长期处于振动状态会造成管道疲劳发生破环，由此引发管道断裂介质泄漏的情况，有毒可燃的介质可能会引发生产事故。消减管道振动的措施：1） 管道材质的选择。为了减轻振动，首先要选择抗震性能较强、弹性较好的材料。2） 在管道系统适当的位置设置缓冲器或孔板，降低流体脉动强度，可在一定程度上减弱管道振动。3） 在管道设计过程中，管道弯头处避免急转弯。因此在管道安装中尽量减少使用弯头或者减小弯头的角度。4） 在材料强度允许的条件下，选择直径较大、管壁较薄的管道。

3.3 支吊架的合理设置

管道应力分析过程中正确的设置管道支吊架也是至关重要的。如果安装位置不合理会使得管道在运行中破坏管道的组成件，使生产无法稳定运行。对于保证支架的合理设置应符合以下几点要求：1） 承重架需要控制一定间距保证管道挠度；2） 充分利用管道的自然补偿满足管道的柔性要求；3） 管道位移不允许超出管托的宽度；4） 不同场合选择不同型式的支吊架。

3.4 采取冷紧施工方法

应用冷紧方式能够实现对管道在初期运行过程中的对端点推力及力矩的有效降低。冷紧方式是促使管道内的部分热应力集中于冷态处，进而减小管道在热态效应下的热胀力以及对端点推力及力矩，由此亦可避免法兰连接位置因为弯矩过大而出现泄漏现象。而冷紧并不会导致热胀应力范围发生变化。

4 结语

总而言之，在管道设计专业中管道应力分析是最重要的一项基础性工作内容，因此很有必要对管道应力展开相关的分析工作。同时考虑到管道应力分析过程的复杂性，以及所要分析的内容数量众多，基于这一现状情况下要实现对管系受力状况的有效改善，则应采取加强管道柔性、采用冷紧施工方法、合理布设管道支吊架等方式。