董彦伟(山东华鲁恒升集团德化设计研究有限公司，山东 德州 253000)

0 引言

得益于当前日益发达的科学技术，同时也为了给社会提供更加安全可靠的化工产品，化工产业的发展势头很强劲，我国的化工产业基本形成了一定的体系，对生产过程中工艺流程的控制更加严格精密，为未来化工企业的长远发展打下了较好的基础。但目前对化工行业必须要用到的管道设计与分析的重视程度还不够，化工产业管道设计中还存在诸多问题，例如管道的应力系统分析问题，这对化工产业今后的长远发展有着十分重大的影响，因此对化工设计中管道应力的相关分析与改进必须给与一定的重视，保障化工生产安全性的同时提升生产效率，为化工生产企业创造更大的经济效益。

1 管道应力的相关概念

在当前的生活以及工业生产中，管道系统是不可或缺的一环，对其的分析研究正在逐步深入，针对管道应用过程中出现的变形问题引入了应力概念来进行科学严密的分析，以此来保障管道的正常运行。在管道应力分析中把应力分成了一次应力和二次应力。一次应力的出现主要是由外界条件引起的，当管道由于内外受力达到平衡状态时的外接负载引起的力就称为一次应力。值得注意的是一次应力的大小与状态并不是一成不变的，而是会随着外界条件发生相应改变，影响因素主要是外界的再和力量，当一次应力的大小大于管道材料的承受极限时管道就会发生塑性形变，最终会导致管道的破裂，影响管道系统的正常运行。二次应力是在一次应力的前提下出现的应力，当管道在一次应力的作用下发生形变时，由于管道塑形条件而产生的约束力就是二次应力。二次应力的出现主要受温度以及受力点发生位移的影响。由于二次应力是在一次应力导致的管道形变基础上产生的，因此二次应力的大小也就取决于管道产生形变的程度，并且无论外界负载如何都不会对二次应力产生影响，即二次应力的产生以及影响条件完全由管道内部状态决定。二次应力对于管道的影响在于应力值过大时会导致管道产生疲劳，进而缩短管道的使用寿命。在管道应用中应力是必须进行研究的重要课题，掌握好应力的信息能够有效延长管道的使用寿命，从而创造更大的经济效益[1]。

2 化工设计中对管道应力的分析

随着化工产业的不断发展，工厂企业中生产规模与生产效率都有了较大的变化，相应地对管道的要求也更高。由于科技以及化工生产技术的改进，化工生产流程中新型的设备也在逐步增多，进一步增加了化工管道系统的负载，因此对化工管道应力分析十分重要。随着科技的发展以及对管道应力的深入分析，对化工管道的应力分析也有不同方法。

2.1 通过目测来检测管道应力

目测检测是通过将两组或两组以上的各种条件接近的管道放在一起进行分析的方法，对管道的特点要求一般是其柔性，对柔性接近的一条管道的应力可以大致推测出其他管道的应力情况，能够大致推算出管道中受力的集中点。但这种方法毕竟没有专业的检测设备，只属于经验之谈，仅限于经验比较丰富的设计人员使用，而管道在实际的应用中除了柔性特点还会因为其工作的其他因素导致应力情况不同，因此这种检测方法的误差比较大，需要工作经验较多的人员来进行才能够保障一定的准确度，进行应力分析时工程师需要认清自身，不能够随意采用这种分析方法[2]。

2.2 通过物理方法进行应力分析

在管道应力分析领域有着一些专业的物理方法，通过绘制管道的图纸进行应力分析，利用相关的物理手段进行分析，如公式计算等。通过这样的计算分析能够较为初步地完成相应的受力分析，在一定的程度上保障管道的柔性要求。这种分析方法虽然只是一种较为初步的应力分析，但因为其准确程度较高以及分析过程简便快捷而具有非常高的普及度和适用性，应用非常广泛。

2.3 借助计算机软件进行应力分析

计算机技术以及智能软件的快速发展使得之前许多比较复杂艰难的工作变得简单起来，计算机软件技术也能够应用在管道应力分析中。通过计算机软件技术来编写相应的管道应力分析软件就可以作为辅助分析手段来完成对管道的应力分析，同时还可以在计算机上通过模拟软件对管道的实际工作条件进行模拟，这样的模拟分析可以在一定程度上减少在实际的管道工作中出现问题的几率，进行模拟分析也有利于减少管道设计中的成本损耗。借助计算机技术进行应力分析的方法属于精确程度比较高的分析方法，一般应用于管道容量较大同时精确度要求很高的管道设计中。

3 管道应力分析的主要评判标准

根据应力的类型分为静力分析和动力分析两个主要方面，每一种分析又包含多种受力情况，它们又有着不同的作用来保障管道的正常运行。通常有以下方面：(1)通过对压力荷载和持续荷载作用下的一次应力进行计算分析，以此避免管道出现塑性变形破坏；(2)管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算，防止管道因为长时间形变产生疲劳破坏；(3)分析管道对设备的作用力，防止作用力太大，以免出现影响设备正常运行的情况；(4)分析管道支吊架的受力，为构建合理的管道系统提供一定的依据，以便于在合适的地点架设支架；(5)分析管道上法兰的受力情况，防止管道出现法兰泄漏；(6)分析管道中因为受力出现的管系位移情况，防止管道碰撞和支吊点位移过大。

4 减少管道应力影响的方法措施

为了有效延长管道的使用寿命以及提升管道的安全性从而保障化工生产的效率，需要在设计时采取一定的方法来减少应力的影响，改善管道的受力情况，同时设计时需要考虑到管道工作环境以及所接的设备情况等因素。

4.1 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[3]，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。

4.2 适当增加管道的抗压性能

构成管道材料的强度过高就会导致管道的柔性变差，使得管道更加容易出现破裂等，化工管道设计中就需要适当增加管道的柔度，使其拥有更加良好的柔韧性。为达到提升管道柔度的目的，可以采用改变管道走向、使用波纹管膨胀节来搭建管道系统等方法，当管道系统中某一部分硬度过大时可以采用增加管道长度的方法来减小管道中的压力，达到增加管道柔度的目的。

5 管道架设时施工方法探究

当前的管道架设施工主要分为循序渐进的三个步骤，每一步的施工质量都会直接关系到后续施工环节，从而影响到管道系统的整体质量，因此对施工环节必须重视。

首先是钻孔环节，这是进行管道架设施工的第一步，主要采用的方法是陆地钻孔法。在表层为卵漂石的地面进行钻孔施工时需要在地面以下一到两米处使用小冲程钻孔，同时要将泥浆比控制为一点四，这样的钻孔方法能够保证钻孔坚实圆顺，有利于后续施工的进行。在地面两米以下钻进时，可以采用正常钻孔手段。在持续钻进的过程中需要时刻对钻孔深度以及地下泥浆的比重进行测量。其次是清孔步骤，就是对钻孔进行一定程度清理，当钻孔深度达到标准并且其他指标也完全合格后应当立即进行钻孔的清理工作。清孔的目的主要有两个：一是将钻孔底部一些杂质清理出来；二是严格控制钻孔内物质的比例，使得钻孔底部的沉渣比例以及泥浆比例达到设计要求的标准。在此过程中需要不断向钻孔内注入清水，并保证孔内的水位保持在一个合适工作的数值，并通过提渣桶将孔内的沉渣取出。最后是安装管道时采用的水下混凝土浇铸技术，这是最为关键的一步，灌注步骤为“复测孔深-放置钢筋笼-搭设水下平台-防止水封导管-灌注第一斗水封混凝土-边灌注边拆除直至灌注完毕”[4]。在灌注过程中拆除导管时对导管底部在混凝土中的深度也有一定的要求，一般为二到六米之间，并且灌注过程不能停止，必须一气呵成，直到灌注完成之前都不能将导管提出混凝土。

6 结语

化工设计中的管道应力分析对管道的运行以及使用寿命有着直接的作用，同时也是化工行业的命脉所在，关系到化工生产的各个方面，因此对于管道应力的研究探讨绝对不能停止。当前在化工设计中的管道应力分析已经有了一定的成果，能够初步解决一些管道应力导致的问题，但是这还远远不够，只有将这一研究深入持续地进行下去才能够保障化工行业的生产效率以及安全性不断提高，助力化工行业持续长远的发展。