徐齐珍

（南京强思工程技术服务有限公司，江苏南京 210000）

化工设计中管道应力分析的必要性研究

徐齐珍

（南京强思工程技术服务有限公司，江苏南京 210000）

随着我国经济的迅猛发展，工业技术水平也得到了不断的提升，化工装置在国内的需求量不断增加，管道装置的直径越来越大，化工装置管道的设计变得更加关键。对化工管道应力的种类进行分析，分别阐述了管道应力设计的主要内容。最后通过强调化工管道应力在化工设计中的必要性，提出了几点应对措施，以供参考。

管道应力；化工设计；必要性

在物理学中，管道内力的集度称为应力，也就是作用在物体单位面积上的力。管道应力的研究对我国的石化行业，电力行业甚至医疗方面都有很大的价值，以下着重介绍管道应力在化工设计中的必要性。

1 化工管道应力的分类

管道承受的最大应力，超过材料的承受极限，使得材料在正常的工作状态下产生变形，管道在热胀冷缩、持续外载或经过高温的蠕变以及应力的松弛等情况下，管系上的应力就发生了变化。因为应力的不同会产生不同的效应，对于应力对管系所引起的破坏，应该采取不同的处理方式。在管道应力中分为三类：一次应力、二次应力和峰值应力。

一次应力：指的是由于外在的压力，重力，外加荷载而产生的应力。其特点是：无自限性，外加荷载在增加时，一次应力也随之增加，满足与外加载荷之间的平衡关系，压力一旦超过了管道材料的承受能力，管道会因为塑性变形被破坏。由此可见，一次应力的产生是由于持续外荷载而产生，管道承受的持续外荷载是自重、介质重量及介质内压等。

二次应力：当管系在一些不确定的因素下发生形变时，用来对抗这种变化而产生的力就叫做二次应力，比如热胀冷缩，或者在管道位移发生变化的情况下。二次应力具有自限性，和一次应力与外加载荷可以保持平衡有所不同，二次应力不能随外加载荷增加而增大，管道自身能产生塑性变形或者是通过自身局部的变化来降低管道应力，在外加载荷超过了自身的承受极限的时候，管道仍然保持完好，并且进行应力的合理再次分布。

峰值应力：指的是前两次应力之上的增量。峰值应力一般出现在焊缝没干透的位置。经常会对管道形成裂纹进而造成脆性损坏，是在日积月累中形成的，其作用并不显著。

2 管道应力分析的内容

在管道设计的过程中都要进行管道的应力分析，大到工业生产或石油天然气运输管道，小到冰箱的制冷设备，管道所处的环境体现了管道应力复杂的特性。这种环境下的应力可以分为静力分析和动力分析两种。当外加载荷经过管道的速率缓慢时，管系就有足够的时间将管道应力进行均匀的分配，在保持平衡的情况下可进行静力分析。当外加载荷在管道中运动的速率过快，管道来不及将载荷平均分配，让管系处在不平衡的环境中就要进行动力分析。

2.1 静力分析

（1）为了避免管道产生塑性的变形破坏，我们要设定合理的管道应力值，对压力荷载作用进行压力的计算。

（2）为了避免管系由于自身的变形而带来损失，控制应力值在可承受范围之内，所以要对在管道其他位移上受到限制或者热胀冷缩时产生的二次应力进行分析和整理。

（3）要保障设备的运行安全，要严格按照标准去执行设备的受力，分析其对管道对设备的作用力。

2.2 动力分析

（1）规避管道系统的共振要通过分析管道自振频率，深入研究管道自振的频率。

（2）控制管道的应力掌握管道的振动规律。要分析管道强迫振动的响应情况。

（3）避免发生气柱共振，将压力的脉动值控制在合理范围，要对往复式压缩机的压力脉动和气柱频率进行分析。

3 以CA ESARII软件为例的应力计算范围

在化工设计中，管道应力的产生是非常复杂的。一般情况下，这几种应力分析必须通过软件进行计算，见表1。

表1 管道应力计算

另外，除图表中所示，在界区外的管廊上相当长的直管，与贮罐相连的DN 300以上的管线等等产生应力的原因复杂的管线都可以用计算机软件来计算。

4 减少管系应力影响的措施

4.1 合理选用支吊架

设置管道的过程中，适当的选用管道支架，支架的种类会对管系受力有着非常重要的影响。考虑到一次应力和二次应力因素的影响，设置管道支吊架，来避免两次的应力给管道带来的不良影响。为了避免管道受到损坏，消除一次应力的影响应该把管道支吊架设置成满足最大限度的要求，而二次应力的作用影响，在选用支吊架的时候，要看吊架能不能适应管系的变形问题，尽可能的避免其带来的影响。

4.2 增强管道的柔性

管道的自身由于受力会发生一定的变形，而管道的柔性恰恰限制了这种特性，在对外在荷载有效程度上，管道的柔性发挥了抗形变的作用。在一些特殊的情况下，可以巧妙的使用管道的柔性来抵抗由于外界因素对管道造成的形变。应用弹簧支架、选择补偿能力大的补偿器及改变管道走向这三种措施可以使管道柔性加强。通过这三种措施，可以保障管系的安全生产，改善关系的受力情况。

5 结束语

在设计专业中，对于管系的应力分析是管道设计的基础内容，良好的管系设计可以提高工业生产的效益并且优化工业设备。在管道管系的设计过程中，设计人员要不断的进行管道优化的实验，在实验中得到真理，深化化工设计的理论分析，把理论和实际相结合。在此过程中，充分展现出管道应力分析的优势，最大程度的推动化工产业向效益共存的多赢局面发展。

[1] 崔广东.石油化工管道设计的应力分析与柔性设计[J].中国石油和化工标准与质量，2013，（16）：45-46.

[2] 韦征，顾顺超.如何正确分析化工管道设计中的管道应力[J].化工管理，2015，（16）：180.

Analysis and Necessity of Pipeline Stress in Chemical Engineering Design

Xu Qi-zhen

With the rapid development of China’s economy，the industrial technology has been improved continuously.The demand of chemical plant is increasing in China，and the diameter of the pipeline is getting bigger and bigger.The design of the pipeline is becoming more and more important.In this paper，the types of stress in chemical pipelines are analyzed，respectively，the main content of the stress design of the pipeline is expounded.In the end，the author points out the necessity of chemical pipeline stress in chemical engineering design and puts forward some countermeasures for reference.

pipeline stress；chemical design；necessity

TQ055.81

A

1003–6490（2016）10–0074–02

2016–10–06

徐齐珍（1984—），女，江苏淮安人，助理工程师，主要从事管道和设备的设计工作。