钟彦

摘 要：随着化工产业的迅猛发展，提升化学化工装置的安全性能显得尤为重要和必要。管道应力分析对于确保和提升管道设施安全性来说，具有十分关键的意义。

关键词：化工设计；管道应力；分析

随着我国国民经济的快速发展，石油、化工发展迅猛。然而，石油化工装置通常具有高温高压、易燃易爆、剧毒等复杂的生产条件，随着装置日益大型化，工艺管道的规格及复杂程度也相应增大，管道设计的地位也显得的越来越重要。这是因为只有在安全性得到保障的条件下，整个化工设计才能变得更为可靠。在工程设计中，管道应力分析主要解决管道的强度、刚度、振动等问题，为管道布置、安装、配置，即进行管道设计，提供科学依据。因此，管道应力分析越来越受到设计单位和投资方的重视，并且在石油、化工、电力等燃化工业管道设计中占据了十分重要的位置，是管道工程设计的基础，是装置正常、安全运行的重要保障。

一、管道应力分类

管道一次应力是指因压力或重力等外加荷载而产生的应力。变形程度根据材料不同而不同，有的材料变形不明显，也就是说屈服点不明显，所以规定当残余变形达到0.2%时的应力值，作为“条件屈服极限”，以σ0.2表示。地震载荷、安全阀动作冲击荷载等产生的力都属于一次应力。

管道二次应力管道二次应力是管道由于受到温度变化所产生的热胀冷缩或着其他位移受到约束而发生的应力。它的主要特征是具有自限性，也就是说管道局部达到屈服点或小量变形引起持续变形，应力开始重新分布，材料应变达到均衡。热应力是二次应力。

管道峰值应力管道峰值应力是指管道局部热应力或局部结构不连续产生的共同影响叠加到一次应力和二次应力之上的应力增量。峰值应力的主要特征是发生在局部，不会发生显著的变形，仅在以根源为中心短距离范围内导致疲劳裂纹或脆性破坏，危害性小于二次应力。

二、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。这就是管道应力分析出现了静力分析和动力分析两种。

（一）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。

（二）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。

三、管道应力分析的目的

管道的应力，主要是管道承受内压力、外部荷载以及热膨胀或冷紧等多种因数引起的。其中热膨胀问题是管道应力分析所要解决的最常见和最主要的问题。进行管道应力分析，根据要求，主要有以下几个方面：（1）为了使管道应力在规范的许用范围内；（2）为了使设备管口荷载符合制造商或公认的标准；（3）为了使与管道连接的容器应力保持在其规定的许用范围内；（4）为了计算出各种支撑及约束的设计载荷；（5）为了确定因各种冲击所导致的管道位移；（6）角车决管道动力学问题，如管道的机械振动，流体锤等；（7）帮助配管优化设计。

四、管道应力優化措施

提高管道的柔性和韧性：（1）利用U型弯来改变管道走向，提高管道的自然补偿能力。这种补偿方法技术含量高低、成本低、简单易行，在生产中被广泛采用。（2）安装补偿器提高管道的自然补偿能力。补偿器又叫膨胀节，能够吸收热作用或温度变化所引起的尺寸变化，防止管道变形或破坏。（3）安装弹簧支架。当管道发生垂直方向的移位时，弹簧支架会伸长或缩短，受力支点会发生变化，就能既不改变管道走向，又能提高管道的柔韧性。

采用管道冷紧法缓解管道应力管道冷紧法是让在冷状态下的拉力去抵消热状态下发生的位移，冷紧法只是降低管道固定点的推力和力矩，并未改变应力范围，不影响管道的疲劳状态，这种方法简单易行，广泛应用在生产中。但是当管道的一次应力、二次应力都没有超过最大允许值时，可以不采用此种方法。

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

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