有關(guān)化工設(shè)計中管道應(yīng)力的分析

申云青

（中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司,濟(jì)南 250101）

0 前言

近年來，化工工業(yè)有了顯著發(fā)展，化工設(shè)計隨之受到廣泛關(guān)注。化工設(shè)計中的管道應(yīng)力分析能夠在分析管系受力情況的基礎(chǔ)上，提出合理的管道設(shè)計方案，在促進(jìn)管道設(shè)計合理化和保障化工設(shè)計質(zhì)量方面發(fā)揮了突出作用。接下來，筆者將對管道應(yīng)力分析的內(nèi)容進(jìn)行論述，并且基于管道應(yīng)力分析對于化工設(shè)計的重要性，提出幾點管系受力狀況的優(yōu)化措施和方法。

1 管道應(yīng)力的含義及分類

1.1 管道應(yīng)力的含義

管道應(yīng)力是指管道在受到外力作用時，管道內(nèi)部會產(chǎn)生一種抵抗這種外力作用的內(nèi)力，這種內(nèi)力基于力的相互作用，試圖將管道受外力變形的狀況恢復(fù)到受力前的情形。總結(jié)來說，管道某受外力位置所表現(xiàn)出的內(nèi)力即為管道應(yīng)力。

1.2 管道應(yīng)力的分類

管道應(yīng)力不是單一的，它有不同的分類。管道應(yīng)力是受外力作用產(chǎn)生的，而在受到不同外力作用的情況下，產(chǎn)生的應(yīng)力也有所不同，想要對管道應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確、合理的分析，需要將應(yīng)力區(qū)別開來，運用具體問題具體分析的方法分別對不同類別的應(yīng)力進(jìn)行分析。接下來，我們就通過分析應(yīng)力產(chǎn)生的原因，對應(yīng)力種類進(jìn)行介紹：第一，一次應(yīng)力。一次應(yīng)力是指在重力和外壓等外加載荷作用下產(chǎn)生的內(nèi)力，一次內(nèi)力具有顯著的非自限性，這種非自限性表現(xiàn)在內(nèi)力與外加載荷的等量平衡，當(dāng)外加載荷增加時，一次內(nèi)力也隨之增加，增加的極限是材料的屈服極限，一旦應(yīng)力值超過材料的屈服極限，管道的受壓變形將超出控制范圍，導(dǎo)致管道破壞或毀損。具體導(dǎo)致一次應(yīng)力產(chǎn)生的外加載荷有風(fēng)載荷、地震載荷以及水沖擊載荷等等；第二，二次應(yīng)力。二次應(yīng)力是指在熱漲、冷縮以及其他位移受到約束情況下，管道為對抗這些約束而形成的應(yīng)力。二次應(yīng)力區(qū)別于一次應(yīng)力的顯著特征即是二次應(yīng)力的有自限性，它不似一次應(yīng)力那樣與外加載荷保持平衡，不隨外加載荷的增加而增加，發(fā)生外加載荷超出材料的屈服極限的情況時，管道也不至于毀損，管道會通過局部的屈服或是產(chǎn)生少量的塑性變形來有效降低應(yīng)力，進(jìn)而完成應(yīng)力的再次分布，管道保持相對良好的狀態(tài)；第三，峰值應(yīng)力。峰值應(yīng)力是在一次應(yīng)力和二次應(yīng)力上的增量，管道或附件在出現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)、局部熱應(yīng)力效應(yīng)時，會在管道一次應(yīng)力或二次應(yīng)力上產(chǎn)生一種新的應(yīng)力增量，這個新的應(yīng)力增量即是峰值應(yīng)力。峰值應(yīng)力通常出現(xiàn)在焊縫未焊透等位置。峰值應(yīng)力的作用并不顯著，它是在潛移默化、日積月累的過程中對管道進(jìn)行破壞，常會形成管道疲勞裂紋，造成脆性破壞。

2 管道應(yīng)力分析的內(nèi)容

在管道設(shè)計中，很多管道都要進(jìn)行管道應(yīng)力分析，例如冷箱的管道、脆弱材料襯里的管道等等，它們都需要進(jìn)行內(nèi)力分析，管道種類的多樣性也決定了管道應(yīng)力分析的多樣性和復(fù)雜性，接下來，我們就對管道應(yīng)力分析的內(nèi)容進(jìn)行詳述。管系受到的外加載荷有靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷之分。這種外加載荷性態(tài)上的差異性使管系對其的反應(yīng)也有很大不同，即使是對待相同大小的靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷，管系的響應(yīng)也是有差異的。者就是管道應(yīng)力分析出現(xiàn)了靜力分析和動力分析兩種。

2.1 靜力分析的內(nèi)容

靜力分析的內(nèi)容主要有：第一，對壓力載荷作用下一次應(yīng)力的計算，設(shè)定合理的管道應(yīng)力值，避免管道發(fā)生塑性變形損壞；第二，對管道熱脹、冷縮或其他位移受到限制的情況下產(chǎn)生的二次應(yīng)力進(jìn)行分析，將應(yīng)力值控制在允許范圍內(nèi)，避免疲勞破壞帶來的損失；第三，分析管道對設(shè)備的作用力，設(shè)備的受力要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，保障設(shè)備的安全運行。除此以外還要對支吊架受力和法蘭受力進(jìn)行計算。

2.2 動力分析的內(nèi)容

動力分析的內(nèi)容主要有：第一，對管道自震的頻率進(jìn)行深入研究，通過分析管道自震的頻率，得出規(guī)避管道系統(tǒng)共振的方法；第二，分析管道強(qiáng)迫震動的響應(yīng)情況，進(jìn)而能夠掌握管道震動規(guī)律，控制管道應(yīng)力。第三，對往復(fù)式壓縮機(jī)的氣柱頻率和壓力脈動進(jìn)行分析，避免氣柱共振的發(fā)生，將壓力脈動值設(shè)定在合理范圍內(nèi)。

3 管道應(yīng)力分析的重要性

通過前文論述，我們已經(jīng)明確了管道應(yīng)力分析的內(nèi)容，從微觀上來講，通過靜力分析和動力分析的結(jié)合，管道應(yīng)力分析對管系的組成部分進(jìn)行了準(zhǔn)確的計算，將一次應(yīng)力、二次應(yīng)力的安全值進(jìn)行設(shè)定，從而最大程度的減少了外加載荷與應(yīng)力作用對管道進(jìn)行的破壞，在避免管道系統(tǒng)自震和氣柱自震方面發(fā)揮了重要作用；從宏觀上來講，管道的應(yīng)力分析為管道設(shè)計提供了基礎(chǔ)，促進(jìn)了管道安全性評價的得出。管道應(yīng)力分析能夠優(yōu)化化工設(shè)計、推動了安全生產(chǎn)進(jìn)程，并且節(jié)約了材料和資金，實現(xiàn)了安全、合理、效益共存多贏局面。總而言之，管道應(yīng)力分析是一項十分重要的內(nèi)容。

4 改善管系受力狀況的措施

4.1 合理選用和設(shè)置管道支吊架

管道支吊架的選用和設(shè)置對于管系受力狀況的改善有著重要影響，在設(shè)置管道支吊架時，要充分考慮一次應(yīng)力、二次應(yīng)力等因素，采取有效措施規(guī)避一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的影響，對于一次應(yīng)力影響的消除，基本措施是使管道支吊架的設(shè)置必須滿足最大允許跨度的要求，以避免管道受到破壞。對于二次應(yīng)力作用，要選用可以實現(xiàn)管系適應(yīng)變形需要的支吊架。

4.2 增加管道柔性

管道柔性限制著管道自身受力變形的能力，對于管道應(yīng)對外加載荷以及自保的有效程度有較大的影響，增加管道柔性可以增強(qiáng)管道吸收熱漲、冷縮，應(yīng)對其他位移變形的能力。增加管道柔性的措施主要有改變管道走向、選用補(bǔ)償能力大的補(bǔ)償器、應(yīng)用彈簧支架三種。通過以上措施可以改善管系受力狀況，保障管系安全生產(chǎn)。

5 小結(jié)

綜上所述，管道應(yīng)力分析作為管道設(shè)計的基礎(chǔ)內(nèi)容，在優(yōu)化化工設(shè)計、提高化工工業(yè)生產(chǎn)效益方面發(fā)揮著重要作用，在實際的管道設(shè)計在過程中，應(yīng)當(dāng)高度重視管道應(yīng)力分析，不斷進(jìn)行管道優(yōu)化實踐，深化化工設(shè)計理論，在理論與實踐的結(jié)合中，將管道應(yīng)力分析的優(yōu)越性充分展現(xiàn)出來，進(jìn)而推動化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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