解析化工設計中的管道應力分析

都基環

摘 要：管道應力分析，是化工設管道設計過程中尤為關鍵的一環，而就其中的化工管道設計而言，其又是整個化工工廠設計中一個十分重要的組成部分，因此，為了以一種更為清晰、明了的方式將化工設計中的管道應力分析相關方面為相關讀者呈現出來，本文將緊緊圍繞著化工設計中管道應力分析這一中心主題，對管道應力的類型、管道應力分析的主要內容、應力分析管道的類型、檢測方法以及管道應力的校核規范，管道應力分析軟件的選擇等幾個方面的內容進行闡述和說明。

關鍵詞：化工設計；管道設計；應力分析

前言：如今，我國的各項經濟在經過幾十年的發展過后，正經歷著前所未有的繁榮，而我們應該知道的是，在這繁榮發展的背后，實際上是大量先進設備的部署以及、生產技術的研發和使用。事實上，就如今的化學工業來說，其所使用的生產裝置已經不斷走向大型化和復雜化，而在這種裝置之中，標志性的便是大量高溫、高壓以及大直徑管道的使用。這種使用性能作用的發揮，實際上又離不開對求安全性的評價與檢測，因為只有在安全性得到保障的條件下，整個化工設計才能變得更為可靠。為此，管道分析就是應著這一安全評價和檢測的需求而提出的，但其自身又是一個復雜環節的集合體，我們有必要加強對其的認識和把握。

一、管道應力的種類

在文章開篇之前，我們先對本文的主體—管道應力，進行簡要的分析和介紹，以為接下來對其相關方面的進一步論述奠定一定的基礎。

一次應力是指由于外加荷載，如壓力和重力等的作用而產生的應力。一次應力的特點是：滿足與外加荷載的平衡關系，隨外加荷載的增加而增加，且無自限性，當其值超過材料的屈服極限時，管道將產生塑性變形而破壞。管道承受的介質內壓、自重、介質重量等持續外荷載而產生的應力屬于一次應力。

二次應力是由于管道變形受到約束而產生的應力，它不直接與外力平衡，二次應力的特點就是具有自限性，當管道局部屈服和產生小量變形時應力就能降下來。二次應力過大時，將使管道產生疲勞破壞。在管道中，二次應力一般由熱脹冷縮和端點位移引起。

峰值應力是管道或附件由于局部結構不連續或局部熱應力效應（包括局部應力集中）附加到一次應力或二次應力的增量。它的特點是不引起顯著的變形，而且在短距離內從它的根源衰減，它是一種導致疲勞裂紋或脆性破壞的可能原因。管道附件上小半徑圓角處、焊縫未焊透處的應力，均屬于峰值應力。

二、管道應力分析的主要內容

當然，就管道應力分析來說，其實際上是一個系統性的工作，因為就其自身來說，其主要包括多個內容方面。

管道應力分析的任務，主要是對管道進行載荷、應力、變形等各類力學分析，使管道在設計條件內的各種載荷的作用下，能有效地抵抗不被允許的變形、位移和破壞，保證管道的安全性和經濟性。管道應力分析分為靜力分析（含疲勞分析，風載荷及地震載荷分析）和動力分析。對一般管道，通常只做靜力分析即可，但對一些特殊工況的管道則應做動力分析（如往復泵、往復式壓縮機的進出口管道）。

三、應力分析管道的類型及分析方法

我們知道，就化工廠的管道而言，其有著不同的類型，而這種類型實際上也需要有著不同的分析方法與其相對應，總的來說，常用的應力分析的方法有目測檢驗法、簡單分析法（圖表法、公式法）和計算機輔助應力分析法。管道設計中通常根據介質的危險性、管道操作工況、地震烈度、行業類型等來確定應力分析的方法。

1、目測檢驗法

目測檢驗法不需要進行詳細的應力分析，但需目測者具有相當的工程經驗。與運行良好的管道（或已分析的管道）的柔性相同或基本相當的管道可以采用目測檢驗的方法。

2、簡單分析法

簡單分析法能確保管道有足夠的柔性，盡管不能提供準確的載荷和應力，但這種分析簡單而快速，甚至可以由非專職應力分析工程師來完成。

3、計算機輔助應力分析

使用專門的管道應力分析軟件對管道進行詳細的應力計算和結果分析。計算并分析評定管道各分支點的應力、約束點和端點（設備管口）的力和力矩等。

四、管道應力分析的規范及軟件

事實上，就應力分析而言，其并不是一個簡而易行的工作想，相反的，其需要依據相應的規范，選用相應的軟件，進行嚴格的控制，總的來說，其主要體現在以下幾個方面：

1、規范：

（1）GB50316-2000《工業金屬管道設計規范》（2008 年版）

（2）GB/T 20801-2006《壓力管道規范》

（3）HG/T20645-1998《化工裝置管道機械設計規定》

（4）SH/T3041-2002《石油化工管道柔性設計規范》

（5）GB150-2011《鋼制壓力容器》

（6）JB/T8130.1-1999《恒力彈簧支吊架》

（7）JB/T8130.2-1999《可變彈簧支吊架》

（8）GB 50251-2003《輸氣管道工程設計規范》

（9）GB 50253-2003《輸油管道工程設計規范》

2、軟件：

目前國外工程設計中常用的應力分析的軟件有 AutoPIPE、CAEPIPE、CAESAR、FlowPhase、PIPE-FLO、PipePak、SIMFLEX、ZENPIPE 等。我國自 80 年代初開始引進應力分析軟件，其中以CARSARⅡ在國內工程設計中的應用最為廣泛。近年來一些國產優秀軟件也因其更貼近國人的使用習慣、價格等優勢也得到了越來越多的應用，如長沙優易軟件的 AutoPSA。上述應力分析軟件的優勢領域各不相同，根據工程實際情況選擇合適的軟件，對管道設計和計算將起到事半功倍的效果。

結語：經過上文的分析和介紹，我們對管道應力的種類、應力分析的主要內容、分析方法以及工具等方面的內容有了一定的了解，從中我們可以深刻地認識到，面臨著如今化工產業不斷發展以及大量管道設施使用的嚴峻現實，如何通過相關措施的提出和采用，提升化學化工裝置的安全性能顯得尤為重要和必要。事實上，就管道應力分析來說，其作為一種運用相關方法，對管道的實際情況進行分析和勘查，對于確保和提升管道設施安全性來說，具有十分關鍵的意義，然而，這種關鍵意義的實現，實際上依賴于我們采用合適的管道應力分析方法，嚴格依照相關管道應力規范，并選用合理的軟件，并不斷提升自身的操作能力和操作素養。

參考文獻：

[1]杜志勇.管道應力分析在工程上的應用[J].中國高新技術企業，2011.01endprint