管道應力在化工設計中的分析

蔣雨明 賀文良(.濟南石油化工設計院， 山東 濟南 50000；

(2.山東魯新設計工程有限公司， 山東 濟南 250000)

隨著科技的不斷發展，我國的化學研究者在本領域內取得了輝煌的成就?；づc人類的生活息息相關，化工水平的提高，不僅為人們的生活和工作提供了方便、提高了質量，還為社會的健康發展和進步提供了巨大的推動力。管道安全是安全生產的一項重要內容，管道設計專業逐漸成為大學里的熱門專業，通過研究管道產生的應力來判斷管道的安全性，盡可能用最少的錢設計出最合理的管道。

1 管道應力分類

(1)管道一次應力 一次應力是指因壓力或重力等外加荷載而產生的應力。變形程度根據材料不同而不同，有的材料變形不明顯，也就是說屈服點不明顯，所以規定當殘余變形達到0.2%時的應力值，作為“條件屈服極限”，以σ0.2表示。地震載荷、安全閥動作沖擊荷載等產生的力都屬于一次應力。

(2)管道二次應力 管道二次應力是管道由于受到溫度變化所產生的熱脹冷縮或著其他位移受到約束而發生的應力。它的主要特征是具有自限性，也就是說管道局部達到屈服點或小量變形引起持續變形，應力開始重新分布，材料應變達到均衡。熱應力是二次應力。

(3)管道峰值應力 管道峰值應力是指管道局部熱應力或局部結構不連續產生的共同影響疊加到一次應力和二次應力之上的應力增量。峰值應力的主要特征是發生在局部，不會發生顯著的變形，僅在以根源為中心短距離范圍內導致疲勞裂紋或脆性破壞，危害性小于二次應力。

2 管道應力分析主要內容

(1)靜力分析內容 ①分析管道在壓力載荷和持續載荷作用下所承受的一次應力，一次壓力小于等于管道材料的屈服點時，管道不會發生變形和破壞，這時是可靠安全的。②計算分析管道在溫度變化下所產生的熱脹冷縮或管道端點在允許空間內所承受的二次壓力，計算二次壓力可以防止管道材料疲勞破壞。③分析計算管道對工作設備的反作用力，反作用力不要超過廠家提供的工作設備管嘴允許值，否則會破壞工作設備。④計算分析管道支吊架受力和法蘭受力。法蘭主要用來連接兩個管子或兩個設備，精確計算法蘭處的受力可以將外力和力矩折算成當前壓力一般控制在70MPa以下。

(2)動力分析內容 ①分析管道的自振頻率。當管道受到外力干擾后管道仍會用振動，振動所產生的頻率叫自振頻率。分析管道的自振頻率可以有效的防止管道系統發生共振，降低共振產生的危害。②分析管道的受迫振動。受迫振動是指管道的振動頻率和外力的振動頻率相同，影響產品質量。分析管道的受迫振動可以有效的降低管道振動發生的頻率和應力。③分析往復式壓縮機氣柱頻率和脈動，防止氣柱共振，控制脈動值。

3 管道應力優化措施

管道在設計和施工過程中要進行優化改良，讓整個化工生產系統在最佳狀態下運行，壽命達到最長。

(1)合理選擇和安裝管道支吊架 選擇支架時，盡可能選擇能夠控制或減少管道向某個方向發生位移的支架或者可以選擇幫助管道去適應變形的支架。

(2)提高管道的柔性和韌性 ①利用U型彎來改變管道走向，提高管道的自然補償能力。這種補償方法技術含量高低、成本低、簡單易行，在生產中被廣泛采用。②安裝補償器提高管道的自然補償能力。補償器又叫膨脹節，能夠吸收熱作用或溫度變化所引起的尺寸變化，防止管道變形或破壞。③安裝彈簧支架。當管道發生垂直方向的移位時，彈簧支架會伸長或縮短，受力支點會發生變化，就能既不改變管道走向，又能提高管道的柔韌性。

(3)采用管道冷緊法緩解管道應力 管道冷緊法是讓在冷狀態下的拉力去抵消熱狀態下發生的位移，冷緊法只是降低管道固定點的推力和力矩，并未改變應力范圍，不影響管道的疲勞狀態，這種方法簡單易行，廣泛應用在生產中。但是當管道的一次應力、二次應力都沒有超過最大允許值時，可以不采用此種方法。

4 結語

管道設計水平的高低也逐漸成為衡量一個化工企業競爭力高低的重要因素，化工廠選址不同、生產設備不同，配套的管道設計應該隨時變化，管道設計的重要性日益凸顯。在管道設計中，安全生產、優化措施、材料選擇、成本分析等都是管道應力分析的主要研究內容。管道應力分析數據龐大復雜，工作量大，計算過程嚴密，人為進行難度大，一般依靠相關的計算軟件。

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