如何正確分析化工管道設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力

韋征 顧順超（上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 上海 200240）

如何正確分析化工管道設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力

韋征 顧順超（上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 上海 200240）

在工廠設(shè)計(jì)的過程中，化工管道的設(shè)計(jì)是一個(gè)重點(diǎn)部分。化工管道的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的作業(yè)，設(shè)計(jì)人員需要對壓力容器和化學(xué)試劑等化工材料有一個(gè)詳細(xì)了解才能進(jìn)行化工管道設(shè)計(jì)。過程中最主要的兩個(gè)方面就是材料的應(yīng)用和管道的應(yīng)力分析。應(yīng)用材料的質(zhì)量通常是固定的，因此，我們最應(yīng)該注意的就是化工管道設(shè)計(jì)的應(yīng)力分析。本文主要對化工管道設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)具有的應(yīng)力進(jìn)行提問，探究化工管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，最終得出在工廠設(shè)計(jì)中化工管道的應(yīng)力。

化工管道；設(shè)計(jì)；管道應(yīng)力

近幾年來，我國對化工管道的大量需求，使管道設(shè)計(jì)技術(shù)水平日益提高。在工廠設(shè)計(jì)的過程中，管道的設(shè)計(jì)是最主要的環(huán)節(jié)。而在化工管道設(shè)計(jì)的過程中，最重要的一個(gè)步驟就是分析管道的應(yīng)力。化工管道的應(yīng)力分析是化工管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。只有計(jì)算出化工管道的應(yīng)力，才能開始化工管道的設(shè)計(jì)。因此，我國對化工管道應(yīng)力分析越來越重視，以此來節(jié)約項(xiàng)目的成本和提高項(xiàng)目的效率。

1　化工管道應(yīng)力的分類

應(yīng)力就是在單位面積上，物體在聯(lián)系介質(zhì)力學(xué)的作用下所承受的作用力。其概念強(qiáng)調(diào)的是在單位面積上物體承受的附加內(nèi)力。因此在設(shè)計(jì)化工管道的過程中，要注意的是管道不能在載荷作用下，出現(xiàn)熱脹冷縮、位移或持續(xù)外載等會(huì)使應(yīng)力過大的情況，防止化工管道在作業(yè)的過程中出現(xiàn)塑性變形。這就需要在設(shè)計(jì)化工管道時(shí)對管道的應(yīng)力進(jìn)行嚴(yán)密的計(jì)算和分析，最終以管道的應(yīng)力數(shù)據(jù)來選擇化工管道的材料。而化工管道的應(yīng)力一般分為三種，依次為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。下面筆者就來介紹這三種不同應(yīng)力的特點(diǎn)。

（1）一次應(yīng)力一般是由于外在賦予的荷載而形成的，比如重力或壓力這種外在的作用力。一次應(yīng)力具有非自限性，也就是說，一次應(yīng)力不能有化學(xué)管道自身的抗壓性而抵抗外在作用力，使化工管道自身承受重力或壓力等巨大的外在作用力。同時(shí)，一次應(yīng)力能夠滿足外加荷載所需求的承受力，從而達(dá)到應(yīng)力與外加荷載平衡的目的。而當(dāng)化工管道的材料達(dá)到承受最大力極限時(shí)，化工管道極容易因?yàn)椴牧铣惺苓^多作用力而產(chǎn)生塑性變形，以致管道損壞。因此，當(dāng)化工管道承受風(fēng)載荷、水沖擊、地震震動(dòng)等自然因素影響時(shí)而承受載荷時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力都應(yīng)該屬于一次應(yīng)力。

（2）二次應(yīng)力的化工管道荷載應(yīng)力類型也是在化工管道作業(yè)中比較常見的一種。二次應(yīng)力一般是由于化工管道材料由于受天氣、溫度或其他影響而產(chǎn)生的熱漲或冷縮而產(chǎn)生的。與一次應(yīng)力相反的是，二次應(yīng)力本身是具有自限性的，換句話說就是當(dāng)化工管道材料的載荷超過承受能力的極限時(shí)，管道的局部地區(qū)會(huì)由于承受不住外在賦予的載荷而發(fā)生小區(qū)域的塑性變形，但是在發(fā)生塑性變形的一段時(shí)期之后，化工管道又能根據(jù)自身的張力而平衡自身所承受的應(yīng)力，從而使管道承受的應(yīng)力分布均勻，將塑性變形的區(qū)域的應(yīng)力分散，以保障管道不受損壞。

（3）峰值應(yīng)力是指由于化工管道的部分零件松動(dòng)或脫節(jié)和局部的熱力效應(yīng)的影響而增加到一次應(yīng)力和二次應(yīng)力上的附加應(yīng)力。峰值應(yīng)力與一次應(yīng)力與二次應(yīng)力不同的是，不會(huì)對化工管道引起明顯的塑性變形，但是會(huì)使化工管道從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上慢慢出現(xiàn)裂痕，不斷積累裂痕的量變，最終達(dá)到質(zhì)變，造成管道的損壞。因此，峰值應(yīng)力產(chǎn)生的原因主要是人為破壞和零件的損壞。

2　化工管道降低應(yīng)力的方法

由于化工管道在工廠中具有重要作用，因此，嚴(yán)格意義上講，化工管道需要全部進(jìn)行應(yīng)力分析，并根據(jù)管道的溫度、口徑、壓力、壁厚、所連接的設(shè)備的荷載要求等方面來確定降低應(yīng)力的方法。下面就介紹幾種目前我國設(shè)計(jì)化工管道是應(yīng)用較多的化工管道降低應(yīng)力的方法。

（1）增加管道的柔韌性 這種方法是在化工管道的材料上進(jìn)行改革。運(yùn)用比較柔韌并抗壓能力強(qiáng)的材料，使化工管道的硬件設(shè)施更加完善。在挑選化工管道材料時(shí)，盡量選擇比較柔韌并且不易出現(xiàn)裂痕的材料，這樣會(huì)使化工管道承受峰值應(yīng)力的能力增強(qiáng)，從而達(dá)到不易損壞的目的。同時(shí)，要對化工管道的走向進(jìn)行優(yōu)化，選擇簡單、彎度小、懸空的線路，用指甲來固定化工管道。這樣可以使化工管道少受自然因素的影響，減少一次應(yīng)力的作用力，還能有效地減少工程造價(jià)。

（2）利用冷緊的方法 采用冷緊的方法就是利用一部分的化工管道的熱應(yīng)力來使化工管道的局部實(shí)現(xiàn)熱脹應(yīng)力，在化工管道的熱態(tài)下，對其某一區(qū)域進(jìn)行集中的推理與力矩，以達(dá)到減少區(qū)域的應(yīng)力。這種減少應(yīng)力的方法可以有效地防止化工管道的彎度過大而導(dǎo)致的泄漏現(xiàn)象。

（3）設(shè)置管道支架 化工管道容易損壞的一個(gè)原因就是承受的重力作用力過大。因此，想要減少化工管道承受的應(yīng)力，就要先減少化工管道承受的重力。這時(shí)，就可以利用管道支架來減少化工管道承受的應(yīng)力。在選擇管道支架時(shí)，要注意到支架的材料、性能和承重能力。盡量選用高密度、高硬度、高抗壓度的材料，設(shè)置在化工管道的彎處，以減輕管道彎路的應(yīng)力。

3　結(jié)語

總而言之，在化工管道的設(shè)計(jì)過程中，最重要的莫過于對化工管道應(yīng)力的分析，而分析化工管道的應(yīng)力并不是最終目的，最終目的是把分析的結(jié)果有效地運(yùn)用到減少管道應(yīng)力中。化工管道是工廠運(yùn)行的重點(diǎn)，偷工減料的化工管道很容易造成化學(xué)試劑和有毒物質(zhì)的泄漏，后果將不堪設(shè)想。因此我國在加強(qiáng)對化工管道應(yīng)力分析技術(shù)研究的同時(shí)，還要對化工管道的建設(shè)進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)管，使化工管道的設(shè)計(jì)技術(shù)更上一層樓。

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［3］萬波，趙浩.管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析［J］.廣東化工，2013，（05）.