化工設計中管道應力分析的必要性研究

徐齊珍

（南京強思工程技術服務有限公司，江蘇南京 210000）

化工設計中管道應力分析的必要性研究

徐齊珍

（南京強思工程技術服務有限公司，江蘇南京 210000）

隨著我國經濟的迅猛發展，工業技術水平也得到了不斷的提升，化工裝置在國內的需求量不斷增加，管道裝置的直徑越來越大，化工裝置管道的設計變得更加關鍵。對化工管道應力的種類進行分析，分別闡述了管道應力設計的主要內容。最后通過強調化工管道應力在化工設計中的必要性，提出了幾點應對措施，以供參考。

管道應力；化工設計；必要性

在物理學中，管道內力的集度稱為應力，也就是作用在物體單位面積上的力。管道應力的研究對我國的石化行業，電力行業甚至醫療方面都有很大的價值，以下著重介紹管道應力在化工設計中的必要性。

1 化工管道應力的分類

管道承受的最大應力，超過材料的承受極限，使得材料在正常的工作狀態下產生變形，管道在熱脹冷縮、持續外載或經過高溫的蠕變以及應力的松弛等情況下，管系上的應力就發生了變化。因為應力的不同會產生不同的效應，對于應力對管系所引起的破壞，應該采取不同的處理方式。在管道應力中分為三類：一次應力、二次應力和峰值應力。

一次應力：指的是由于外在的壓力，重力，外加荷載而產生的應力。其特點是：無自限性，外加荷載在增加時，一次應力也隨之增加，滿足與外加載荷之間的平衡關系，壓力一旦超過了管道材料的承受能力，管道會因為塑性變形被破壞。由此可見，一次應力的產生是由于持續外荷載而產生，管道承受的持續外荷載是自重、介質重量及介質內壓等。

二次應力：當管系在一些不確定的因素下發生形變時，用來對抗這種變化而產生的力就叫做二次應力，比如熱脹冷縮，或者在管道位移發生變化的情況下。二次應力具有自限性，和一次應力與外加載荷可以保持平衡有所不同，二次應力不能隨外加載荷增加而增大，管道自身能產生塑性變形或者是通過自身局部的變化來降低管道應力，在外加載荷超過了自身的承受極限的時候，管道仍然保持完好，并且進行應力的合理再次分布。

峰值應力：指的是前兩次應力之上的增量。峰值應力一般出現在焊縫沒干透的位置。經常會對管道形成裂紋進而造成脆性損壞，是在日積月累中形成的，其作用并不顯著。

2 管道應力分析的內容

在管道設計的過程中都要進行管道的應力分析，大到工業生產或石油天然氣運輸管道，小到冰箱的制冷設備，管道所處的環境體現了管道應力復雜的特性。這種環境下的應力可以分為靜力分析和動力分析兩種。當外加載荷經過管道的速率緩慢時，管系就有足夠的時間將管道應力進行均勻的分配，在保持平衡的情況下可進行靜力分析。當外加載荷在管道中運動的速率過快，管道來不及將載荷平均分配，讓管系處在不平衡的環境中就要進行動力分析。

2.1 靜力分析

（1）為了避免管道產生塑性的變形破壞，我們要設定合理的管道應力值，對壓力荷載作用進行壓力的計算。

（2）為了避免管系由于自身的變形而帶來損失，控制應力值在可承受范圍之內，所以要對在管道其他位移上受到限制或者熱脹冷縮時產生的二次應力進行分析和整理。

（3）要保障設備的運行安全，要嚴格按照標準去執行設備的受力，分析其對管道對設備的作用力。

2.2 動力分析

（1）規避管道系統的共振要通過分析管道自振頻率，深入研究管道自振的頻率。

（2）控制管道的應力掌握管道的振動規律。要分析管道強迫振動的響應情況。

（3）避免發生氣柱共振，將壓力的脈動值控制在合理范圍，要對往復式壓縮機的壓力脈動和氣柱頻率進行分析。

3 以CA ESARII軟件為例的應力計算范圍

在化工設計中，管道應力的產生是非常復雜的。一般情況下，這幾種應力分析必須通過軟件進行計算，見表1。

表1 管道應力計算

另外，除圖表中所示，在界區外的管廊上相當長的直管，與貯罐相連的DN 300以上的管線等等產生應力的原因復雜的管線都可以用計算機軟件來計算。

4 減少管系應力影響的措施

4.1 合理選用支吊架

設置管道的過程中，適當的選用管道支架，支架的種類會對管系受力有著非常重要的影響。考慮到一次應力和二次應力因素的影響，設置管道支吊架，來避免兩次的應力給管道帶來的不良影響。為了避免管道受到損壞，消除一次應力的影響應該把管道支吊架設置成滿足最大限度的要求，而二次應力的作用影響，在選用支吊架的時候，要看吊架能不能適應管系的變形問題，盡可能的避免其帶來的影響。

4.2 增強管道的柔性

管道的自身由于受力會發生一定的變形，而管道的柔性恰恰限制了這種特性，在對外在荷載有效程度上，管道的柔性發揮了抗形變的作用。在一些特殊的情況下，可以巧妙的使用管道的柔性來抵抗由于外界因素對管道造成的形變。應用彈簧支架、選擇補償能力大的補償器及改變管道走向這三種措施可以使管道柔性加強。通過這三種措施，可以保障管系的安全生產，改善關系的受力情況。

5 結束語

在設計專業中，對于管系的應力分析是管道設計的基礎內容，良好的管系設計可以提高工業生產的效益并且優化工業設備。在管道管系的設計過程中，設計人員要不斷的進行管道優化的實驗，在實驗中得到真理，深化化工設計的理論分析，把理論和實際相結合。在此過程中，充分展現出管道應力分析的優勢，最大程度的推動化工產業向效益共存的多贏局面發展。

[1] 崔廣東.石油化工管道設計的應力分析與柔性設計[J].中國石油和化工標準與質量，2013，（16）：45-46.

[2] 韋征，顧順超.如何正確分析化工管道設計中的管道應力[J].化工管理，2015，（16）：180.

Analysis and Necessity of Pipeline Stress in Chemical Engineering Design

Xu Qi-zhen

With the rapid development of China’s economy，the industrial technology has been improved continuously.The demand of chemical plant is increasing in China，and the diameter of the pipeline is getting bigger and bigger.The design of the pipeline is becoming more and more important.In this paper，the types of stress in chemical pipelines are analyzed，respectively，the main content of the stress design of the pipeline is expounded.In the end，the author points out the necessity of chemical pipeline stress in chemical engineering design and puts forward some countermeasures for reference.

pipeline stress；chemical design；necessity

TQ055.81

A

1003–6490（2016）10–0074–02

2016–10–06

徐齊珍（1984—），女，江蘇淮安人，助理工程師，主要從事管道和設備的設計工作。