淺析壓力管道應力分析

李雪晶

(天津渤海化工集團規劃設計院,天津 300450)

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淺析壓力管道應力分析

李雪晶

(天津渤海化工集團規劃設計院,天津 300450)

提出壓力管道應力分析目的和意義。淺析應力分析對象和內容，探討壓力管道應力分析的步驟。

壓力管道；應力分析；對象；步驟

壓力管道存在于石油、石化、化工、市政等行業，這些行業存在著共同的特點就是工程投資大、項目建設安全系數要求高。而壓力管道應力分析做為壓力管道設計中必不可少的分析程序更是重中之重，不僅為化工設計、管材采購、工程建設提供依據，更為項目建設減少不必要的投資，對壓力管道應力分析進行分析勢在必行。

1 壓力管道應力分析的意義、目的和對象

應力是指構件單位面積上所承受的內力。應力值隨外載荷增大而增大。各種材料對應力承受能力有強度極限，當數據達到或超過材料極限，材料就會發生變形、破裂、失穩等現象，即失效或破壞。應力產生的原因是外載荷(機械載荷或熱載荷)直接產生還是變形協調過程中產生。應力分析法將應力分為一次應力、二次應力及峰值應力。

1.1 壓力管道應力分析意義

工藝裝置能否長期安全生產，具備良好的使用壽命與管道設計的好壞密切相關。通過應力分析可以保證其具有較好的柔性；通過應力分析從而限定對易產生振動的管道的干擾；通過合理布置使其振動頻率錯開震源激振頻率，保證安全生產。

通過壓力管道應力分析可以計算出精確、有效的數據，輔助完成壓力管道設計，減少建設工程投資。通過壓力管道應力分析可以計算管道配件的設計參數，為管道布置提供依據，適當減少配管投資。通過壓力管道應力分析可以為設備、墻體承重提供依據，減少土建工程投資；

壓力管道的設計應能夠適應介質的壓力、溫度和介質的操作條件，分析壓力管道載荷，保證壓力管道強度、剛度、穩定性，保障其安全及經濟效益。

1.2 壓力管道應力分析目的

在滿足規范的許用范圍內，在符合公度的標準下，充分對壓力管道進行載荷和應力、應力與變形的分析，解決管道動力學問題，進而幫助配管進行優化設計。

1.3 壓力管道應力分析對象

壓力管道應力分析絕大部分管道用柔性設計替代管道應力分析，通常如下管道應進行壓力管道應力分析，具體分析對象如下：

1)與儲罐相連、公稱直接在300 mm以上溫度在100 ℃以上的管道；

2)離心壓縮機及往復式壓縮機進出口管道；

3)泵的進出口管道；

4)蒸汽透平、加熱爐、空冷器、反應器、再沸器進出口管道；

5)兩相流、脈動流管道；

6)公稱直徑100 mm及以上、溫度100 ℃及以上、溫度小于-50 ℃及以下的管道。

2 壓力管道應力分析的內容

2.1 壓力管道應力分析基本條件

2.1.1 計算溫度

環境溫度：未提出數據時采用20 ℃做為環境溫度。

計算溫度：也是設計溫度。確定計算溫度時，不僅考慮正常操作條件下的溫度，還應考慮吹掃、開工、停車、除焦、再生等情況最不利的溫度。

2.1.2 計算壓力

計算壓力不小于操作中可能遇到的內壓或外壓與溫度相偶合時的最大壓力。

2.1.3 載荷

復雜管線可能存在壓力、重力、溫度、風、土壤約束、地震及動設備的振動等外力載荷作用，載荷是管道產生應力的原因。

1)壓力載荷

壓力載荷即面載荷，內壓加在內壁面上。介質的內壓是最主要的載荷，也是管道強度計算的主要依據。

2)持續載荷：自重載荷、偏心載荷。

自重載荷：管道及其附件的重量，管內介質的重量和管外保溫的重量，通過給定單元的材料密度和重力加速度施加。

偏心載荷：支、吊架的反作用力，重力作用致使與塔相連的塔器產生。

3)熱脹和端點位移荷載

熱脹荷載和端點位移荷載屬于非垮塌性荷載。管道溫差變化產生的溫差應力，管內介質的溫度變化產生熱脹、冷縮使之變形。管道位移造成附加載荷，安裝管道的約束力形成變形。

4)偶然荷載

偶然荷載包括風荷載、雪荷載、地震荷載、水流沖擊、安全閥動作等產生的沖擊荷載。

不同性質的載荷對管道安全的影響差異顯著。隨著管內介質壓力的增加，管壁應力水平不斷加大，直到破壞，這種狀態稱為應力沒有自限性。管內溫度增加，管壁應力水平加大，達到一定程度時，由于溫差產生的應力逐漸降低，這種狀態稱為應力有自限性。

2.2 壓力管道靜力分析

1)滿足標準規范前提下，進行管道及管道與其相連設備的作用力分析，確保管道、設備安全；

2)防止變形，進行一次應力計算；

3)防止疲勞破壞，進行二次應力計算；

4)保證支吊架和土建結構安全，計算管道位移、管道對支吊架和土建結構的作用力。

2.3 壓力管道動力分析

1)防止地震中管道破壞進行的地震分析；

2)防止機械共振進行的往復壓縮機和往復泵管道的固有頻率和振型分析；

3)防止管道因振動發生疲勞破壞進行的往復壓縮機強迫振動分析；

4)防止管道振動過大進行的往復壓縮機管道氣體壓力脈動的聲學模擬分析、管內氣體氣柱固有頻率和壓力脈動分析；

5)水錘、安全閥泄放荷載和兩相流所產生的支架荷載計算。

2.4 壓力管道的柔性設計

溫度變化時管道系統熱脹的可能性稱為管系的柔性。它反映管道變形的難易程度，它表示管道通過自身變形熱脹、冷縮及其他位移變形的能力。管道的柔性越大，變形就越小。柔性設計基礎條件包含溫度、介質、壁厚、管徑、材質、端點位移等。

設計管道時，管道要有足夠大的柔性和足夠短的長度，這樣可以保證管道既能夠吸收位移應變也能減少投資。通過柔性設計讓整個壓力管道有足夠柔性，能提防因管系自重、溫度、內壓及外荷載或管道支架受限與管道端點附加位移引發的破壞。柔性設計時考慮熱脹冷縮和管道端點附加位移。通過變換管道路徑走向、換用不同形式支架改變支架位置、運用各種補償器吸收較大位移減少管道應力這三種方法可減少管道應力增加管道柔性。

3 壓力管道應力分析的步驟

1)接收與壓力管道應力分析計算的全部資料，并對資料進行整理，確認管道的基本情況。用固定點將復雜管線劃分為簡單管系，盡量采用自然補償。

2)選用正確的校核規范，確認校核工況——載荷。

3)確認計算方法，選用適當的應力分析方法和軟件。用目測法判斷管線是否進行柔性設計；L、U型管系可采用圖表法進行應力分析；立體管系可采用公式法進行應力分析；柔性設計采用計算機分析方法進行；還有根據需要進行大型通用管道計算專用軟件CAESAR II進行專業應力分析或使用大型有限元計算分析軟件。

4)確定臨界管線，劃分手動計算和計算機計算管線。確認是否需要計算機計算管線。

5)如果需要計算機計算管線，需要確認和收集計算條件。計算條件包括管線走向、管道直徑、壁厚、長度、材料、操作壓力、操作溫度，支架位置、形式及管口初始位移等。

6)使用計算機進行應力計算，分析應力計算結果，確認是否合格。若合格，提供計算數據，結束壓力管道應力分析計算。若不合格，設置、調整支吊架位支吊架形式、設置、調整補償器或管線布置等，重新開始1)步驟開始計算。

7)如果不需要計算機計算管線，手算并進行手算過程整理，計算完畢提供計算數據，結束壓力管道應力分析計算。

4 結 語

綜上所述，壓力管道應力分析是壓力管道設計的重要內容，壓力管道應力分析實際上是滿足標準規范下對壓力管道進行包括應力計算在內的力學分析，它關系到管道自身和與其相連的機器、設備、土建結構的安全及工程投資額，通過淺顯分析壓力管道應力分析對象和內容，歸納壓力管道應力分析的步驟供他人參考。

[1] 唐永進. 壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社. 2010

[2] 李堅. 管道應力分析及柔性設計[J].煉油技術與工程，2010(1)

[3] 張利，李巖，魏韜. 石化管道應力分析及支吊架設計綜述[J].化工設計通訊，2009(1)

TQ055.81

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1005-8370(2016)01-34-03

2015-12-07

李雪晶(1979—),女，碩士研究生，從事化工項目設計相關工作。