工業(yè)管道應(yīng)力分析概述

王先建（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330000）

工業(yè)管道應(yīng)力分析概述

王先建（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330000）

為了能夠?qū)I(yè)管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析進(jìn)行較好的研究，本文就工業(yè)管道的應(yīng)力分類、應(yīng)力分析的主要目的和內(nèi)容、應(yīng)力分析方法及分析流程等方面進(jìn)行了論述，并結(jié)合具體的實(shí)例進(jìn)行了分析。

管道應(yīng)力；管道柔性；應(yīng)力計(jì)算

1 前言

工業(yè)管道設(shè)計(jì)主要包括裝置設(shè)備的布置、管道布置、管道材料設(shè)計(jì)和管道應(yīng)力分析四項(xiàng)工作，其中工業(yè)管道應(yīng)力分析是工業(yè)管道設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)和合理的保障和重要方式。

當(dāng)管道在外力作用下不能產(chǎn)生位移時(shí)，管道的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變稱之為應(yīng)變。管道變形的基本形式可分為拉伸（壓縮）、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲四種，受多種荷載作用的管道變形都可視為這四種基本變形的組合。管道的基本變形形式是解決復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)問題的基礎(chǔ)。本文主要針對工業(yè)管道應(yīng)力分析作簡要說明。

2 應(yīng)力概念及特點(diǎn)

管道及其元件能夠承受的最大荷載除與材料本身的物理性能（如材料的剛度和強(qiáng)度）有關(guān)外，還與其規(guī)格尺寸、壁厚、結(jié)構(gòu)形狀、空間布置等有關(guān)。管道及其元件的破壞實(shí)質(zhì)上反映了材料物理性能的破壞，即受力超出了材料性能指標(biāo)。將管道元件的受力與材料物理性能指標(biāo)掛鉤，消除管道元件的規(guī)格尺寸、壁厚、結(jié)構(gòu)形狀等因素的影響而直接以材料的性能指標(biāo)作為設(shè)計(jì)判據(jù)。

應(yīng)力一般隨外力的增加而增長，但對任一管道材料，當(dāng)應(yīng)力超過管道材料能承受的限度時(shí)，材料就會(huì)破壞，此時(shí)這個(gè)極限稱為該材料的極限應(yīng)力。極限應(yīng)力通過材料的力學(xué)實(shí)驗(yàn)來測定。將測定的極限應(yīng)力作適當(dāng)?shù)慕档停?guī)定出材料能安全工作的應(yīng)力最大值，這就是許用應(yīng)力。材料若要安全使用，則在使用時(shí)其內(nèi)應(yīng)力應(yīng)低于其極限應(yīng)力，否則在使用時(shí)材料會(huì)發(fā)生破壞。

材料在工作時(shí)，其內(nèi)部的應(yīng)力可分為靜應(yīng)力、交變應(yīng)力和應(yīng)力集中三種。材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞破壞，材料所能承受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)低于其靜載下的強(qiáng)度極限。另外，材料由于截面形狀的改變而引起應(yīng)力局部增大，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。對于組織均勻的脆性材料，應(yīng)力集中將大大降低構(gòu)件的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。

3 管道應(yīng)力分類

管道在壓力荷載、機(jī)械荷載及熱負(fù)荷等作用下，在整個(gè)管道或某些局部區(qū)域產(chǎn)生不同性質(zhì)的應(yīng)力。

3.1 按應(yīng)力方向

按管道應(yīng)力方向分為：環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力、剪切應(yīng)力。

3.1.1 管道環(huán)向應(yīng)力

管道環(huán)向應(yīng)力又稱為切向應(yīng)力、周向應(yīng)力，簡寫為SP。管道環(huán)向應(yīng)力是由管道內(nèi)壓或外壓產(chǎn)生的。

3.1.2 管道軸向應(yīng)力

管道軸向應(yīng)力又稱為縱向應(yīng)力，簡寫SL。管道軸向應(yīng)力主要包括：內(nèi)壓或外壓所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力、活動(dòng)支架的摩擦力所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力、管道自重和熱膨脹所產(chǎn)生的力和力矩作用在管道上的軸向應(yīng)力以及其他力和力矩作用在管道上的軸向應(yīng)力。

現(xiàn)重點(diǎn)討論管道運(yùn)行和安裝時(shí)因溫度不同而產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。常溫下安裝的管道，當(dāng)運(yùn)行時(shí)，管道內(nèi)溫度與環(huán)境溫度不一致時(shí)，管道會(huì)發(fā)生熱脹冷縮。根據(jù)胡克定律，當(dāng)構(gòu)件橫截面上的正應(yīng)力未超過材料屈服極限時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即SL=E×ε，其中E為材料的彈性模量，表示材料抵抗變形的能力，E越大則抵抗變形的能力越強(qiáng)。ε為管道軸向長度相對變化率，即ε=，其中△L為管道因運(yùn)行時(shí)與環(huán)境的溫差引起的膨脹量，△L=α·△t·L，其中α為管材的線膨脹系數(shù)。

經(jīng)上述推導(dǎo)后，因溫度引起的軸向應(yīng)力計(jì)算公式為：SL= E·α·△t。

3.1.3 管道徑向應(yīng)力

管道徑向應(yīng)力簡寫為Sr，是由管道的內(nèi)壓或者外壓產(chǎn)生，當(dāng)管道承受內(nèi)壓時(shí)，內(nèi)壁的徑向應(yīng)力最大，外壁的徑向應(yīng)力為零。與管道環(huán)向或軸向應(yīng)力相比，管道的徑向應(yīng)力較小，可忽略不計(jì)，但管道外徑與內(nèi)徑的比值大于1.1的高壓管道除外。

3.1.4 管道剪切應(yīng)力

管道剪切應(yīng)力，簡寫為τ，主要由管系的熱脹、自重作用于管道的扭矩和剪力所產(chǎn)生。

3.2 按應(yīng)力對管道的破壞作用

按應(yīng)力對管道的破壞作用，將應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力。

3.2.1 一次應(yīng)力

一次應(yīng)力是指外加荷載，如壓力、重力等作用產(chǎn)生的力。一次應(yīng)力隨外加荷載的增加而增加，且無自限性，當(dāng)其值超過材料的屈服極限時(shí)，管道將產(chǎn)生塑性變形而破壞。因此在管系的應(yīng)力分析中首先應(yīng)使一次應(yīng)力滿足許用應(yīng)力值。

3.2.2 二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是指由于管道變形受到約束而產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它本身不直接與外力相平衡，二次應(yīng)力主要特征有：

（1）管道內(nèi)的二次應(yīng)力通常是由位移荷載引起的，如熱膨脹、附加位移、安裝誤差、振動(dòng)荷載。

（2）二次應(yīng)力有自限性，當(dāng)局部屈服和產(chǎn)生少量塑性變形時(shí)，能通過變形協(xié)調(diào)使應(yīng)力降下來。

（3）二次應(yīng)力是周期性的（除去安裝引起的二次應(yīng)力）。

（4）二次應(yīng)力的許用極限是基于周期性和疲勞斷裂模式，不取決于一個(gè)時(shí)期的應(yīng)力水平，而是取決于交變的應(yīng)力范圍和交變的循環(huán)次數(shù)。

3.2.3 峰值應(yīng)力

峰值應(yīng)力是由于荷載、結(jié)構(gòu)形狀的局部突變而引起的局部應(yīng)力集中的應(yīng)力最高值。峰值應(yīng)力的特征是整個(gè)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何顯著的變形，它是疲勞破壞和脆性斷裂的可能根源，如管道中的轉(zhuǎn)彎半徑處、焊縫咬邊處等處的應(yīng)力。對峰值應(yīng)力的評定，在工程上一般采用應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行簡化求解。

4 工業(yè)管道應(yīng)力分析的主要目的和內(nèi)容

4.1 工業(yè)管道應(yīng)力分析主要目的

管道應(yīng)力分析主要解決管道的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)等問題，為管道的布置、安裝提供科學(xué)依據(jù)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1.1 保證裝置運(yùn)行的安全性

管道布置不合理，將會(huì)使整個(gè)裝置運(yùn)行存在隱患，如管道因熱應(yīng)力而導(dǎo)致管架被推倒、設(shè)備管口撕裂或頂壞、彎頭和三通等焊縫處裂縫、法蘭泄露等；若管道或管系的固有頻率與振源頻率相同則還會(huì)產(chǎn)生共振。這些現(xiàn)象都屬于應(yīng)力分析范疇，通過對管道或管系進(jìn)行應(yīng)力分析，可保證其具有較好的柔性，避免共振產(chǎn)生，保證裝置穩(wěn)定安全運(yùn)行。

4.1.2 保證管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全的要求

管道安全性能的總體要求包括耐壓強(qiáng)度、密封性和耐腐蝕性。

4.1.3 保證管道的柔性

管道的柔性反映管道變形難易程度。在操作工況下，因熱脹冷縮、端點(diǎn)附加位移、支承位置設(shè)置不當(dāng)?shù)仍蚨构艿喇a(chǎn)生應(yīng)力過大、變形、泄露或破壞，影響管道的正常運(yùn)行。管道的柔性指管道通過自身變形吸收因溫度變化引起的位移，降低管道的應(yīng)力，保證管道上的應(yīng)力在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

4.1.4 減少工程投資

通過應(yīng)力分析可合理的布置管架，準(zhǔn)確計(jì)算管架的個(gè)數(shù)及承重，從而減少不必要的土建投資。另外通過應(yīng)力分析可獲得彈簧、管件、補(bǔ)償器等元件的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)參數(shù)，從而使投資更加合理化。

4.2 工業(yè)管道應(yīng)力分析主要內(nèi)容

管道應(yīng)力分析最主要內(nèi)容就是對工業(yè)管道進(jìn)行載荷、應(yīng)力、變形等各類力學(xué)分析，并以此最大程度上避免工業(yè)管道出現(xiàn)變形、位移以及破壞等問題，管道應(yīng)力分析分為靜力分析與動(dòng)力分析兩類［3］。

4.2.1 靜力分析

靜力分析指在靜力荷載的作用下對管道進(jìn)行力學(xué)分析，并進(jìn)行相應(yīng)的安全評定，使之滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，見表1。

表1 靜力分析內(nèi)容

4.2.2 動(dòng)力分析

動(dòng)力分析指往復(fù)壓縮機(jī)和往復(fù)泵管道的振動(dòng)分析、地震分析、水錘和沖擊荷載下管道的振動(dòng)分析，其目的是使地震和振動(dòng)的影響得到有效控制，見表2。

表2 動(dòng)力分析內(nèi)容

5 管道柔性計(jì)算的范圍和方法規(guī)定

管道是否需要進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，一般與管徑、溫度和所連接的設(shè)備有關(guān)，不同國家、不同行業(yè)、不同公司、不同工程經(jīng)常互相參考和借鑒。實(shí)際設(shè)計(jì)中，并非所有的管道都需進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算，也并非所有的計(jì)算都必須通過計(jì)算軟件進(jìn)行。

一般管道應(yīng)力分析方法有：目測法、簡單計(jì)算法、計(jì)算軟件分析法。

5.1 目測法

目測法適用范圍：

（1）與運(yùn)行良好的管道柔性相同或沒有重要變動(dòng)的管道（2）和已分析的管道比較，確認(rèn)有足夠柔性的管道

（3）分析人員具有一定的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

5.2 簡單計(jì)算法

簡單計(jì)算法適用于具有同一直徑、同一壁厚、無支管、兩端固定、無中間約束的非劇毒或非高度危害的介質(zhì)管道。

其柔性計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：D0為管道的外徑，L為管道的伸展長度，U為管道兩端的連線長度，δ為管道總熱位移量，

由于上述公式為簡化計(jì)算，有其局限性，不適用于下列管道：

（1）在劇烈循環(huán)條件下運(yùn)行、有疲勞危險(xiǎn)的管道；

（2）大直徑薄壁管道（管件應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)i≥5）；

（3）與端點(diǎn)連線不在同一個(gè)方向的端點(diǎn)附加位移量占總位移量大部分的管道；

（4）L/U＞2.5的不等腿U型彎管道，或近似直線的鋸齒狀管道。

管道的柔性計(jì)算方法除上式外，還有Grinnell法、Tube Turns法、M.W.KelloggCo.法等。這些方法一般是利用數(shù)據(jù)表或線圖來計(jì)算兩端固定的簡單管道柔性，包括作用力和應(yīng)力范圍，其計(jì)算結(jié)果有一些差異。

5.3 計(jì)算軟件分析法

當(dāng)目測法和簡單計(jì)算法都不能判定管道的柔性，或者規(guī)范要求必須進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析的管道，則需采用計(jì)算軟件來進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析。

目前適用較多的管道應(yīng)力分析軟件有：CaesarⅡ、Atuo Pipe、Triflex等。其中CARSARⅡ適用較為普遍，該程序是進(jìn)行管道靜力分析和動(dòng)力分析的專用程序，功能比較齊全，可考慮管道的非線性約束，如管道與支架之間的摩擦力、限位支架的間隙等，通過計(jì)算可得出設(shè)備管口受力、管架受力、管道的一二次應(yīng)力、法蘭受力、彈簧規(guī)格、各節(jié)點(diǎn)位移和管道振動(dòng)頻率等。

6 應(yīng)力分析流程

對于需要進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析的管道，需要利用應(yīng)力計(jì)算程序進(jìn)行分析，使用計(jì)算機(jī)軟件3D模型做管道布置設(shè)計(jì)的詳細(xì)應(yīng)力分析流程見圖1。

圖1 應(yīng)力分析流程圖

使用應(yīng)力計(jì)算軟件分析管道應(yīng)力的流程見圖2。

7 結(jié)論

管道應(yīng)力分析是管道設(shè)計(jì)中不可或缺的環(huán)節(jié)，管道應(yīng)力計(jì)算為管道布置、安裝提供了科學(xué)依據(jù)，可保證管道及裝置的安全運(yùn)行，同時(shí)也為優(yōu)化管道布置和節(jié)約項(xiàng)目投資提供了思路。

圖2 計(jì)算程序流程圖

［1］梁軍.工業(yè)管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析［J］.山西化工，2005，04：78～80.

［2］萬波，趙浩.管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析［J］.廣東化工，2013，05：161～162.

［3］王洛春.管道應(yīng)力分析軟件在石化工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.化學(xué)工程與裝備，2009，05：121～122.

［4］袁立方.熱力管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析［J］.廣西輕工業(yè)，2009，07：57～58.

［5］吳震，德泊亭.工業(yè)管道設(shè)計(jì)中管道柔性分析的研究［J］.化工管理，2014，05：120～121.

TQ05

A

2095-2066（2016）30-0253-03

2016-10-11