管道應力分析概述

劉豫（青島海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101）

管道應力分析概述

劉豫（青島海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101）

本文介紹了管道應力的分類、應力分析常用標準以及管道分析的主要內容，運用CAESARII對管系模型進行應力分析，通過合理優化管道布置以減小應力所造成的影響。本文結合工程實例分析管道應力所帶來的影響，深化了對管道應力安全的認識。

應力分析；軟件；支吊架

1 管道應力分析概況

1.1 進行應力分析的原因

管道在運行過程中可能存在壓力、重量、風、地震、設備震動等外力產生的荷載，而荷載是產生應力的主要因素。管道應力分析的目的是防止管道疲勞及塑性變形破壞，保護設備正常運行，為支架設立提供依據。根據應力分析的結果，通過調整管道的走向、增加支吊架或補償器的方法，保證與管道相連的設備和結構設施的安全。

1.2 進行應力分析的管線類別

在設計過程中，滿足以下條件的管線需要應力計算：極端溫度（高溫、低溫）、高壓、大直徑薄壁管道、劇烈工況運行、和泵、壓縮機、反應器等設備相連的管道等。[1]

2 壓力管道應力分析

2.1 應力分析常用標準

壓力管道的校核標準根據管道內不同的介質類型，可劃分為幾類不同的校核標準。國內常用的幾種標準，工藝管道參照GB 50316《工業金屬管道設計規范》；輸油管道參照GB 50253《輸油管道工程設計規范》，同時可參照SH/T 3041《石油化工管道柔性設計規范》[2]。國外標準通常使用美標ASME，包括：

ASMEB31.1Powerpiping——動力管道

ASMEB31.3Process Piping——工藝管道

ASME B31.4 Pipeline Transportation Systems for liquids and slurries

——液態烴及其他液體管線輸送系統

以上國內外標準主要針對管道系統，在計算管嘴受力、動力分析時還應參照壓力容器及各類動設備的設計規范。使用不同標準得出的計算結果也不盡相同，選擇適當的標準能讓計算結果更接近實際工況。

2.2 管道布置及模型的建立

管道應力分析包含靜力分析及動力分析。靜力分析包括了管道的一次應力及二次應力，管道對設備、支吊架及法蘭的受力分析；動力分析主要為振動設備的頻率分析。改變管道應力可從多個方向著手，加強設備管口防止作用力過大，分析振源找出控制管道振動及應力的對策等。常用方法是在管系中合理設置支吊架及改變管道布置以增加管道柔性，達到減小應力及振動的目的。簡單管系模型可進行簡單手算，復雜管系需要用軟件建模計算，計算結果經審核無誤后作為正式文件保存。

2.3 合理選用及設置支吊架

合理設置管道支吊架能在滿足一次應力的的前提下，減小二次應力、管系震動所造成的影響。

管道支吊架按其主要功能可分為三大類：承重支架、限至支架、減振支架。每個類別中又包括幾種不同功能的支架，如承重支架中的剛性支吊架，適用于無垂直位移的場合；限至支架中的導向架，適用于管線有軸向位移，但需限制橫向位移的場合；減振支架中的減振器則用于限制管道的振動[3]。

支吊架的設置有幾個要點：在集中荷載較大的管件處設置承重支架；承重架距離不大于管道的最大跨距；敏感設備（泵、壓縮機等）附近設置彈簧支架，減少設備管嘴承受的管道荷載；振動管道的支吊架應獨立于建筑物、構筑物，防止將振動傳遞到建筑物上；需要詳細應力計算的管道，根據應力計算的結果設置支吊架。

2.4 增加管道的柔性

管道柔性反映了管道變形的難易程度,表示管道通過自身變形吸收熱脹、冷縮和其它位移變形的能力。通常采用以下三種方法來增加管道柔性,改善管系的受力狀況:一是改變管道走向,增加管道的自然補償能力。為增加管道柔性，通常在長直管段增加“π”型及“U”型彎，增加管系的熱位移。二是選用膨脹節。通過膨脹節波紋管的伸縮變形，可以有效吸收管線由于溫度變化原因產生的冷熱位移，減小管線受到的應力。三是選用彈簧支吊架。彈簧支吊架用于減少位移應力，設置后可以獲得恒定的支撐力，減少管線的附加應力[4]。

表1 部分管道節點應力分析結果

3 管道應力實例分析

某裝置輸油管道采用φ273X7.8的20#無縫鋼管，由泵輸送到相鄰儲罐。該管道的設計壓力1.2MPa，溫度80℃。CAESAR II中建模如下（圖1），泵出口、儲罐入口設置固定點，在閥門等有集中荷載處設置承重支架，根據管道跨距及管道走向設置導向架。

圖1 CAESAR II中的管道模型

建立模型后，選用ASME B31.3對管道應力計算進行矯正。由于計算結果較多，現列出部分管道節點的應力情況（表1），所有應力分析結果均符合ASMEB31.3中的要求。

4 結語

管道的動力分析比較復雜，需根據與管道相連的振動設備建立對應的數學模型計算。對于管道靜力分析而言，設置管道支吊架可以承受管系自身荷載及外部荷載，將一次應力控制在許用應力范圍內；同時通過限制管道不同方向的位移，達到調整和改善管系應力分布的目的。改善管道的柔性方式有多種方式，從經濟型及安全性的角度分析，首先應嘗試管道的自然補償，如果因為空間受限或經濟核算數據時，可適當選用補償器。本文主要概述了壓力管道應力分析的目的及應對方法，說明了應力分析在管道設計中的重要性，對于管道設計工作中的應力分析提供了有效的借鑒方法。

[1]唐永進.壓力管道應力分析.中國石化出版社[M].

[2]唐永進.壓力管道應力分析的內容及特點.石油化工設計[J].2008.25(2):20-24.

[3]SH/T 3073-2004石油化工管道支吊架設計規范.[M]中國石化出版社.

[4]許文欣,張強.化工設計中的管道應力分析.遼寧化工[J].2003.32(3):117-119.