關(guān)于化工設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力的研究

豈洪志常少博

（1湖南中化恒科工程設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長沙 410000）

（2河南省發(fā)展燃?xì)庥邢薰荆幽?鄭州 450000）

關(guān)于化工設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力的研究

豈洪志1常少博2

（1湖南中化恒科工程設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長沙 410000）

（2河南省發(fā)展燃?xì)庥邢薰荆幽?鄭州 450000）

在化工設(shè)計(jì)中，管道設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵，設(shè)計(jì)管道過程中必須首先對管道應(yīng)力進(jìn)行分析，打好設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。本文主要介紹了化工管道應(yīng)力的幾大分類及管道應(yīng)力的主要分析內(nèi)容，同時(shí)提出了化工設(shè)計(jì)中減少管道應(yīng)力影響的相關(guān)技術(shù)措施。

管道應(yīng)力；化工設(shè)計(jì)；分類；應(yīng)力計(jì)算范圍；技術(shù)措施

化工設(shè)計(jì)中必須首先為管道應(yīng)力給出合理設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而促進(jìn)安全生產(chǎn)進(jìn)程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本節(jié)約目標(biāo)。就目前發(fā)展來看，化工設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力設(shè)計(jì)研究已經(jīng)成為行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的主流趨勢。

1 管道應(yīng)力的基本內(nèi)涵與分類

1.1 管道應(yīng)力的基本內(nèi)涵

管道應(yīng)力主要指管道在受到外力作用過程中，管道內(nèi)部產(chǎn)生抵抗外力作用的對應(yīng)內(nèi)力，該內(nèi)力會與外力形成彼此之間的相互作用，希望將外力所導(dǎo)致的管道形變恢復(fù)到受力前原始狀態(tài)。所以說，管道某處受外力產(chǎn)生形變位置一定也會同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)內(nèi)力。

1.2 管道應(yīng)力的基本分類

管道應(yīng)力并不是單一內(nèi)力，它也存在多種類型。但從本質(zhì)上來講管道應(yīng)力會伴隨外力作用同時(shí)產(chǎn)生，是相對應(yīng)的一種力。當(dāng)然，管道在受到不同外力應(yīng)力后，其所產(chǎn)生的內(nèi)力應(yīng)力類型也會有所不同。具體來講，管道應(yīng)力主要包括以下3種。

首先是一次應(yīng)力，它是指在受到外在重力、壓力、外加荷載與介質(zhì)內(nèi)壓等等外力作用下所相應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)力應(yīng)力。該一次應(yīng)力的基本特征就是沒有自限性，當(dāng)外加荷載不斷增加過程中，一次應(yīng)力也會相應(yīng)增加，但它始終滿足與外加荷載間的應(yīng)力平衡關(guān)系。但當(dāng)壓力超過管道材料承受能力范圍時(shí)，管道就會發(fā)生塑性形變最終被破壞。所以說，一次應(yīng)力的產(chǎn)生主要以持續(xù)外荷載應(yīng)力為主。而一般管道所承受的持續(xù)外荷載則主要以管道自重、介質(zhì)內(nèi)壓及介質(zhì)重量為主。

其次是二次應(yīng)力，化工設(shè)計(jì)管道會受到一些外界不確定因素影響，進(jìn)而導(dǎo)致形變現(xiàn)象發(fā)生，用來對抗這種形變所產(chǎn)生的管道應(yīng)力就是二次應(yīng)力。比如比較常見的熱脹冷縮現(xiàn)象，管道位移形變現(xiàn)象等等。二次應(yīng)力其自身是存在一定自限性的，這種自限性并不能像一次應(yīng)力那樣可以保證外加荷載平衡，換言之二次應(yīng)力不能隨外加荷載的增加而相應(yīng)增大，但管道能通過自身局部變化來有效降低管道應(yīng)力。如果外加荷載超出管道自身承受荷載極限，管道依然還能保持完好不被破壞，然后再對應(yīng)力進(jìn)行二次分布。

二次應(yīng)力的具體評定標(biāo)準(zhǔn)為σE≤[σ]A，在該評定標(biāo)準(zhǔn)公式中得出以下兩式：

上述兩式要以管道平面內(nèi)與外彎曲部位的相同應(yīng)力作為增大系數(shù)，其中應(yīng)力增大系數(shù)為i，當(dāng)應(yīng)力增大系數(shù)在疲勞破壞循環(huán)次數(shù)相同狀況下，管道的彎曲應(yīng)力就會作用于管件的名義彎曲應(yīng)力之上。另外在二次應(yīng)力影響下，管道也會受熱膨脹并產(chǎn)生一定伸長量，它的數(shù)學(xué)公式為：

一般鋼管的a值取值為α=1.2×10-5m/m·℃，這也是針對供熱管道的強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算它的熱膨脹與冷縮、內(nèi)壓及外部荷載作用力所引發(fā)的力矩和應(yīng)力，判斷管道設(shè)計(jì)是否安全經(jīng)濟(jì)。

第三是峰值應(yīng)力，峰值應(yīng)力屬于前兩種應(yīng)力的增量表現(xiàn)。如果管道附近出現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)問題或局部熱應(yīng)力效應(yīng)問題，就要在管道的一次及二次應(yīng)力層面??上增加新應(yīng)力增量，即增加峰值應(yīng)力。峰值應(yīng)力一般會體現(xiàn)在管道焊縫位置或未焊透問題，但整體上峰值應(yīng)力的作用不甚明顯，它是在長時(shí)間中慢節(jié)奏逐漸積累形成的，對管道的破壞也是日積月累效果，一般來說會在3年內(nèi)對管道形成疲勞裂紋，最終造成管道的脆性破壞現(xiàn)象[1]。

2 管道應(yīng)力分析的基礎(chǔ)內(nèi)容及重要性

2.1 管道應(yīng)力分析的基礎(chǔ)內(nèi)容

化工設(shè)計(jì)管道在應(yīng)力分析過程中要考慮到其應(yīng)力本身的復(fù)雜特征，主要分為靜力分析、動力分析兩種。如果外加載荷經(jīng)過化工管道速率較慢，其管道管系內(nèi)部應(yīng)力能夠均勻分配，保證內(nèi)外力應(yīng)力平衡，此時(shí)就要進(jìn)行管道應(yīng)力的靜力分析；如果外加荷載在管道中運(yùn)動速率過快，管道本身可能無法及時(shí)進(jìn)行載荷平均分配，此時(shí)管道內(nèi)外應(yīng)力必然出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，在如此環(huán)境下，必須進(jìn)行動力分析。

首先談靜力分析，由于管道塑性變形會對管道本身帶來破壞性影響，所以必須為管道設(shè)定應(yīng)力值，同時(shí)對壓力荷載作用進(jìn)行計(jì)算。再者，要控制應(yīng)力值在管道可承受極限范圍之內(nèi)，避免管道由于位移而造成應(yīng)力受限，同時(shí)充分考慮熱脹冷縮所造成的二次應(yīng)力問題，對它進(jìn)行有效分析與整理；最后，靜力分析也能夠間接保障設(shè)備運(yùn)行安全，一般來說要按照基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)置設(shè)備受力范圍，并同時(shí)分析化工管道對設(shè)備的真實(shí)作用力。

其次談動力分析，首先必須規(guī)避管道系統(tǒng)中所存在的共振效應(yīng)，主要要分析化學(xué)管道的自振頻率。第二要準(zhǔn)確把握管道應(yīng)力振動規(guī)律，并分析管道在強(qiáng)迫振動下的實(shí)際響應(yīng)狀況。最后要盡量避免發(fā)生氣柱共振現(xiàn)象，將壓力脈動值始終控制在合理范圍之內(nèi)，并對復(fù)式壓縮機(jī)壓力脈動氣柱頻率進(jìn)行全面檢查確定[2]。

2.2 管道應(yīng)力分析的現(xiàn)實(shí)意義

在明確了靜力與動力分析之后，應(yīng)該從微觀角度來組合二力，基于化學(xué)管道的應(yīng)力分析結(jié)果來進(jìn)行一次、二次應(yīng)力的安全值精細(xì)計(jì)算和設(shè)定，最大限度減少管道外加荷載應(yīng)力對管道的破壞作用。整體來看，管道應(yīng)力分析能夠?yàn)楣艿涝O(shè)計(jì)提供技術(shù)保障基礎(chǔ)，提高管道安全性評價(jià)質(zhì)量，優(yōu)化管道化工設(shè)計(jì)過程，促進(jìn)企業(yè)安全生產(chǎn)，大量節(jié)約材料資金成本。所以說，化工管道應(yīng)力分析及設(shè)計(jì)能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來多贏局面，尤其對企業(yè)生產(chǎn)效率提高有很大促進(jìn)作用。

3 降低化工設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力影響的相關(guān)技術(shù)措施

3.1 基于CA ESARII軟件計(jì)算管道應(yīng)力范圍

考慮到管道應(yīng)力產(chǎn)生的復(fù)雜性，所以要在多種應(yīng)力分析條件下，通過軟件計(jì)算它們的管道應(yīng)力范圍，如表1。

表1 化工設(shè)計(jì)管道的盈利計(jì)算數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，在管道外部管廊位置直管與貯罐直接相連，并利用DN300以上管線進(jìn)行連接，產(chǎn)生應(yīng)力。在滿足D/T＜100的條件下，CA ESARII軟件計(jì)算的管道應(yīng)力范圍值都準(zhǔn)確有效，這其中D代表了主管管徑，d代表分支管管徑[3]。

3.2 降低管道應(yīng)力影響的技術(shù)措施

為了降低應(yīng)力對化工設(shè)計(jì)管道的形變影響，本文主要提出了兩點(diǎn)降低管道應(yīng)力的主要措施。

首先，要為管道內(nèi)部合理設(shè)置支吊架，其支架的種類選擇與管道受力影響有直接關(guān)系，所以要具體考慮一次應(yīng)力與二次應(yīng)力的實(shí)際影響，特別在設(shè)置管道支吊架過程中避免由二次應(yīng)力所造成的管道不良受力影響。同時(shí)，也要保護(hù)管道不受損壞，最大限度消除一次應(yīng)力影響，滿足支吊架在管道中設(shè)置的最大應(yīng)力限度要求。

其次，要有效增強(qiáng)管道柔性，通常情況下，化工設(shè)計(jì)管道會根據(jù)受力來發(fā)生變化，產(chǎn)生管道變形結(jié)果，但是管道柔性卻能有效限制管道形變。特別是在某些特殊狀況下，應(yīng)該合理利用管道這一柔性特征來抵抗外界環(huán)境可能帶來的管道外力形變問題，例如采用彈簧支架、或者選擇某些補(bǔ)償能力較為強(qiáng)大的補(bǔ)償器來調(diào)整管道走向，進(jìn)一步增強(qiáng)管道柔性，改善管系內(nèi)部的多種應(yīng)力相互受力關(guān)系，確保管道管系始終安全[4]。

4 結(jié)語

可以見得，管道應(yīng)力分析對管道設(shè)計(jì)而言至關(guān)重要，它間接幫助工業(yè)生產(chǎn)效益提升，因此企業(yè)工程應(yīng)該重視對化工設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力的深層次研究分析，推動化工產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展。

[1]韋征,顧順超.如何正確分析化工管道設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力[J].化工管理,2015(16):180-180.

[2]冷霜.管道應(yīng)力分析在大型空分項(xiàng)目中的應(yīng)用[J].化工管理,2015(12):134.

[3]陳樂.燃?xì)夤艿缿?yīng)力計(jì)算方法與應(yīng)用[J].上海煤氣,2008 (6):14-15,39.

[4]徐齊珍.化工設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力分析的必要性研究[J].化工設(shè)計(jì)通訊,2016,42(10):74,76.