化工設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力分析

何龍

摘要：管道應(yīng)力分析是化工設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是其非常重要的組成部分。為了讓相關(guān)從業(yè)人員能夠更好地了解管道應(yīng)力分析，本文將圍繞著化工設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹和解釋管道應(yīng)力分析的主要內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：化工設(shè)計(jì);管道應(yīng)力;應(yīng)力分析

1 管道應(yīng)力的概念

應(yīng)力是指一種特定的材料或零件在受到外力的影響時(shí)發(fā)生的一系列的變形。通常情況下，在受到外力的影響下，材料的內(nèi)部會(huì)發(fā)生一些變形，從而導(dǎo)致原子的位置發(fā)生變化。所謂的應(yīng)力，其實(shí)就是指每隔一段時(shí)間，內(nèi)力在整個(gè)界面上的持續(xù)分布的單位面積上的內(nèi)力強(qiáng)度。在按實(shí)際需要進(jìn)行化工產(chǎn)品的輸送時(shí)，管道是一種很重要的輸送媒介。由于化工產(chǎn)品自身的某些化學(xué)性質(zhì)，在輸送過(guò)程中需要對(duì)管道進(jìn)行嚴(yán)格的控制。所以，必須全面地分析管道在使用過(guò)程中所受到的應(yīng)力。

2 化工設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力的分析路徑

隨著社會(huì)的發(fā)展，化工行業(yè)的發(fā)展也越來(lái)越快，很多的化工廠(chǎng)都在不斷地?cái)U(kuò)大自己的生產(chǎn)規(guī)模，同時(shí)也在不斷地提升著自己的生產(chǎn)效率。由此對(duì)管道的設(shè)計(jì)及相應(yīng)的需求也越來(lái)越迫切，這就需要不斷地完善工藝、更新和采用新的工藝、設(shè)備，以增強(qiáng)整個(gè)化工管道的承載力，保證管道的安全、穩(wěn)定。下面對(duì)化工設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力，從三個(gè)方面進(jìn)行分析與探討。

2.1 目測(cè)檢測(cè)分析

在化工設(shè)計(jì)中，主要采用目測(cè)檢測(cè)對(duì)兩個(gè)或更多相似的管道進(jìn)行同步分析。管道應(yīng)力對(duì)其特性的要求是柔性，從而可以通過(guò)計(jì)算相似或相近管道的應(yīng)力狀況，計(jì)算出管道的應(yīng)力集中點(diǎn)。但是，在化工設(shè)計(jì)中，由于缺乏專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)儀器，采用目測(cè)的方法進(jìn)行管道應(yīng)力分析時(shí)，常常會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷。而在進(jìn)行目測(cè)檢查時(shí)，一般都是基于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，所以這種檢測(cè)和分析，一般都是由有經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)完成。但另一方面，由于各種化學(xué)產(chǎn)品的特殊性，在不同的化學(xué)產(chǎn)品中，管道除了柔性特性外，還有其他的特性存在。

2.2 物理方式分析

在化工設(shè)計(jì)中，采用物理方式來(lái)分析管道應(yīng)力，需要采用專(zhuān)業(yè)的物理分析方法。比如對(duì)化工設(shè)計(jì)中管道圖紙應(yīng)做全面的分析，要采用物理手段，應(yīng)力計(jì)算公式等。利用這些物理方法對(duì)化工管道進(jìn)行應(yīng)力分析，可以對(duì)管道的應(yīng)力進(jìn)行基本的了解，判斷其是否達(dá)到化工管道柔性的要求。這種物理分析方法，雖然只是一種比較初級(jí)的分析手段，但它的物理分析精度極高，而且應(yīng)力分析的過(guò)程也比較簡(jiǎn)便。所以在化工設(shè)計(jì)管道應(yīng)力分析中，通過(guò)物理方法來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析推廣速度很快。

2.3 計(jì)算機(jī)應(yīng)力分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用越來(lái)越廣泛。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)可以有效地應(yīng)對(duì)目前的工作環(huán)境。因此，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)來(lái)進(jìn)行管道應(yīng)力分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。這種方法可以通過(guò)專(zhuān)業(yè)的管道應(yīng)力分析軟件來(lái)進(jìn)行分析，同時(shí)還可以建立管道應(yīng)力的仿真模型，并對(duì)管道的工作狀況進(jìn)行仿真，從而大大降低了管道在使用中出現(xiàn)的問(wèn)題。由于采用了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和分析手段，可以達(dá)到很高的精度，所以該方法常用于高精度、大容量的化工管道設(shè)計(jì)。

3 化工管道應(yīng)力分析的主要內(nèi)容

3.1 動(dòng)力分析

在對(duì)化工管道的應(yīng)力分析中，相關(guān)工作人員應(yīng)按自己的工作要求進(jìn)行，包括：

第一，往復(fù)式壓縮機(jī)對(duì)管道應(yīng)力有很大的影響，必須對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)的受力分析。在分析過(guò)程中，必須著重研究往復(fù)式壓縮機(jī)的氣柱頻率和壓力脈動(dòng)對(duì)化工管道的影響，并通過(guò)各種途徑和手段加以合理地控制。這樣可以避免在以后的使用中，因?yàn)楦鞣N原因引起的共振，從而有效保證管道使用的安全性。

第二，在化工管道的使用以及輸送各種化學(xué)介質(zhì)的時(shí)候，會(huì)受到各種不同的外力的影響。在這種條件下，很有可能發(fā)生化工管道的振動(dòng)。所以要充分地分析化工管道振動(dòng)的成因，以保證其安全運(yùn)行。

3.2 靜力分析

靜力分析的工作主要有：

第一，在使用過(guò)程中，如果管道受到外力的作用，管道和其他與之相連的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生反作用力，從而影響管道的正常工作。

第二，在沒(méi)有位移約束的情況下，必須對(duì)化工管道變形、熱脹冷縮等二次應(yīng)力進(jìn)行分析，最后得出相應(yīng)的應(yīng)力統(tǒng)計(jì)。將二次應(yīng)力控制在安全范圍內(nèi)，避免二次應(yīng)力影響管道的正常使用。

4 管道應(yīng)力分析在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

管道應(yīng)力分析工作內(nèi)容，包括準(zhǔn)確建模、真實(shí)描述和正確的計(jì)算結(jié)果三個(gè)方面。要知道，應(yīng)力分析工作執(zhí)行起來(lái)很困難，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，技術(shù)人員必須在工作中不斷地積累和實(shí)踐，才能達(dá)到預(yù)期的效果。其中，建模工作是將已設(shè)計(jì)好的管道布置模型，用適當(dāng)?shù)男问竭M(jìn)行模擬，將其簡(jiǎn)化為符合程序的數(shù)學(xué)模型，真實(shí)性對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大的影響。在進(jìn)行應(yīng)力分析的時(shí)候，技術(shù)人員最關(guān)心的就是與邊界條件有關(guān)的問(wèn)題，如果是在化學(xué)領(lǐng)域，那么就是約束、管口等相關(guān)問(wèn)題的仿真和研究。

4.1 管道熱應(yīng)力以及柔性調(diào)整

管道柔性數(shù)據(jù)是指在變形、熱膨脹和冷收縮時(shí)，發(fā)生位移變形形成的數(shù)據(jù)。業(yè)內(nèi)的設(shè)計(jì)者在實(shí)施管道設(shè)計(jì)工作之初，要充分重視管道的柔性應(yīng)力，并總結(jié)出可能會(huì)影響到管道質(zhì)量的主要因素。這樣既保證了管道的合理布置，又減少了出現(xiàn)事故的概率，防止管道的斷裂和松動(dòng)等。

4.2 管道振動(dòng)的緩解措施

對(duì)于輸送介質(zhì)時(shí)的管道振動(dòng)，技術(shù)人員可以判定它是否長(zhǎng)期處于不利的狀況。如果長(zhǎng)期處于不利的狀況，要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)減小管道的振動(dòng)。首先要選用適當(dāng)?shù)墓懿模簿褪且x用具有良好的抗震性能和彈性的材料。其次，在管路適當(dāng)位置安裝緩沖器，減少管路中的流體脈動(dòng)，從而減少管路的振動(dòng)。在管道設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員可以在管道的拐彎處設(shè)置更為平滑的轉(zhuǎn)角，避免急彎。

結(jié)束語(yǔ)

為保證化工企業(yè)管道的正常工作，保證企業(yè)安全、高效的生產(chǎn)，對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析是非常必要的。同時(shí)，在設(shè)計(jì)與敷設(shè)時(shí)，要充分考慮管道本身的應(yīng)力需求，以及其所處區(qū)域外部環(huán)境的干擾。對(duì)管道的設(shè)計(jì)進(jìn)行嚴(yán)格要求，以達(dá)到全面提升管道柔性的目的，避免因應(yīng)力造成管道斷裂等問(wèn)題，給企業(yè)和職工造成不利影響。在此基礎(chǔ)上，采用相應(yīng)的對(duì)策，減少因應(yīng)力引起的安全隱患，達(dá)到延長(zhǎng)管道壽命、保障職工生命和財(cái)產(chǎn)安全、改善企業(yè)運(yùn)營(yíng)效益的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 張禹，劉銀春，趙會(huì)軍，周昊，于鵬飛，薛崗.基于CAESAR Ⅱ的集氣站放空管道應(yīng)力優(yōu)化研究[J].常州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，33（06）：70-78.