對化工管道設計中的管道應力與柔性設計舉措解析

陳長冬

摘要：本文首先對化工工程設計中管道應力進行了闡述，然后對加強化工管道設計中應力和柔性的設計方法進行了詳細的闡述，通過對管道計算模型的介紹，對管道應力進行研究分析，在研究分析中，主要的內容包括了管道非彈簧支吊架應力計算、管道彈簧支吊架應力計算以及管道對汽輪機進口的推力，為化工管道設計中的管道應力與柔性設計提供一定的依據。

關鍵詞：管道設計;管道應力;柔性設計方法

1.化工工程設計中管道應力概述

在管道應力中，主要包括了動力分析和靜力分析這兩個方面。在進行靜力分析的過程中，其內容主要包括了對壓力荷載作用下的一次應力進行計算，這樣我們就可以得到管道的應力值，然后需要根據數值的情況對管道進行設計。在管道受到脹冷縮影響之后，就會產生二次應力，這樣我們可以保證獲取的數值能夠在允許的范圍之內，從而能夠避免出現疲勞損壞而造成損失的問題。另外，在對設備的作用力進行分析的過程中，也是屬于管道應力靜力分析中的內容之一，在這項分析當中，需要按照嚴格的標準進行執行工作。在動力分析中，其中主要的內容包括了管道系統共振頻率和管道自振頻率這兩個方面。不僅需要對管道的強迫振動進行研究分析，同時還需要對管道振動規律進行分析，這樣就能夠對管道應力進行合理的控制，同時還不僅需要對復式壓縮機的氣柱頻率進行分析，還需要對復式壓縮機的壓力脈動進行研究，這樣在設定氣柱共振產生的壓力脈動值的時候，可以合理的控制在范圍之內。

2.加強化工管道設計中應力和柔性的設計方法

使用ANSYS的情況下，對某工業汽輪機空載試驗主蒸汽管道進行應力計算和建模的過程，首先闡述了對蒸汽管道管口推力和管道應力的判斷標準，既得到了所設計管道的非彈簧支吊架的應力計算值，還獲取了管道對汽輪機進口的推力值，還得到了所設計管道的彈簧支吊架應力計算值，也包括了管道對汽輪機進口的一次、二次應力值。從結果可以知道，在整個主蒸汽管道中，其中一次應力和二次應力都是低于許用值。詳細情況如下：

在這個汽輪機中，是屬于350MW汽輪發電機組鍋爐給水泵驅動用沖動、單軸、單缸、凝汽式汽輪機，其供汽壓力是2.0MPa，額定功率是4.2MW，而供汽溫度是220℃。其中在汽輪機空載試驗主蒸汽管道中，其母管材料是12Cr1MoV，而規格是Φ159mm×8mm。在溫度是20℃的情況下，那么許用應力就是155MPa，彈性模量就是2.08×105MPa。在溫度在20℃～220℃的時候，其中線膨脹系數是在13.76×10-6/℃。在溫度是220℃的情況下，其中許用應力是149MPa，彈性模量是1.99×105MPa。

2.1管道計算模型

對管道應力進行計算的過程中，在運用ANSYS PIPING MODELS時，依照試驗現場的條件，要從蒸汽管道母管的兩個固定點進行開始，然后到汽輪機主蒸汽進汽口進行結束。其中主要包括了彎管段、直管段、支管段、大小頭以及閥門，在支吊架中，其中分類主要包括了固定支架、導向支架滑動支架、以及彈簧支架。

2.2管道應力分析

2.1.1管道非彈簧支吊架應力計算

在固定支架為編號1001和1005的情況下，那么對于分配荷載來說，分別為-1167N和-1708N。在熱態荷載變化中，分別為-1773N和-1709N。其中在工作荷載中，是分別為-2940N和-3416N。而對于冷態荷載變化來說，都是為-2N。在安裝荷載中，分別為-1169N和-1709N。其中在滑動支架中，其編號包括了1007、1002、1004、1006，而分配荷載中，是分別為-777N、-3045N、-5380N、-925N。而熱態荷載變化中，分別為155N、1842N、1470N、119N。在工作荷載中，分別為-622N、-1203N、-3909N、-807N。在冷態荷載變化當中，分別為0N、20N、19N、0N。而對于安裝荷載來說，分別為-777N、-3026N、-5360N、-925N。

2.1.2管道彈簧支吊架應力計算

在對彈簧支吊架應力進行極端的過程中，其中彈簧號為201，那么彈簧的剛度就是1.6665N/mm，而熱位移就是21.15mm，在工作荷載中，其數值為-634N，而安裝荷載是-669N，對于彈簧壓縮量來說，其數值是401mm，荷載變化是在6%左右[1]。

2.1.3管道對汽輪機進口的推力

通過計算之后，其熱態是0.9144Fr+Mr=1078N·m，而冷態是0.9144Fr+Mr=251N·m。在汽輪機進口中，其中直徑是300mm，這時候我們就可以知道26.689De=6227N·m。因此，在汽輪機處于冷態和熱態的情況下，都是能夠對管口推力的判斷標準進行滿足[2]。

4.結束語

綜上所述，現階段人們對安全的重視程度不斷的提高，這樣在保證化工工藝管道安全性的同時，還能夠在一定程度上提高整個工程施工的安全性，因此，在對管道進行設計的過程中，不僅需要重視對應力，同時還需要對柔性設計進行充分考慮，同時還需要保證選擇設計方式的合理性，這樣就能夠保證整個行業的持續發展。在化工工程設計中管道應力中，主要的內容包括了兩個方面：動力分析和靜力分析，在動力分析和靜力分析中，又包括了其他的內容。而在對管道進行設計的過程中，需要建立一定的計算模型，同時還需要對管道應力進行計算。

參考文獻

[1]劉志強.解讀如何正確分析化工管道設計中的管道應力[J].化工管理，2019（26）：202-203.

[2]李國永.石油化工管道設計中基于應力分析的柔性設計分析[J].化工管理，2019（25）：74-75.