工業管道應力分析在化工設計中的應用及探討

任飛虎

（山西省工業設備安裝集團有限公司， 山西 太原 030000）

工業管道是工藝流程種類最多、生產環境狀態變化最為復雜、輸送介質種類較多、條件比較苛刻的設備。為了保證工業企業良好的運行環境以及行業之間的激烈競爭，企業對工業管道的設計提出了更高的要求。工業管道應力分析在化工、石油焦化、電力等工業管道設計中占有舉足輕重的位置，工業管道應力分析對工業生產安全、管道的設計優化、工程的材料節約等方面起到了重要的作用。

1 管道應力分析的內容

管道應力分析主要是以靜力分析與動力分析兩種內容為主。從單個關系的角度來看，其對于動態載荷以及同等水平靜態載荷的響應存在著十分明顯的差異性，靜態載荷是載荷被逐漸的施加到管道系統當中，其具備有充足的時間來進行響應同時在系統中進行配置，并且能夠確保系統始終維持均衡性，處于均衡狀態下，各種力與力矩均將被消除，且管道不發生運行。

1.1 靜力分析

1） 計算壓力載荷與持續荷載作用下所產生出的一次應力，可避免出現塑性變形損壞。其一次應力值低于管材最大應力值即性能穩定；2） 計算管道對設備產生的作用力，以避免作用力過大，確保設備能夠始終保持正常運轉。設備管嘴受力應當低于最大限定值；3） 對管道支架受力予以計算處理，以便給予支吊架設計提供依據支持。

1.2 動力分析

1） 往復式壓縮設備的氣、柱頻率分析，主要是為應對氣柱發生共振效應；2） 往復式壓縮設備壓力脈動分析，主要是為實現對壓力脈動值的有效控制；3） 管道自振動頻率分析，主要是為避免管道系統發生共振效應；4） 管道強迫式振動分析，主要是為實現對管道振動頻率及應力的有效控制。

2 工業管道應力分析的主要目的

一般情況下，管道設計工程師在管道配管完成后，需要將臨界管系提給管道機械工程師對管道進行柔性分析與應力計算，對管道進行應力分析主要解決以下幾項問題：1） 計算后需要保證管道各點的應力結果控制在規范標準允許的安全數值內；2） 保證與管道相連接的設備管口載荷符合制造商或者標準規范的要求；3） 使設計管道及其連接部分的安全性保持在規范允許的范圍內；4） 計算管道在約束條件下的不同位置處的載荷；5） 分析不同工況條件下的管道位移從而保證管架選擇的合理性；6） 為了解決管道機械振動、聲頻振動、壓力脈動等問題；7） 使管道設計更加合理化。

3 工業管道應力分析的應用

3.1 管道熱應力和柔性調整

管道柔性是管道通過自身變形吸收熱膨脹、冷縮和其他位移變形的能力。作為設計人員，應在管道圖紙設計初期，充分考慮工業管道柔性應力，對影響工業管道質量因素逐一歸納。對管道鋪設進行合理設計，降低相關問題發生幾率，杜絕管道斷裂、支撐松散等不良事故的發生。此外，設計管理人員還應從成本因素環節，考慮如何縮短管道長度，降低成本。在考慮管道柔性應力的因素中，除考慮外界環境問題對管道影響外，還可根據實際情況對管道支撐端點進行調整。

3.2 管道振動的緩解措施

在工業管道介質的輸送過程中，往往會發生管道振動的現象。若是管道長期處于振動狀態會造成管道疲勞發生破環，由此引發管道斷裂介質泄漏的情況，有毒可燃的介質可能會引發生產事故。消減管道振動的措施：1） 管道材質的選擇。為了減輕振動，首先要選擇抗震性能較強、彈性較好的材料。2） 在管道系統適當的位置設置緩沖器或孔板，降低流體脈動強度，可在一定程度上減弱管道振動。3） 在管道設計過程中，管道彎頭處避免急轉彎。因此在管道安裝中盡量減少使用彎頭或者減小彎頭的角度。4） 在材料強度允許的條件下，選擇直徑較大、管壁較薄的管道。

3.3 支吊架的合理設置

管道應力分析過程中正確的設置管道支吊架也是至關重要的。如果安裝位置不合理會使得管道在運行中破壞管道的組成件，使生產無法穩定運行。對于保證支架的合理設置應符合以下幾點要求：1） 承重架需要控制一定間距保證管道撓度；2） 充分利用管道的自然補償滿足管道的柔性要求；3） 管道位移不允許超出管托的寬度；4） 不同場合選擇不同型式的支吊架。

3.4 采取冷緊施工方法

應用冷緊方式能夠實現對管道在初期運行過程中的對端點推力及力矩的有效降低。冷緊方式是促使管道內的部分熱應力集中于冷態處，進而減小管道在熱態效應下的熱脹力以及對端點推力及力矩，由此亦可避免法蘭連接位置因為彎矩過大而出現泄漏現象。而冷緊并不會導致熱脹應力范圍發生變化。

4 結語

總而言之，在管道設計專業中管道應力分析是最重要的一項基礎性工作內容，因此很有必要對管道應力展開相關的分析工作。同時考慮到管道應力分析過程的復雜性，以及所要分析的內容數量眾多，基于這一現狀情況下要實現對管系受力狀況的有效改善，則應采取加強管道柔性、采用冷緊施工方法、合理布設管道支吊架等方式。