關于壓力管道應力分析的內容研究

劉鵬福

摘要：壓力管道廣泛的應用在石油化工.天然氣等行業的物質運輸過程中，并且發揮著十分重要的作用，能夠保證原料與產品的正常運輸。在壓力管道運行時，其應力情況會受到多方面因素的影響，包括管道系統的內部因素與來自外界環境的因素，想要對壓力管道應力情況進行分析，必須準確掌握壓力管道的實際運行狀態，才能獲得更加準確的分析結果。

關鍵詞：壓力管道;應力分析;內容及特點

1壓力管道應力分析的重要性

在石油化工，天然氣等行業中，壓力管道發揮著十分重要的作用，在應用壓力管道進行物質運輸的過程中，為了保證其運行的安全性與可靠性，必須對管道應力情況進行全面的分析。壓力管道應力是指單位面積的管道構件上承受的內力，其在外力載荷的作用下產生更大的值，如果應力的大小超過了管道材料能夠承受的范圍，就會造成管道出現失穩變形破裂等事故。

2壓力管道應力分析的內容

壓力管道應力分析內容包括管道應力分析工作的任務和工作過程、管道應力分析基礎知識、壓力作用下管道組成件的強度設計，管道允許跨距的計算、管道應力分析的安全評定方法、管道的柔性設計、管道應力分析中的特殊問題（夾套管和埋地管的分析、安全閥排氣反作用力的計算、水錘荷載的計算高壓管逍的應力分析）、管道支吊架的設計選用原則、往復壓縮機管道的防振設計、各種管道振動問題.有限元法在管道應力分析中的應用、管道應力分析程序介紹。

2.1管道應力分類

壓力管道應力分類的依據是應力管道強度破壞所起的作用，其作用大小取決于應力產生的原因和應力的作用區域及分布形狀，通常將壓力管道中的應力分為：一次應力二次應力、峰值應力。

（1）一次應力

一次應力是指平衡外加機械載荷所必須的應力，它必須滿足外載荷與內力及內力矩的精力平衡關系，隨外載荷的增加而增加，且不會因達到材料的屈服點而自行限制，因此具有非自限性的特征，另外，當一次應力超過屈服點時將引起管道總體范圍內的顯著變形或破壞。所以應該嚴格控制一次應力，以防止過度的塑性變形導致管道的失效或破壞。一次應力還可以分為三種：一次總體薄膜應力、一次彎曲應力、一次局部薄膜應力"。一次總體薄膜應力是指沿厚度方向均勻分布的應力，等于沿厚度方向的應力平均值。其達到材料的屈服點就意味著管道在整體范圍內發生屈服，應力不重新分布，而是直接導致破壞。一次彎曲應力是指沿厚度線性分布的應力。它在內、外表面上大小相等、方向相反。這種應力在達到屈服極限時，只是表面屈服，如果繼續增加載荷，則屈服加深，直至最后破壞，因此其破壞時的應力大于一次總體薄膜應力一次局部薄膜應力是在結構不連續區由內壓或其他機械載荷產的薄膜應力和結構不連續效應產生的薄膜應力，通常其應力水平大于一次總體薄膜應力。

（2）二次應力

二次應力是指由于熱脹，冷縮和其他相鄰部件的約束或結構的自身約束所引起的應力。二次應力不是由外載荷直接產生的，因此當荷載超過材料的屈服極限時，管道局部的屈服或少量塑性變形使下降的應力重新分配，使材料的應變達到自均衡，所以二次應力的作用不是為平衡外載荷，而是結構在受載時變形協調而使應力得到緩解。由于二次應力自限性的特點使它比一次應力更危險，受到更嚴格的限制。

（2）峰值應力

峰值應力是由于載荷、結構形狀突變而引起的局部應力集中的最高應力值，其特點是不引起顯著變形，而且在短距離內從它的根源衰減，是一種引起疲勞破壞或脆性斷裂的可能根源。

1.2管道應力分析的任務

管道應力分析分為靜力分析和動力分析：

（1）管道靜力分析的任務管道靜力分析的目的是保證管道柔軟性，吸收因熱脹冷縮及端點位移產生的變形，使管道各個節點一次、二次應力小于其許用應力，靜力分析的主要內容是：第一.為了給彈簧支架的選用提供依據，防止管道碰撞和支吊架位移過大，計算管系位移;第二.為保證因對設備作用力過大而引起的設備或機器的安全，計算管道對與其相連的設備或機器的作用力;第三為保證管道因為塑性變形而引起的自身安全，計算壓力載荷和持續載荷作用下的一次應力;第四。為了給支吊架的設計提供依據保證支吊架和土建結構的安全，計算管道支吊架的受力;第五.為滿足標準規范需求防止因金屬產生疲勞而引起的破壞，計算管道因熱脹冷縮、端點附加位移等位移載荷作用下的二次應力;第六.為防止法蘭泄漏，計算管道上法蘭的受力。

（2）管道動力分析的任務

管道的動力分析的目的是保證管道管系具備--定的剛度，避免在干擾力的作用下發生強烈的振動，動力分析的主要內容是：第一.分析地震時對管道產生的應力，防止管道在地震中發生破壞;第二，分析往復壓縮機和往復泵管道的固有頻率和振型，防止管道系統發生共振;第三.分析往復壓縮機管道的強迫振動，控制管道的振動應力，防止管道因振動發生疲勞破壞;第四.分析往復壓縮機管道氣體產生的壓力脈動，計算管內氣體的氣柱固有頻率和壓力脈動，避免氣柱共振和壓力脈動過大，從而防止管道的振動過大。

（3）壓力管道的柔性

管道柔性是反映管道變形難易程度的一個物理概念，其設計基礎條件是溫度、介質、壁厚，管徑.材質.端點位移等，設計的目的是保證管道在設計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、端點附加位移.管道支撐設置不當等原因，造成管道應力過大引起的金屬疲勞或因管道推力過大造成支架破壞、管道連接出產生泄漏管道推力或力矩過大，使與其相連接的設備產生過大的應力或變形，影響設備正常運行的問題。管道的柔性越大，所產生的熱應力就越小，也就是說，管道的柔性越大，，變形就越小。因此，為減少因熱脹冷縮或位移產生的變形，增大管道柔性的措施有：第一.改變管道走向以增加管道柔性;第二。增加管系的長度可以增加管道的柔性，增加與其垂直的管道的長度可以減少管系的剛性;第三選用彈簧支吊架，在吊架處存在的垂直位移，可以將約束放松，增加管道的柔性。

3結束語

由于我國正處于發展中國家的行列之中，工業化的建設正在如火如茶的展開，各類工業建設中都會涉及到壓力管道的使用。尤其是化工類的流程工業工程中，由于需要大量管道輸送介質物料，形成完整的生產系統。

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（作者單位：江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院? 江蘇徐州）