化工管道設計中的管道應力設計

劉金鳳

（河北寰球工程有限公司，河北涿州 072750）

隨著時代的發展，我國化工企業步入高速發展階段，為此，化工管道規劃是化工企業的重要內容?；て髽I由于其產品的特殊性，決定了它屬于潛在高風險企業，對其管道的運行設計首要考慮其安全性能。管道應力是化工管道常出現的問題之一，故在化工管道的設計工作中，對其應力的設計關注舉足輕重。

1 化工企業管道的應力分類

1.1 一次應力

一次應力，即管道由于外載負荷過重而產生的自然物理現象，其主要指的是設計階段中，管道遇到的重力導致的應力以及管道自身由于輸送原料的自身重力產生的應力。由于一次應力具有沒有限制的特性，在實踐中，化工管道無法通過抗壓性來應對一次應力，其呈正比，無法避免。但是，由于承受壓力的大小不同，對管道產生的作用力也存在千差萬別，因此，管材本身的性質、管道的設計往往可以對其受一次應力后產生的變形程度起決定性因素，為此，在進行化工管道的設計過程中，應充分考慮一次應力的不可抗性，在實際應用中可能產生的管道壓力值進行合理的預判，并采取相應的緩解措施?？梢赃M行管道應力分析計算以后存在強度更高一級的管材，在設計層面克服一次應力對管道未來運行產生的變形危害。

1.2 二次應力

二次應力一般是受管道在運行溫度的影響產生的應力現象，二次應力與管材自身的性能有著密切的關系?；瘜W工業管道的二次次應力一般由運行中的溫度因素對化工管材材料產生的脹縮引起的。對于一次應力，二次應力具有較高的自覺性和自限性。即當化工管材的荷載超過其承載能力的極限時，管材的某些部位因無法承受外部荷載而發生了小面積的塑性變形?；瘜W工業中的管道，在經過一定時間的塑性變形后，可以根據自己的受力情況進行平均，使管道的應力分布均勻，并抽離塑性變形區的應力，保證管道重要受災區慢慢恢復。因此在管道設計中，要充分考慮運行工況對管道的二次應力的影響，高溫高壓等條件對管道的材質和壓力等級都有很高的要求，為防止由于工況的改變，造成管道的應力破壞出現影響管道完整性的現象，應將局部易受工況影響的管道進行局部加強或是更換材質。

1.3 峰值應力

峰值應力指的是管道在運行中部分零件脫落或松動而造成的應力情況，其直接指向化工管道的設計過程失誤。而且，峰值應力的產生往往會增加一次應力和二次應力的風險。峰值應力雖難以對化工管道系統造成束性的變形，但也會對管道系統形成潛在的損壞風險，對此應力情況，管道極易出現裂縫、破損與變質等問題出現，這樣的潛在威脅從某一角度上也降低了該化工管道的存在價值，對于后續的管道使用也會造成影響，可能出現問題。特別是由于峰值應力的狀況，管道長時間運行，很容易出現局部設計不合理造成管道運行存在潛在的危害。

2 管道應力的分析方法

2.1 動力分析

在管道實際預應力的分析過程之中加強對于流體的動力分析能夠使得工業在設計以及開展過程之中擁有較好的表現，使得相應的管道預應力能夠得到最科學完整的評估與分析。

（1）化學管道在進行相應的物質流體運輸過程之中，針對不同流體以及相應介質中不同的性質，根據性質之間的差異性將實際管道的設計過程之中融入介質自身的因素，使得管道在實際使用過程之中避免出現共振等現象，使得相應的預應力變大，影響到管道的使用壽命以及使用效果。

（2）復式壓縮機對于化學管道的影響依舊很大，在實際使用與生產過程之中必須將復式壓縮機條件干擾考慮到實際預應力分析過程之中，加強對于測量以及測試工作的精確程度，提升后續建設以及使用的效率。復式壓縮機在實際使用過程之中對于管道帶來的影響也來自于共振現象的發生，通常情況之中，復式壓縮機氣柱的頻率以及相應壓力動脈等使得整個振動的頻率發生一定程度的改變，在使用過程之中就很可能出現共振現象，對于管道造成較大的損傷。

（3）在管道的預應力考慮過程之中將相應的外在聯合作用力也要考慮到實際的設計過程之中，相比較于自身管道設計過程之中受到自身設備以及設計的影響，外在預應力對于整個管道也會產生較大的影響，但是外在綜合動力來源隨著實際情況的工作環境不同也會產生較大的差異，因此在實際使用過程之中將相應的預應力外在綜合力根據實際情況考慮到最終預應力的影響之中，對于加強整個預應力的測試以及設計環節都有著十分重要的意義。

2.2 靜力分析

針對管道的使用狀況標準制定中，預應力是一項十分關鍵的檢測標準。石油在生產或運輸中，其需要經過管道運輸方式進行運輸，管道的強度與承載能力會直接影響到石油運輸的安全性與時效性。同時，管道的預應力承受能力，還會直接影響到石油管道維修工作中的承載能力等，對于確保石油管道維修工作高效開展有著重要的影響。針對石油管道的原始數據測量中，測量的最大缺陷深度、最大缺陷長度和石油管道的極限拉伸長度等都需要進行嚴格的計算。這些基礎數據對于石油管道的維修有著十分重要的影響。特別是在海底管道的最大許用操作中，管道所承受的壓力會直接影響到石油管道維修的安全性。在維修中，應該最大程度地降低管道所承受的壓力，避免在維修過程中出現嚴重的安全事故。在確保工作壓力相對穩定后，接下來需要對管道內的防腐保溫層等進行雜物清理，并在檢查無誤后繼續投入使用。另外，除了預應力這一種力以外，管道受到熱力學原理的影響、其熱脹冷縮后還會造成管道的偏移，導致管道實際使用出現問題。

3 化工管道設計中降低應力的策略

3.1 設置管道支架

設置管道支架來降低化工管道的應力原理，是通過分擔管道的壓力于重力。對此，管道支架在設置的過程中，應去除部分承重力，以支架的撐力來緩和化工管道承擔的應力標準。針對管道結構的設計，其能夠在一定程度上評價管道對預應力的承受強度，可以確保管道在實際使用中有著更高的安全性。另外，管道的承壓能力根強的情況下，其管道自身的密度也會變大，進而還可以提高管道的抗腐蝕能力，可以確保管道在實際使用中有著更加安全的使用效果，進而達到設計標準。

3.2 增加管網的柔韌性

在選擇化工管道的材質上也可以對其柔韌性予以合理的要求，柔韌性作為抗壓能力的一種，能夠在抵抗管道應力時予以一定的抗壓性與自限性。這種完善管道硬件措施的方法，同時在進行管道材質的選擇上，要避免不能出現裂痕與縫面。柔韌性較高的管材，受到應力沖擊時極易造成管材裂痕從而導致管道的峰值應力過大，這樣會在出現問題后造成整個管道系統的癱瘓。故在選擇材料時應細致檢查管材是否有細小裂痕。選擇柔韌性強的管道材質，能夠在設計管道走向的過程中，以最小彎度實現管道走向的設計簡單化、懸空化，使管道與自然因素的基本概率降低，那么其管道受自然條件而發生一次應力的情況就會相應減少。這不僅達到了降低管道應力的概率，同時也減少了化工管道工程造價的成本。對化工管道采取柔韌性較好的管材選擇，與柔性設計有著一定的聯系。柔性設計，即根據管道變形的相應特點和規律，在管系設計上對其變形這一物理變化概念予以相應產生因素的區分。例如在管道發生變形時，可以通過對基本成因的不同分析而采取相應的解決政策，以保證相應的管道承受能力，防止管道在運行中產生位移或是變形的不良現象出現。熱脹冷縮或是自身原因造成的管道變形，可以對應地選用加長管道或是端點附移的合理設計，從而保障設備的運行不受管道應力的影響，也最大限度地避免了由于管道疲勞或水平力矩過大造成的輔助支架破壞等情況。

3.3 采取冷緊措施進行降低應力

冷緊現象的發生主要源于管道自身有彈性，在預應力的影響之下，自身的形狀以及性質受到一定的影響，從而產生相應的形變，最后達到預應力預期效果，加強對于管道自身的保護以及使用。此外，在實際使用過程之中管道也會受到流體自身的熱力學原理發生熱脹冷縮，導致局部發生彎曲或者是形變現象，從而又進一步增加了管道的扭曲程度，影響到管道的實際使用，此外，較大程度的扭曲現象甚至會使得流體在運輸過程之中造成泄漏現象，對于實際生產過程的生命財產以及相應的工作人員的人身健康都造成了威脅，干擾正常的實際生產。冷緊性容許的技巧，就是利用化學管件表面的熱應力，使化學管件局部完成熱脹應力，在化學管件的熱態下，對其某一區域進行密集的推力和力矩，以達到減小區域的應力。這一減壓技巧對于防止化學管道因過度彎曲而引起的漏油現象很有幫助。在管道設計中，首先進行了冷緊錯位實驗，該技術允許在熱伸展狀態下發生的應力被施加到冷狀態下，并通過低壓力管道端口出發生的推力和力矩，同時降低了熱伸展應力，減弱了對管道的持續影響。冷緊固過程緩沖了在管道持續性處發生的應力，減少了管道受外力的影響，從而保證了管道的安全高效，因此冷緊固措施也是必須采用的重要措施。

4 結語

為了實現化工企業的管道正常運行，保障企業的安全高效生產，管道設計時必須進行管道的應力分析。同時，在設計和敷設的過程中，要考慮到管道自身的應力的需求，以及企業所在區域可能發生的一些外界干擾，嚴格要求管道的應力設計，從而全方位地提高化工企業的管道柔性，避免承受應力引起管道斷裂等不良現象的發生，為企業和員工帶來負面影響。同時要采取合理的應對措施，降低由于應力的存在出現的安全問題，通過合理的應對手段延長管道的使用壽命，保證員工的生命財產安全，提高企業的運行效益。