壓力管道應(yīng)力分析

扎西平措，次仁歐珠，阿旺頓珠

（1.西藏自治區(qū)特種設(shè)備檢測(cè)所，西藏拉薩 850000；2.日喀則市市場(chǎng)監(jiān)督管理局，西藏日喀則 857000；3.西藏自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，西藏拉薩 850000）

0 引言

我國(guó)石油、化工以及其他能源工業(yè)等工程的建設(shè)過(guò)程中，需要大量使用壓力管道。壓力管道種類繁多，制造工藝相對(duì)復(fù)雜，需要在高溫、高壓以及具有腐蝕性或者放射性等情況下對(duì)物質(zhì)進(jìn)行運(yùn)輸，因此壓力管道需要具備較高的安全系數(shù)。由于技術(shù)、管理以及歷史等方面因素，我國(guó)壓力管道應(yīng)用過(guò)程中存在一定安全隱患。由于壓力管道所運(yùn)輸物質(zhì)的特殊性，一旦壓力管道出現(xiàn)泄漏或者爆炸等情況，將會(huì)引起嚴(yán)重的事故災(zāi)害和后果。因此，要提高壓力管道運(yùn)輸?shù)陌踩裕乐拱l(fā)生危害性事故，需要提高壓力管道設(shè)計(jì)水平，對(duì)存在的缺陷進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，降低發(fā)生壓力管道運(yùn)輸事故的可能性。

1 管道應(yīng)力分類

管道應(yīng)力是壓力管道使用過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。分析壓力管道應(yīng)力之前，需要對(duì)壓力管道的應(yīng)力情況進(jìn)行相應(yīng)分類。從我國(guó)壓力管道使用情況看，可以將管道壓力分為以下幾類。

1.1 一次應(yīng)力

一次應(yīng)力是指由于管道所受到的內(nèi)外壓力、重力、沖擊載荷以及風(fēng)載等因素而產(chǎn)生的剪應(yīng)力或者正應(yīng)力。一次應(yīng)力是壓力管道經(jīng)常受到的應(yīng)力，具有以下特點(diǎn)：當(dāng)外加載荷增加時(shí)一次應(yīng)力也會(huì)隨著增加，與外加載荷呈現(xiàn)為平衡關(guān)系，并且沒(méi)有自限性。如果一次應(yīng)力的數(shù)值超過(guò)了管道材料的承受范圍，并且管道所使用的材料無(wú)法達(dá)到要求，將會(huì)發(fā)生一定形變，從而使管道發(fā)生破壞。因此必要的控制措施非常重要，需要保證管道材料不發(fā)生任何物理變化，確保管道在一定壓力之下仍然能夠保持有效的形狀而不發(fā)生破壞。需要根據(jù)極限分析條件以及彈性分析條件，對(duì)一次應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)核校[1]。

可以將一次性應(yīng)力分為：①薄膜應(yīng)力，沿著管道橫截面均勻分布的應(yīng)力；②一次總體薄膜應(yīng)力，對(duì)管道整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的薄膜應(yīng)力；③一次局部薄膜應(yīng)力。一般來(lái)說(shuō)，一次局部薄膜應(yīng)力的值會(huì)比總體薄膜應(yīng)力略大；④一次彎曲應(yīng)力，因管道內(nèi)部壓力或者其他接載荷引起，一次彎曲管道應(yīng)力是沿著管道厚度線性變化的應(yīng)力。

1.2 二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是指在外部溫度以及內(nèi)部壓力的變化下，使得管道出現(xiàn)熱脹冷縮或者其他方面位移的現(xiàn)象，并且在此過(guò)程中所產(chǎn)生的剪應(yīng)力和正應(yīng)力。與一次應(yīng)力相比，二次應(yīng)力對(duì)管道材料的要求更高，需要使用更加良好的管道材料，來(lái)應(yīng)對(duì)二次應(yīng)力對(duì)管道產(chǎn)生的影響。一般來(lái)說(shuō)，如果管道材料塑性良好，僅僅通過(guò)第一次施工載荷是不會(huì)對(duì)管道造成損壞的。為提高管道的承受能力，需要結(jié)合管道使用的具體要求，從技術(shù)參數(shù)角度進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，以防止管道在使用中由于二次應(yīng)力過(guò)大而出現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)安全性條件進(jìn)行分析和控制實(shí)現(xiàn)二次應(yīng)力的有效校核。

對(duì)于一些高溫管道，需要使用較厚的管子來(lái)代替較薄的管子。雖然能夠應(yīng)對(duì)更強(qiáng)壓力，但是管壁的增厚也提高了管子的剛度和自重，使得管壁截面積加大，降低了管道中的一次應(yīng)力，但是二次應(yīng)力保持不變，管道也會(huì)增加對(duì)固定支座的推力。因此，需要重新分析管道的柔性，這樣能夠重新核對(duì)固定點(diǎn)、支吊架以及設(shè)備的管口，還需要核對(duì)吊架型號(hào)是否合適。

從以上分析中能夠看出，一次應(yīng)力和二次應(yīng)力相比，一次應(yīng)力沒(méi)有自限性，比二次應(yīng)力更加危險(xiǎn)，因此需要對(duì)一次應(yīng)力采取更加苛刻的管控措施。

1.3 峰值應(yīng)力

峰值應(yīng)力的特點(diǎn)是不會(huì)引起管道明顯的變形，并且能夠在較短距離上快速進(jìn)行衰減。峰值應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致管道出現(xiàn)疲勞裂紋或者脆性破裂。一般來(lái)說(shuō)，管道內(nèi)外部的很多因素都會(huì)影響到應(yīng)力的值，例如，常見(jiàn)的溫度、壁厚、載荷以及壓力等。需要根據(jù)管道使用的時(shí)間對(duì)其峰值載荷進(jìn)行疲勞分析[2]。

2 管道應(yīng)力分析的任務(wù)

壓力管道應(yīng)力的分析是管道設(shè)計(jì)施工中的主要內(nèi)容，可以從動(dòng)力分析和靜力分析兩個(gè)方面對(duì)壓力管道進(jìn)行應(yīng)力分析。

2.1 管道靜力分析的任務(wù)

（1）管道在熱脹冷縮作用，以及端點(diǎn)位移情況下的二次應(yīng)力狀態(tài)，并且需要在滿足管道承受能力的情況下，防止應(yīng)力過(guò)大而對(duì)管道出現(xiàn)疲勞破壞。

（2）計(jì)算管道對(duì)相關(guān)外部設(shè)備產(chǎn)生的作用力，并且為保證機(jī)器以及設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行安全，要求設(shè)備管口的載荷必須滿足設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

（3）為防止法蘭出現(xiàn)泄漏，需要對(duì)管道上法蘭的受力進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，使其必須滿足設(shè)計(jì)的要求和標(biāo)準(zhǔn)。

（4）對(duì)管道位置進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出管道位移的值，以防止由于管道位移過(guò)大而使支架發(fā)生脫落或者管道之間發(fā)生碰撞現(xiàn)象，同時(shí)還需要選擇相應(yīng)的彈簧支架來(lái)對(duì)管道進(jìn)行支撐。

（5）計(jì)算土建結(jié)果以及支吊架所承受的作用力，以此為土建結(jié)構(gòu)和支吊架的設(shè)計(jì)和建造提供必要依據(jù)，使得在管道使用過(guò)程中支吊架和土建結(jié)構(gòu)能夠保證安全[3]。

（6）分析管道正常情況下的一次應(yīng)力承載狀況，保證管道不會(huì)因?yàn)橐淮螒?yīng)力過(guò)大而出現(xiàn)塑性變形和破壞，提高管道使用的安全性。

2.2 管道動(dòng)力分析的任務(wù)

（1）分析往復(fù)泵管道以及壓縮機(jī)的頻率和振型，防止管道系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生共振。

（2）借助壓塑機(jī)使管道內(nèi)發(fā)生一定的振動(dòng)，對(duì)管道內(nèi)產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行有效控制。采取科學(xué)的方法，降低由于振動(dòng)對(duì)管道產(chǎn)生的疲勞破壞。

（3）分析往復(fù)壓縮機(jī)管道內(nèi)產(chǎn)生的壓力脈沖，這個(gè)過(guò)程需要使用聲學(xué)模擬方法，計(jì)算管道內(nèi)的壓力脈動(dòng)和氣柱頻率，防止由于氣柱共振和總壓力脈動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致管道振動(dòng)較大。

（4）需要計(jì)算因水錘以及安全閥釋放載荷時(shí)給支架帶來(lái)的載荷，以方便支架和土建機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工。

（5）對(duì)可能發(fā)生的地震給管道產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行分析，提高管道在地震中的安全性，防止地震中管道受到破壞。

2.3 管道動(dòng)力分析與靜力分析的關(guān)系

對(duì)管道進(jìn)行靜力分析主要是為設(shè)計(jì)出有效的管道柔性，使得管道的柔性能夠滿足使用要求，從而保證管道能夠抵消由于端點(diǎn)位移或者熱脹冷縮產(chǎn)生的形變，保證管道內(nèi)各節(jié)點(diǎn)所承受的一次和二次應(yīng)力都比許用應(yīng)力小。

對(duì)管道進(jìn)行動(dòng)力分析主要是為防止管道出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以保證管道的剛度，防止由于外部干擾力的作用導(dǎo)致管道發(fā)生較強(qiáng)的振動(dòng)。因此，可以得出結(jié)論，當(dāng)管道剛度偏小時(shí)，管道的柔性就能夠得到保證，但同時(shí)管道的固有頻率會(huì)降低，使得管道容易發(fā)生振動(dòng)；如果管道剛度較大時(shí)，管道的柔性就會(huì)降低，但是其振動(dòng)能夠得到較好控制[4]。

綜上所述，需要對(duì)管道的靜力或者動(dòng)力分析的結(jié)果進(jìn)行比較，使得管道在支架架設(shè)或者剛度和柔性等方面，都滿足管道設(shè)計(jì)和使用要求，既可以使管道的振動(dòng)控制在有效范圍內(nèi)，也需要防止管道出現(xiàn)疲勞傷害。重要的是需要結(jié)合管道設(shè)計(jì)施工的具體情況，調(diào)整當(dāng)前采用的管道布置和支吊架的設(shè)置，提高管道設(shè)計(jì)使用的安全性。

3 壓力管道安全評(píng)定方法

3.1 靜設(shè)備的允許載荷

如果管道自身應(yīng)力在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，同時(shí)管道的剛度和柔性都能夠滿足使用要求，此時(shí)只能表示管道自身安全可用，但不能表示相連管道或者設(shè)備之間的作用力也是可控的，還不能認(rèn)為設(shè)備總體是安全的。因此，管道自身對(duì)外部容器設(shè)備的載荷，也需要滿足設(shè)計(jì)要求。需要在分析管道整體應(yīng)力的基礎(chǔ)上，對(duì)相應(yīng)管口的實(shí)際載荷進(jìn)行核準(zhǔn)。

3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的允許載荷

管道之間的作用以及轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器管口的載荷，需要小于機(jī)械專業(yè)所規(guī)定的數(shù)值，一般來(lái)說(shuō)，管口載荷的標(biāo)準(zhǔn)如下。

（1）離心壓縮機(jī)允許載荷應(yīng)符合API 617的相關(guān)規(guī)定。

（2）離心泵管口的允許載荷可參考API 610的規(guī)定。

（3）汽輪機(jī)管口的允許載荷可參考NEMASE 23的相關(guān)規(guī)定。

3.3 壓力管道與壓力容器應(yīng)力分類比較

分析壓力管道和壓力容器的過(guò)程中，需要從一次壓力和二次壓力的角度進(jìn)行分析，在使用的校核條件和方法上存在差異。例如，對(duì)壓力管道應(yīng)力分析的重點(diǎn)應(yīng)該是管道的柔性和剛度，同時(shí)還需要分析管道相連設(shè)備的情況。壓力容器的分析則需要計(jì)算管道壁的厚度，分析局部薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力以及峰值應(yīng)力。一般來(lái)說(shuō)，需要以簡(jiǎn)單公式為基礎(chǔ)，結(jié)合一些相應(yīng)的系數(shù)對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分析，同時(shí)也需要從兩種應(yīng)力的角度出發(fā)進(jìn)行分析，根據(jù)一次應(yīng)力與二次應(yīng)力的不同，采取具體措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

壓力管道應(yīng)力分析涉及的內(nèi)容較多，具有一定的復(fù)雜性與專業(yè)性。因此為提高壓力管道使用的安全性，需要分析管道自身、相連設(shè)備結(jié)構(gòu)，以及壓力管道應(yīng)力產(chǎn)生的原因，提出具體防治方法，保證管道在使用過(guò)程中避免與其他部件出現(xiàn)共振。