如何正確分析化工管道設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力

寇征

摘要：化工廠所需的各類原料，通常都是由管線來運(yùn)輸，所以，在化學(xué)過程中，管線是必不可少的輔助設(shè)備。管線應(yīng)力的計(jì)算與監(jiān)測是管網(wǎng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，直接關(guān)系到管網(wǎng)的設(shè)計(jì)與施工的安全性。在化工管線的實(shí)際應(yīng)用中，管線的應(yīng)力對管線輸送的安全性產(chǎn)生了很大的威脅，所以在設(shè)計(jì)時，必須對管線的應(yīng)力進(jìn)行最優(yōu)分析，以保證化工管線的使用安全。

關(guān)鍵詞：化工管道;管道設(shè)計(jì);應(yīng)力設(shè)計(jì)

1關(guān)于對管道應(yīng)力的概括

對管道應(yīng)力的分類主要分為三種，一種是一次應(yīng)力，一種是二次應(yīng)力，另一種是峰值應(yīng)力。三種應(yīng)力各有各的不同，各有各的優(yōu)點(diǎn)。

1.1一次應(yīng)力的相關(guān)介紹

一次應(yīng)力是一種因外力超載引起的一種自然的物理現(xiàn)象。由于一次應(yīng)力的無窮大，使得化工管線在承受一次應(yīng)力時，往往會出現(xiàn)一定的壓力。但是，因?yàn)椴煌膲毫Γ瑢艿朗┘拥牧σ灿泻艽蟮牟町悺Ｒ虼耍谝淮螒?yīng)力作用下，管線自身的特性和設(shè)計(jì)常常影響到其變形的大小。

1.2次應(yīng)力的相關(guān)介紹

化學(xué)管線的二次應(yīng)力通常是由于在使用過程中溫度的影響而造成的。二次壓力對一次壓力的影響較大，其自我意識較強(qiáng)，自我約束較強(qiáng)。也就是說，在化學(xué)管線的荷載超出了其承載量的限制條件下，管線上的一些部分會因外力的作用而產(chǎn)生局部的塑性變形。在化學(xué)工程中，管線在經(jīng)歷一段時間的塑性變形后，能夠按其本身的受力狀況對管線進(jìn)行平均，從而達(dá)到均勻的應(yīng)力分布，從而把塑性變形區(qū)的應(yīng)力排出，從而確保管線的主要受損區(qū)能夠緩慢地恢復(fù)。因此，在管道設(shè)計(jì)時，必須充分考慮施工工況對二次應(yīng)力的影響。

1.3峰值應(yīng)力

峰值應(yīng)力是指管線在使用過程中，由于管線局部脫落或松動而引起的應(yīng)力，這直接反映了化工管線的設(shè)計(jì)技術(shù)上的缺陷。另外，產(chǎn)生峰值應(yīng)力時，一次應(yīng)力和二次應(yīng)力都會增大。盡管在化學(xué)管線中，峰值應(yīng)力并不容易導(dǎo)致管束的變形，但是它也存在著潛在的失效危險(xiǎn)。在此應(yīng)力條件下，管線容易出現(xiàn)裂紋、損壞、老化等問題。這些潛在的危險(xiǎn)也會從一定程度上減少化學(xué)管線的價(jià)值，并且會對以后的管線的使用造成問題。尤其是在峰值應(yīng)力狀態(tài)下，管線運(yùn)行周期較長，且局部設(shè)計(jì)不當(dāng)易對管線的正常使用產(chǎn)生不利影響。峰值應(yīng)力不同于上述兩種應(yīng)力。它是在一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的基礎(chǔ)上的另一種應(yīng)力，是由于技術(shù)人員對管道內(nèi)某些部位的脫落和松弛，以及對基礎(chǔ)的局部熱脹冷縮造成的。它是在主應(yīng)力和次應(yīng)力基礎(chǔ)上的創(chuàng)新。與前兩種應(yīng)力相比，峰值應(yīng)力不會引起管道的變形，但隨著時間的推移也會使管道產(chǎn)生裂紋。

2在化工管道設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力的分析內(nèi)容

2.1動力分析

首先，在化工管道輸送化工介質(zhì)的過程中，可以根據(jù)輸送介質(zhì)的不同，與化工管道的實(shí)際運(yùn)行有機(jī)結(jié)合，通過分析有效地獲得管道在輸送介質(zhì)中的固有振動頻率，避免管道輸送過程中的共振現(xiàn)象;其次，一般情況下，復(fù)合式壓縮機(jī)的應(yīng)用對化工管道的應(yīng)力影響很大，主要影響方式是通過共振現(xiàn)象施加應(yīng)力。因此，有必要進(jìn)行單獨(dú)的應(yīng)力分析，包括復(fù)合壓縮機(jī)氣柱和壓力動脈的頻率等。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)制定相應(yīng)的預(yù)防措施，有效降低共振的危害。第三，在化工管道輸送介質(zhì)的過程中，應(yīng)力可能受到各種外力的共同作用，從而導(dǎo)致化工管道的強(qiáng)迫振動。

2.2靜態(tài)分析

化工管道在輸送介質(zhì)的過程中，會遇到外界環(huán)境，同時管道本身也有一定的應(yīng)力值，通過與其他化工設(shè)備的連接形成一定的反作用力。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況準(zhǔn)確計(jì)算出化工管道的一次應(yīng)力值，在此基礎(chǔ)上將設(shè)備的控制能力和管道的應(yīng)力值控制在合理的范圍內(nèi)，可以有效避免化工管道在靜態(tài)作用下的塑性變化。其次，化工管道如果出現(xiàn)位移現(xiàn)象，會產(chǎn)生很強(qiáng)的約束力，在外界環(huán)境的影響下會產(chǎn)生二次應(yīng)力值，如熱脹冷縮、塑性退化等。因此，在化工管道的設(shè)計(jì)中，需要更加重視二次應(yīng)力，應(yīng)力范圍應(yīng)控制在以下數(shù)值公式中，φA=f（1.25φc+0.25φh），其中φA表示第三，當(dāng)化工管道受到外力時，需要精確計(jì)算靜荷載作用下的應(yīng)力值，并在此基礎(chǔ)上適當(dāng)產(chǎn)生一定的反作用力。

3化工管道設(shè)計(jì)中降低應(yīng)力的策略

3.1設(shè)置管道支架

設(shè)置管架降低化工管道應(yīng)力的原理是用重力分擔(dān)管道的壓力。因此，在設(shè)置管道支架的過程中，應(yīng)去掉一部分承重力，利用支架的支撐力來減輕化工管道所承受的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以在一定程度上評估管道對預(yù)應(yīng)力的承受強(qiáng)度，可以保證管道在實(shí)際使用中具有較高的安全性。

3.2增加管網(wǎng)的靈活性

在化工管道設(shè)計(jì)過程中，為了有效降低管道應(yīng)力，需要根據(jù)實(shí)際情況有針對性地選擇化工管道材料，同時在滿足實(shí)際要求的同時，適當(dāng)增加管道的柔性特性，可以有效反映管道的塑性變化的難易程度。至于化工管道的柔性，與管道的抗壓能力密切相關(guān)，兩者存在正比關(guān)系。相應(yīng)的，提高管道的柔性可以在一定程度上阻礙管道內(nèi)應(yīng)力的形成，在抵抗應(yīng)力的同時，還具有一定的抗壓和自限性的特點(diǎn)。增加管道柔性的主要措施包括改變管道走向、波紋管膨脹節(jié)、彈簧支吊架等。

3.3采取冷緊固措施減少應(yīng)力

在化工管道的設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮在實(shí)際的管道使用過程中，由于局部熱膨脹應(yīng)力，管道經(jīng)常發(fā)生塑性變形，進(jìn)而增加管道的彎曲程度，使管道彎曲過大。主要原因是化工管道材料易發(fā)生化工運(yùn)輸物料泄漏事故，對生產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，有必要在設(shè)計(jì)過程中制定冷緊縮措施的預(yù)防方案，以有效保證化工生產(chǎn)。

結(jié)語

為確保化工企業(yè)的管線正常工作，確保企業(yè)的安全、高效生產(chǎn)，管線的設(shè)計(jì)必須對管線進(jìn)行應(yīng)力分析。同時，在設(shè)計(jì)、施工中，應(yīng)充分考慮管線自身的受力情況，并應(yīng)充分考慮到企業(yè)所處的外部環(huán)境因素，對管線進(jìn)行合理的受力設(shè)計(jì)，以全面提升管線柔性，防止因受力而造成管線斷裂等問題，對企業(yè)和職工造成不利影響。同時，在保證職工生命和財(cái)產(chǎn)安全的前提下，采取適當(dāng)?shù)拇胧档凸芫€受力所造成的安全隱患，并采取適當(dāng)?shù)拇胧匝娱L管線的使用壽命。

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