化工設計中管道應力分析軟件的應用探索

楊學松

摘要：化工管道在化工企業的生產中發揮著重要作用。管道應力的大小會直接影響化工管道的質量。對化工管道的應力大小進行分析，在有效保證管道質量的前提下，促進化工企業生產效率和質量的提高，保證化工企業的生產運行安全。以化工管道為主要研究對象，著重對管道應力分析軟件在化工設計中的應用進行研究和分析，為提高我國化工企業生產技術水平提供助力。

關鍵詞：化工設計;管道應力;應用分析

管道應力分析軟件是計算管道應力的重要依據，在化工企業的生產中，這種先進的分析軟件能夠在安全生產、優化設計等方面發揮重要的作用。在對化工企業的生產過程進行設計時，管道應力分析軟件的應用能夠有效提高化工企業的生產效率，保證化工企業的生產安全。研究管道應力分析軟件在化工設計中的應用，使其在化工設計中發揮更大的作用。

1 管道應力

1.1 管道應力的具體含義

管道應力主要是針對工業用管道而言，而工業用管道主要起到輸送各種用于工業生產的介質的作用。在應用管道進行運輸時，對管道的不同應力情況進行分析，能夠在有效保證管道裝置結構安全的同時，減輕對周圍環境造成的污染，并保證工業管道能夠符合相關的規范和要求[1]。科學技術水平的提高，為管道應力的分析提供了很好的條件。現階段，化工企業常用管道應力分析軟件對不同條件和材質的管道應力進行分析。

1.2 分析管道應力的目的

由于工業用管道在輸送各類介質時，對介質的保存環境要求較高，而工業管道在完成配管施工后，需要對管道連接的安全性進行合理、有效的檢查，才能減少因管道泄漏等問題造成的環境污染和安全隱患問題。在分析管道應力時，需要滿足以下方面的要求：應力結構符合標準應力范圍、與管道相連接的設備接口性能符合標準規范的要求、管道連接部分的安全性能夠達到相關規定的標準、計算管道不同位置承受的荷載力、減少管道在運輸介質時容易出現的管道機械振動、壓力脈動等問題[2]。

1.3 管道應力分析的主要內容

具體分析管道應力主要包括正確建立模型、真實描述邊界條件以及正確分析計算結果3個方面的內容。模型的建立主要是在應用管道應力分析軟件時，借助力學以及數學方面的知識，建立整體管系模型，并保證模型建立的離散化，以達到更好的應力分析結果。邊界條件的描述主要是管道中的約束支架、關口等容易影響管道質量問題的模擬。分析結果是整個管道應力分析最重要的內容，只有保證管道應力的分析結果，才能依據該結果對管道進行更優化的設計。

2 管道應力分析軟件在化工設計中應用的具體分析

在化工企業中，管道設計會直接關系到化工生產成品的質量問題。在化工設計中應用管道應力分析軟件，能夠有效保證管道設計施工的質量，在保證介質運輸安全的同時，為化工企業的生產安全提供保障。在對化工設計中的管道應力分析軟件進行研究時，主要可以從以下方面入手。

2.1 改善管道應力情況的有效方法

管道應力情況受多方面因素影響，在對管道應力進行分析之前，需先了解管道在配管中容易產生應力的情況，并采取有效的措施加以改善，才能為管道應力的分析提供更好的條件。

2.1.1 合理選用和設置管道支吊架

支吊架在管道配管的施工中起著重要的支撐和控制作用，支吊架的質量好壞，會直接影響管道的實際應用質量。在對管道的支吊架進行選用和配置時，需要時刻注意以保證管道的質量和配管的科學性為主要原則。在管道配管的過程中，支吊架承受的荷載力主要源于管道的質量，當支吊架難以滿足管道的支撐作用時，就會加大管道受到的應力，提高管道受到應力壓迫而產生的彎曲、損壞等問題發生的概率。因此，在選用支吊架時，不僅要注重對支吊架進行科學的設計，還要依據不同的管道型號和性質來選擇不同類型的支吊架。

在具體設置支吊架時，首先，注意與管道的承重架保持一定的間距，以便讓管道的撓度符合相關標準;其次，充分利用管道的自然補償特性，滿足管道對柔性的要求，保證管道敷設的質量;最后，在對管道進行位移時，為了保證管道承受的應力在可接受范圍內，還要控制位移的距離在管托寬度范圍內。

2.1.2 增強管道柔性

管道柔性是衡量管道能夠承受的應力范圍的主要依據，適當增強管道的柔性，能夠讓管道即使遇到應力增加的情況，也能保證質量和性能要求。現階段，增強管道柔性已經成為管道設計中最主要的一個目標。改變管道走向、選用波紋管膨脹節以及彈簧支吊架，是有效增強管道柔性的主要方法。其中，改變管道走向以及彈簧支吊架的應用，能夠滿足大多數管道的設計要求，波紋管膨脹節的應用，主要是針對管道管徑較大的情況。改變管道的走向，主要是在兩固定點的位置確定時，通過適當增加管道的長度來增強管道的柔性。彈簧支吊架的應用，主要是通過支吊架的垂直位移來降低管道的剛度，幫助管道在約束放松的同時，增強自身的柔性。由于波紋管膨脹節的應用需要耗費較高的施工建設成本，再加上會增加管道應用的安全隱患，即使是管徑較大的管道，也要盡量避免采用這種方法。

2.1.3 采用冷緊方法進行施工

冷緊方法的應用，主要是通過控制管道受到的熱應力大小來保證管道的應力能夠符合實際的應力標準，并減小管道在投入運行的初始階段能夠對管道的質量產生影響的推力和力矩數值。除此之外，冷緊方法的應用還能有效減少因法蘭連接處彎矩過大導致的管道泄漏問題。但需要注意的是，冷緊方法的應用無法改變管道的熱脹應力范圍，因此需要充分考慮管道的實際應力情況。

2.2 管道應力分析的應用

2.2.1 管道熱應力和柔性調整

管道柔性是受到管道應力而體現出來的一種特征，管道從配管施工完成后，就會受到來自各方面壓力的影響，在此影響下，管道會產生不同程度的變形。這種變形情況主要是受到管道自身在吸收熱膨脹、冷縮以及位移變形等方面能力的影響，會直接對管道的施工質量產生較為嚴重的影響。因此，在對管道進行施工時，無論是設計人員還是施工人員，都需要考慮到管道在施工時可能會受到的柔性應力的影響。對于化工企業來說，由于在進行化工設計時，會涉及許多不同化學介質的運輸，保證管道的質量對保證化工生產的安全具有重要的作用。通過管道應力分析軟件的應用，設計人員在管道的設計施工中需充分考慮管道的熱應力與柔性應力，能夠為縮短管道長度、保證管道施工質量、降低管道施工難度等提供更加科學的依據。

2.2.2 管道振動的緩解措施

管道振動是在管道投入使用后經常存在的一種問題。管道振動問題的長期存在，不僅會加劇管道的疲勞程度，還會導致管道破損、泄漏，影響管道運輸安全，威脅外界生態環境。這種問題在化工管道運輸中產生的破壞性最大。在應對管道振動的問題時，主要可以從管道應力的角度，通過控制管道在運輸中的應力情況來減少管道發生振動的次數并降低頻率。具體來說，在控制管道振動時，首先，選擇抗震性能較強的管道材料，并在管道系統中容易出現管道振動的位置安裝緩沖器或孔板，以降低流體的脈動強度。其次，基于減小管道振動的目的，在對管道進行設計時，要更加注重管道彎頭處的設計。通過適當調整管道彎頭的角度、控制管道彎頭的數量等來降低管道振動發生的頻率。

2.3 管道應力分析軟件的具體應用

2.3.1 應用范圍

管道應力分析軟件的應用范圍，以管道在應用中受到的靜力和動力兩部分內容為主。靜力分析的內容包括管道的一次應力和二次應力、管道對各種機器設備的作用力、支吊架、法蘭的應力以及管系的位移大小。動力分析的內容主要包括管道的自振頻率、強迫振動響應、往復式壓縮機的氣柱頻率以及壓力脈動、管道地震。這些具體的管道應力分析能夠對管道在應用中的防塑性、疲勞損壞程度、運行情況、管道泄漏、管道系統共振、氣柱共振、地震應力過大等問題進行有效控制。以上情況都是能夠對管道的運行安全產生影響的重要因素，因此，管道應力分析軟件能夠在保障管道的運行安全方面發揮重要作用。

2.3.2 基本流程

在具體應用管道應力分析軟件時，首先要依據管道配管的實際要求進行建模，并在管道模型中，將所有可能會影響管道應力的數據信息標注出來。在科學技術水平不斷提高的背景下，管道應力分析軟件的功能也越來越健全。現階段，在應用管道應力分析軟件時，更加簡潔明了的用戶界面能夠大大降低建模的難度，將管道施工中涉及的各項數據信息輸入軟件，就可以自動建立一個類似于軸測圖的模型。為了保證模型建立的準確性和科學性，在輸入數據時，不僅要注意管道中實際應用的各種管件的代替數據，還要充分應用分析軟件自帶的材質庫，選擇需要建設的管道材質，在保證管道材質符合管道施工標準的同時，保證管道的質量。除此之外，由于在整個建模過程中還會涉及一些數據信息的變化，需要在輸入信息的節點號之間留有一定的間隔，便于日后插入新的數據信息。

管道應力分析軟件涉及的邊界條件主要包括約束、位移、支吊架以及管口4種類型。作為管道應力分析的主要內容之一，管道應力分析軟件在設計時也充分考慮到邊界條件。在管道應力分析軟件呈現出最終的計算結果之后，就要依據計算結果對管道現有的設計方案和數據信息進行調整，以滿足管道的實際應力要求。

3 結語

管道應力分析軟件在化工生產中占據著重要的位置。現階段，我國的化工企業在生產中越來越注重生產安全和效率的提高。管道應力分析軟件的應用不僅能夠有效彌補化工設計中存在的缺陷和不足，減少安全事故的發生，還能通過提高化工企業的生產效益來提高企業的市場競爭力，促進國民經濟的發展。

[參考文獻]

[1]馮晨辰.管道應力分析軟件CAESARⅡ的簡介與應用[J].當代化工，2019（5）：1039-1041，1064.

[2]王偉，張守杰，楊彬.管道應力分析軟件PepS與CAESARⅡ的應用對比[J].化工設備與管道，2019（2）：78-84.