压力管道应力分析

夏志强

【摘 要】 压力管道的应力影响着压力管道在安装后的安全使用，所以进行应力分析是很有必要的，但压力管道应力分析究竟涉及到哪些内容，其应力具有哪些特征，都是管道应力分析工程师一直要探讨的课题，着重探讨了压力管道应力分析的内容、特点及所遵循的规范。

【关键词】 压力管道；应力分析；措施

管道应力分析主要解决管道的强度、刚度、振动等问题，为管道布置、安装、配置提供科学依据。管道力学分析是证明管系在承受与每类工况相关的荷载时不發生某种形式失效的主要途径之一。管道应力分析计算的任务：验算管道在内压、自重及其他外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力，以判明所计算的管道是否安全、经济、合理以及管道对设备的推力和力矩是否在设备所能承载的安全范围内。管道应力分析与计算是对管道强度与安全性评估的重要依据。下文以石油化工业为例，对石油化工生产中可能会应用到的压力管道可靠性问题进行分析。

一、应力的分类

管道上产生的应力，按其性质和对设备破坏影响的不同，可分为一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力指管道承受内压和持续外载（管道自重和因此产生的支吊架反力）产生的应力。二次应力指管道由于热胀冷缩和其他位移受约束产生的应力，可见热应力属于二次应力。峰值应力指管道或附件由于应力集中或结构局部不连续（如三通的内转角和焊缝未焊透处）以及由于局部热应力效应（管道由于温度分布不均，产生不同的膨胀而被限制时）附加到一次或二次应力的增加。

二、压力管道应力分析的特征

压力管道在应力分析过程中还不够严谨，其中还存在着一些缺陷，其主要原因是因为压力管道应力由历史根源所造成的校核准则存在不足，但压力管道应力分析有着自身的特点，主要体现在以下几个方面：（1）在压力管道的应力分析之中，没有考虑管道的薄膜应力和局部弯曲应力，从而导致一次应力中没有对一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力进行细分；在一次应力校核准则中往往忽视了对一次弯曲应力和一次局部薄膜应力进行校核，而只对一次总体薄膜应力进行了校核。（2）计算一次应力主要是为了避免管道在安装的时候承受不住压力而塌下来。计算二次应力是为了防止管道在发生热变形之后是否会出现问题，通过二次应力计算管道是否发生偏移、移位，并防止并排管道所产生的相互影响。（3）二次应力校核具有着自身的操作方式，最主要是针对其结构的安定性，只需满足结构安定性条件，就可以避免压力管道产生低周疲劳。（4）一次应力校核主要是校核压力管道的纵向应力，其最主要的特点是不遵循剪应力理论，二次应力校核虽然遵循的是最大剪应力，但其计算应力过程中不会计算管道轴向立，只考虑管道弯矩和扭矩的作用。

三、管道应力分析的对象与内容

石油化工产业中应用到的压力管道体系的走向呈三维空间型，基本构成是一条或多条管线相互交叉，分析管道应力或计算管道所受应力时，要建立一个有限元计算模型，然后再通过现场勘测、计算等方式获得数据，准确计算。压力管道应力分析中，合理构建模型与准确或缺结构参数是确保计算精度的基本前提。压力管道应力分析和计算内容主要包括以下几个方面：1、对管系所受荷载进行分类

压力管道体系在实际运行中所承受的荷载总共有四类：（1）压力荷载。压力荷载的确定要结合管道运行实际进行计算，有的管道可能处在同时承受几种压力，在几种组合温度下运行，对于这种情况，压力荷载的计算一定要选择最不利的温度组与压力组来计算压力荷载，也就是说，管道压力荷载的计算对象要选择条件最不好，工况最危险的一组管道作压力荷载计算对象。（2）持续外载。压力管道在运行中所承受的持续外载那包括三个部分，一是压力管带的基本荷载，如管道自身重量、管道附件重量等；二是支吊架的反力；三是其他集中或分散作用在压力管道上的外载力。持续外载在计算时同样要结合压力管道的运行实况，要综合考虑所有情况，保证将所有有效的持续外载都计算到压力管道所受应力中。（3）热胀和端点的位移应力。管道安装是管道运行的前期工作，在管道安装到管道运行这一过渡阶段中，管道内部的介质温度可能会发生变化，从而造成管道随着介质温度的变化而产生变形；除此之外，与设备相连接的压力管道也有可能会因为设备运作发热而发生温度变化，最终导致管道端点发生位移，最终造成压力管道变形。（4）偶然性荷载。偶然性荷载主要指自然因素对管道所产生的荷载影响。比如风雪对管道的荷载影响，地震作用力对管道的荷载影响等等。这些荷载都是在自然条件下产生的，并且具有一定的偶然性和突出性。考虑到偶然性荷载只是暂时或临时性的，并不会长期存在，所以该类荷载一般不计入压力管道应力分析范围。

2、压力管道的载荷工况

通常来说，相关研究者在考虑、计算与分析压力管道的应力时，所需考虑的工况主要有两种：（1）考虑管道的内部压力、重力荷载以及管道的最低温度限值；（2）考虑管道的内部压力、管道重力荷载以及管道可使用的最高温度。

四、压力管道应力分析的方法

1、计算软件的选择

管道应力计算软件按照来源可以分为自编的软件和购买的商品化软件。按其功能划分不外乎两种：通用性软件和专用性软件。自编的软件往往针对性和目的性较强，效率较高但功能单一，应用范围有限。相对而言，自编软件的造价更加便宜，但商品化软件在开发时会耗费更多的人力和财力，所以一般由大型公司开发。虽然商品化软件的耗材很大，造价成本也更高，但该软件的非线性力学分析功能壁自编软件要强很多，应用优势也更大。

2、单元划分

计算中选择好所用管单元后，要对空间管网划分单元。各管线中管道单元的划分接点主要选取在支架处、直管与弯管的焊缝处、变径段两端焊缝处、弯头的中间若干部位。这样如评定焊缝位于直管与弯头或变径段连接处，则该焊缝就是管单元的接点，该焊缝的应力偏保守可取为两端单元应力的最大值。

3、材料不同的管道组成的管系

管网中各条不同的管道可能由于介质、压力等的不同，选用的材质不同。管道应力计算中常见的材料参数如表1。可见其弹性模量E及热膨胀系数A有时相差较大，在有温差热应力的情况下，会带来热力耦合问题：密度Q的不同也会带来重力载荷的不均匀，尤其在考虑惯性力的场合，差别不可忽略。

4、边界条件和约束的处理

施加的边界条件和约束对管道的计算至关重要，其作用与影响有时远远大于压力载荷，因而必须仔细考虑现场参数，力求给出的约束与现场情况一致。

一般压力管道的管网中有多种形式的支架：固定式、滑动式和间隙式等。阀门和变径段的特殊处理阀门的处理：在计算中将阀门及与之相连的法兰处理成与相连接的管道相匹配的一段管道，且认为近似刚性体，输入其几何长度，弹性模量可取为比相连管道的模量高若干个数量级，热膨胀系数取为比相连管道的系数低若干个数量级，密度由实际重量与模型中体积的比值确定。

5、计算结果

通常计算的输出文件一般比较大，可有选择地输出关键部位的结果。而且，首先根据工程经验对计算结果的合理性进行判断，对于有疑问处应仔细分析，必要时需多次计算与验证。

结语：

压力管道应力分析涉及的内容较为广泛，这也说明了管道应力分析的复杂性。为保证管道自身及与其相连的机器、设备及结构的安全，就必须使管道的布置满足相应的安全评定条件。压力管道应力分析是一项极其复杂的工作，对管道运行安全有一定的影响，因此强调在压力管道安装与使用过程中，一定要做好管道的应力分析，确保管道应力分析的有效性。

参考文献：

[1]宋岢岢.工业管道应力分析与工程应用[M].北京：中国石化出版社，2011

[2]唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2009