高温高压管道的应力分析与设计研究

陈昆

摘要：在管道的设计过程中，关于管道相应设计是否合理，对于工业生产来说具有非常大作用和意义，对于安全施工及安装都有着非常大影响。对此，在工业的发展中对于管道的设计在水平上一定要向国际顶尖技术靠拢的，尤其是在高温高压管道的设计过程中，更应该通过应力分析来做出有效的依据。本文中我们将进一步对高温高压管道的应力分析与设计做出相应的研究及分析。

关键词：高温 高压管道 应力分析 设计

管道的设计对于工业生产及发展来说具有非常重要作用及意义，为了能够为工业的发展谋求新的发展方向，本文将主要针对高温高压管道的应力分析与设计做出进一步的讨论和研究。

一、高温高压管道的应力分析与设计的概述

不同工业领域对于高温高压管道在应力上的要求是存在差异的，基于不同的情况，是需要我们依据现场的情况，来通过实例完成相应的方案设计及计算比较的，针对于每一个方案的管系做出较为细致的计算，这其中囊括了多种工况下关于推力的计算、位移的计算以及应力的计算。然后从其中选取更为合理的最佳方案，使得管系在安全性方面能够拥有一个较为具体的数据展示。

另外，在管系的支架上需要计算出多种情况下支吊架所受到的力及位移的情况，这样可以为管架在设计上提供了较为具体的数据，然后在通过对设备接口在多种工况所受到的力以及管系做出计算，还需要对多种情况下所产生的内力的大小以及位移值做出相应的计算。

在计算过程中，由于所选用的程序是不同的，有时得到的结果也就存在一些差异，例如说：GLIF的管道应力分析软件中，该软件的功能既能够对持续的荷载做出相应的分析及计算，还能够对临时的荷载以及偶然的荷载做出相应的计算，对于在正常所运行的条件之下的热状态及冷状态，也能够做出计算，通过对冷状态的考虑后，管道在运行的初期阶段是能够实现自平衡以后的两种情况的，同样GLIF还可以对水压试验工况做出分析及计算，对于异常的运行条件下进行安全排放的荷载、風载、静力地震等荷载都能够做出相应的分析及计算。GLIF管道应力分析软件在应力验算中是更趋于合理的，很大程度和意义上提高了在管道投资上的经济性以及在运行上的安全性。

二、力学模型的处理

为了能够更进一步对高温高压管道的应力分析做出更为系统全面的论述，我们将通过针对于在管道的应力做出分析中所面临的情况做出简要的分析，在对于力学模型的处理过程中，可以通过以下方式来进行处理：首先，将阀门当做为集中载荷或者是当量直管，计算过程中可以将角阀当做成为L形的管。其次，所有的三通管，以及法兰和阀门都将被当做集中载荷或者是不计其重量，只将其看做成为是普通的直管道。第三，在大小头处当做两个不等径直管互相连接。最后，各个设备在进出口均被认为是固定的。

三、弹簧架的计算机选型

（一）工作荷重的确定

工作荷重就是在自重的情况之下，管道分配给各个不同区域吊点的力，各个弹簧支吊点在工作之中的荷重为P1。

（二）位移量以及方向的确定

在纯热膨胀的情况之下，计算出各个弹吊点的位移量，负表示为向下，正则被表示为向上的涵义。有以上的两个重要基本参数，就能够通过相应的计算来对弹簧进行选择了，但是应该注意的问题是，所选取的弹簧支吊架在工作载荷P2以及位移值应该更为靠近。

四、力和位移的计算

计算管系的力时， 分三种工况：

自重+ 内压： 产生一次应力。

纯热膨胀： 产生二次应力。

自重+ 内压+ 热膨胀： 即正常工作状态。

（一）无冷紧时

没有对管道进行冷紧时， 管道及设备各点的受力大小通过相关的数据分析得出，无冷紧时管系对于设备的推力是比较大的，推力在长期的作用之下，对于设备的管口来说是非常不利的。对此，通过改善设备受力的情况来说，应该尽量的让设备管口的受力减小。与此同时，无冷紧时管道自身所受的力比较大，这也有必要降低管子中所受的力。通过上述的情况，在针对于管道进行冷紧，这作为一种降低管道以及设备受力最为好的方式。冷紧主要是通过管道在进行安装过程中所进行的预先的拉伸，工作状态管道在受到一定的热膨胀以后，即管道先拉后压，进而改变管道还有设备的受力。

（二）有冷紧时

要对管道进行冷紧， 必须事先知道冷紧的相关数据， 而冷紧量确定之前又必须知道管道冷紧段的总位移量：

下面举例讲解下位移量计算， 有利于设计人员掌握。

1.第27点Z方向的位移量计算

有冷紧和无冷紧的计算结果比较将以上冷紧值输入，重新计算管道及设备的受力（见表1），从表1可知：有冷紧时设备受力明显减少，如第27点，工作态时由10625.0N降为3904.3N，第34点，工作态时由12609.0N降为5769.9N。所以，通过计算结果得知，有冷紧时设备工作态的受力大大减小，这有利于设备的运行。

还可知：管道在工作态时受的力也明显降低，如第33段直管的轴向力由12609.0N降为5769.9N，因此，有冷紧时，管道和设备的力均减少，这更加有利于设备和管道的日常安全运行。

五、管道的应力验算和安全性判别

根据上述各计算， 可对管道的受力换算成应力， 应力的验算是利用GLIF的管道应力分析软件后处理程序完成的， 计算的部分结果都符合标准。

从上文中可知： 管道中各点的应力都没有超过许用值， 所以， 整个管系是安全的。GLIF的管道应力分析软件的功能能够计算管道的位移和内力。在使用中其安全性是比较高的。

总结：

综上所述，针对于高温高压管道的设计过程中，是需要通过大量的优化计算才能够实现的，然后在通过相应的计算结果，来选取最佳的配管方案，为工业领域的发展提供高效安全的保障。在本课题中，主要针对高温高压管道在应力分析上设计及计算做出了简要的概括及介绍，在日后的学习和工作中笔者会进一步对该部分内容做出补充及完善。

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