浅析压力管道应力分析
2016-03-26李雪晶
李雪晶
(天津渤海化工集团规划设计院,天津 300450)
浅析压力管道应力分析
李雪晶
(天津渤海化工集团规划设计院,天津 300450)
提出压力管道应力分析目的和意义。浅析应力分析对象和内容，探讨压力管道应力分析的步骤。
压力管道；应力分析；对象；步骤
压力管道存在于石油、石化、化工、市政等行业，这些行业存在着共同的特点就是工程投资大、项目建设安全系数要求高。而压力管道应力分析做为压力管道设计中必不可少的分析程序更是重中之重，不仅为化工设计、管材采购、工程建设提供依据，更为项目建设减少不必要的投资，对压力管道应力分析进行分析势在必行。
1 压力管道应力分析的意义、目的和对象
应力是指构件单位面积上所承受的内力。应力值随外载荷增大而增大。各种材料对应力承受能力有强度极限，当数据达到或超过材料极限，材料就会发生变形、破裂、失稳等现象，即失效或破坏。应力产生的原因是外载荷(机械载荷或热载荷)直接产生还是变形协调过程中产生。应力分析法将应力分为一次应力、二次应力及峰值应力。
1.1 压力管道应力分析意义
工艺装置能否长期安全生产，具备良好的使用寿命与管道设计的好坏密切相关。通过应力分析可以保证其具有较好的柔性；通过应力分析从而限定对易产生振动的管道的干扰；通过合理布置使其振动频率错开震源激振频率，保证安全生产。
通过压力管道应力分析可以计算出精确、有效的数据，辅助完成压力管道设计，减少建设工程投资。通过压力管道应力分析可以计算管道配件的设计参数，为管道布置提供依据，适当减少配管投资。通过压力管道应力分析可以为设备、墙体承重提供依据，减少土建工程投资；
压力管道的设计应能够适应介质的压力、温度和介质的操作条件，分析压力管道载荷，保证压力管道强度、刚度、稳定性，保障其安全及经济效益。
1.2 压力管道应力分析目的
在满足规范的许用范围内，在符合公度的标准下，充分对压力管道进行载荷和应力、应力与变形的分析，解决管道动力学问题，进而帮助配管进行优化设计。
1.3 压力管道应力分析对象
压力管道应力分析绝大部分管道用柔性设计替代管道应力分析，通常如下管道应进行压力管道应力分析，具体分析对象如下：
1)与储罐相连、公称直接在300 mm以上温度在100 ℃以上的管道；
2)离心压缩机及往复式压缩机进出口管道；
3)泵的进出口管道；
4)蒸汽透平、加热炉、空冷器、反应器、再沸器进出口管道；
5)两相流、脉动流管道；
6)公称直径100 mm及以上、温度100 ℃及以上、温度小于-50 ℃及以下的管道。
2 压力管道应力分析的内容
2.1 压力管道应力分析基本条件
2.1.1 计算温度
环境温度：未提出数据时采用20 ℃做为环境温度。
计算温度：也是设计温度。确定计算温度时，不仅考虑正常操作条件下的温度，还应考虑吹扫、开工、停车、除焦、再生等情况最不利的温度。
2.1.2 计算压力
计算压力不小于操作中可能遇到的内压或外压与温度相偶合时的最大压力。
2.1.3 载荷
复杂管线可能存在压力、重力、温度、风、土壤约束、地震及动设备的振动等外力载荷作用，载荷是管道产生应力的原因。
1)压力载荷
压力载荷即面载荷，内压加在内壁面上。介质的内压是最主要的载荷，也是管道强度计算的主要依据。
2)持续载荷：自重载荷、偏心载荷。
自重载荷：管道及其附件的重量，管内介质的重量和管外保温的重量，通过给定单元的材料密度和重力加速度施加。
偏心载荷：支、吊架的反作用力，重力作用致使与塔相连的塔器产生。
3)热胀和端点位移荷载
热胀荷载和端点位移荷载属于非垮塌性荷载。管道温差变化产生的温差应力，管内介质的温度变化产生热胀、冷缩使之变形。管道位移造成附加载荷，安装管道的约束力形成变形。
4)偶然荷载
偶然荷载包括风荷载、雪荷载、地震荷载、水流冲击、安全阀动作等产生的冲击荷载。
不同性质的载荷对管道安全的影响差异显著。随着管内介质压力的增加，管壁应力水平不断加大，直到破坏，这种状态称为应力没有自限性。管内温度增加，管壁应力水平加大，达到一定程度时，由于温差产生的应力逐渐降低，这种状态称为应力有自限性。
2.2 压力管道静力分析
1)满足标准规范前提下，进行管道及管道与其相连设备的作用力分析，确保管道、设备安全；
2)防止变形，进行一次应力计算；
3)防止疲劳破坏，进行二次应力计算；
4)保证支吊架和土建结构安全，计算管道位移、管道对支吊架和土建结构的作用力。
2.3 压力管道动力分析
1)防止地震中管道破坏进行的地震分析；
2)防止机械共振进行的往复压缩机和往复泵管道的固有频率和振型分析；
3)防止管道因振动发生疲劳破坏进行的往复压缩机强迫振动分析；
4)防止管道振动过大进行的往复压缩机管道气体压力脉动的声学模拟分析、管内气体气柱固有频率和压力脉动分析；
5)水锤、安全阀泄放荷载和两相流所产生的支架荷载计算。
2.4 压力管道的柔性设计
温度变化时管道系统热胀的可能性称为管系的柔性。它反映管道变形的难易程度，它表示管道通过自身变形热胀、冷缩及其他位移变形的能力。管道的柔性越大，变形就越小。柔性设计基础条件包含温度、介质、壁厚、管径、材质、端点位移等。
设计管道时，管道要有足够大的柔性和足够短的长度，这样可以保证管道既能够吸收位移应变也能减少投资。通过柔性设计让整个压力管道有足够柔性，能提防因管系自重、温度、内压及外荷载或管道支架受限与管道端点附加位移引发的破坏。柔性设计时考虑热胀冷缩和管道端点附加位移。通过变换管道路径走向、换用不同形式支架改变支架位置、运用各种补偿器吸收较大位移减少管道应力这三种方法可减少管道应力增加管道柔性。
3 压力管道应力分析的步骤
1)接收与压力管道应力分析计算的全部资料，并对资料进行整理，确认管道的基本情况。用固定点将复杂管线划分为简单管系，尽量采用自然补偿。
2)选用正确的校核规范，确认校核工况——载荷。
3)确认计算方法，选用适当的应力分析方法和软件。用目测法判断管线是否进行柔性设计；L、U型管系可采用图表法进行应力分析；立体管系可采用公式法进行应力分析；柔性设计采用计算机分析方法进行；还有根据需要进行大型通用管道计算专用软件CAESAR II进行专业应力分析或使用大型有限元计算分析软件。
4)确定临界管线，划分手动计算和计算机计算管线。确认是否需要计算机计算管线。
5)如果需要计算机计算管线，需要确认和收集计算条件。计算条件包括管线走向、管道直径、壁厚、长度、材料、操作压力、操作温度，支架位置、形式及管口初始位移等。
6)使用计算机进行应力计算，分析应力计算结果，确认是否合格。若合格，提供计算数据，结束压力管道应力分析计算。若不合格，设置、调整支吊架位支吊架形式、设置、调整补偿器或管线布置等，重新开始1)步骤开始计算。
7)如果不需要计算机计算管线，手算并进行手算过程整理，计算完毕提供计算数据，结束压力管道应力分析计算。
4 结 语
综上所述，压力管道应力分析是压力管道设计的重要内容，压力管道应力分析实际上是满足标准规范下对压力管道进行包括应力计算在内的力学分析，它关系到管道自身和与其相连的机器、设备、土建结构的安全及工程投资额，通过浅显分析压力管道应力分析对象和内容，归纳压力管道应力分析的步骤供他人参考。
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TQ055.81
B
1005-8370(2016)01-34-03
2015-12-07
李雪晶(1979—),女，硕士研究生，从事化工项目设计相关工作。
