如何正确分析化工管道设计中的管道应力

应辉

摘 要：管道应力分析，是化工设管道设计过程中尤为关键的一环，而就其中的化工管道设计而言，其又是整个化工工厂设计中一个十分重要的组成部分，因此，为了以一种更为清晰、明了的方式将化工设计中的管道应力分析相关方面为相关读者呈现出来，本文将紧紧围绕着化工设计中管道应力分析这一中心主题，对管道应力的类型、管道应力分析的主要内容、应力分析管道的类型、检测方法以及管道应力的校核规范，管道应力分析软件的选择等几个方面的内容进行阐述和说明。

关键词：化工设计；管道设计；应力分析

1 应力的分类

管道在持续外载、内压以及热胀、冷缩和其它位移等载荷作用下，其最大应力往往超过材料的屈服极限，从而使材料在工作状态下发生塑性变形，另外高温管道的应力松弛和蠕变，也将使管系上的应力状态发生变化。对于不同种类的应力应当区别对待，根据它可能产生的效应和对于破坏所起的作用不同，给与不同的限定。管道上的应力，一般分析一次应力、二次应力和峰值应力三类。

众所周知，一次应力（PrimaryStress）是指由于外加荷载，如压力和重力等的作用而产生的应力。对于一次应力，其特点是：满足与外加荷载的平衡关系，随外加荷载的增加而增加，且无自限性，当其值超过材料的屈服极限时，管道将产生塑性变形而破坏。管道承受的介质内压、自重、介质重量等持续外荷载而产生的应力属于一次应力。

一般认为，二次应力（SecondaryStress）是由于管道变形受到约束而产生的应力，它不直接与外力平衡，二次应力的特点就是具有自限性，当管道局部屈服和产生小量变形时应力就能降下来。二次应力过大时，将使管道产生疲劳破坏。在管道中，二次应力一般由热胀冷缩和端点位移引起。

对于峰值应力（PeakStress），是管道或附件由于局部结构不连续或局部热应力效应（包括局部应力集中）附加到一次应力或二次应力的增量。它的特点是不引起显著的变形，而且在短距离内从它的根源衰减，它是一种导致疲劳裂纹或脆性破坏的可能原因。管道附件上小半径圆角处、焊缝未焊透处的应力，均属于峰值应力。

2 进行对管道应力的分析

一般管道应力分析主要包括两个部分，即静力分析与动力分析，静力分析包括：（1）仿塑性变形破坏的持续载荷与压力荷载作用产生的一次应力计算；（2）防疲劳破坏的管道端点附加位移或热胀冷缩等载荷作用产生的二次应力计算；（3）防支吊点位移过大和管道碰撞的管系位移计算；（4）为支吊架设计提供可靠依据的管道支吊架受力计算；（5）防法兰泄露的管道上法兰受力计算；（6）保证机器、设备正常运行的管道对机器和设备作用力的计算。而动力分析包括：（1）防管道系统共振的管道自振频率分析；（2）防管道地震应力过大的管道地震分析；（3）控制压力脉动值的往复式压缩机压力脉动分析；（4）防气柱共振的往复式压缩机气柱频率分析；（5）控制管道应力与振动的管道强迫振动响应分析。

3 管系受力状况的改善措施

由于管道设计在工厂设计中占据重要位置，为保证工厂运行质量，化工管道设计不仅要符合工艺过程的规范要求，而且为确保设备、管道、机泵及附件等能保持最佳状态并可以实现长周期安全运行，还应充分考虑其受力情况，采取有效措施改善管系受力状况，对此，在设计与施工中可以从以下几个方面着手：

3.1 通过增加管道的柔性改变

一般在管道设计中，能反映管道变形难以程度的即为管道柔性，而增加管道柔性可以通过改变管道走向、选用弹簧支吊架或是波纹管膨胀节来实现。首先，改变管道走向可根据管系长度在两固定点位置一定时增加能增加管道柔性原理，可以在管系某一方向过硬时增加与其垂直方向管道的长度来增加管道柔性，改变管道走向有投资少、运行可靠且操作简单等特点。而选用弹簧支吊架，可通过支吊架处存在垂直位移来实现放松约束，进而达到管系柔性增加的目的。若管径较大时会受场地限制，则可选用波纹管膨胀节，尤其低压大直径管道较适用，但因为造假过高且制造复杂，还未能被广泛接受。

3.2 合理选用支吊架并正确设置管道支吊架

由于支吊架在管道系统中发挥重要作用，支吊架选用与设置的合理性在满足一次应力、减小管系振动与二次应力方面都有着至关重要的意义，而若是支吊架的选用或设置不合理，则会因为承受不住管道重量等荷载而致使管道的一次应力发生超标状况。并且，支吊架的设置合理对控制管系变形以减少管道二次应力与设备受到的管道推力也有显著成效，为管道与设备的正常运行提供有力保障。同时，合理设置支架于往复机械的振动管道而言，还能有效减小管道振动。而设置支吊架时，应符合管道允许的最大跨度要求，在设备管嘴就近处设置，有集中荷载时应靠近荷载布置，而往复式压缩机应单独设置支吊架并将其与建筑物隔離。

3.3 通过采用冷紧的方法进行降低

在运行初期，冷紧方法可以减少端点受管道的推力与力矩。冷紧方法通过将一部分管道热应力集中在冷态来实现热胀应力在管道热态下对端点推力与力矩的降低，对于法兰连接处由于弯矩过大而发生泄露现象也起到防范作用。

4 CAESARII管道应力计算软件的理论基础及应用范围

4.1 与贮罐相连的，公称管径DN300及以上且设计温度在100℃以上的管线；

4.2 离心式压缩机（API617）及往复式压缩机（API618）的DN80及以上的进、出口管线；c）蒸汽透平（NAMESM—23）的入口、出口和抽提管线；

4.3 泵（API610）——公称管径4″及以上且温度100℃及以上或温度-20℃及以下的吸入、排出管线；

4.4 空冷器（API661）——公称管径DN150及以上且温度120℃及以上的进、出口管线；

4.5 加热炉（API560）——与管口相连的DN150及以上和温度200℃及以上的管线；

4.6 相当长的直管，如界区外的管廊上的管线；

4.7 法兰处的泄漏会造成重大危险的管线，如氧气管线、环氧乙烷管 线等。

4.8 公称管径DN100及以上且100℃及以上或-50℃及以下的所有管线。

5 结论

管道应力分析与计算，是研究管道在各种荷载作用下产生的力、力矩和应力，从而判断管道的安全性，同时使管道设计尽可能经济合理。管道应力分析是管道设计的基础，通过应力分析可以优化管道设计，可以使管道设计更加合理化。

参考文献

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