化工设计中管道应力分析软件的应用探索

杨学松

摘要：化工管道在化工企业的生产中发挥着重要作用。管道应力的大小会直接影响化工管道的质量。对化工管道的应力大小进行分析，在有效保证管道质量的前提下，促进化工企业生产效率和质量的提高，保证化工企业的生产运行安全。以化工管道为主要研究对象，着重对管道应力分析软件在化工设计中的应用进行研究和分析，为提高我国化工企业生产技术水平提供助力。

关键词：化工设计;管道应力;应用分析

管道应力分析软件是计算管道应力的重要依据，在化工企业的生产中，这种先进的分析软件能够在安全生产、优化设计等方面发挥重要的作用。在对化工企业的生产过程进行设计时，管道应力分析软件的应用能够有效提高化工企业的生产效率，保证化工企业的生产安全。研究管道应力分析软件在化工设计中的应用，使其在化工设计中发挥更大的作用。

1 管道应力

1.1 管道应力的具体含义

管道应力主要是针对工业用管道而言，而工业用管道主要起到输送各种用于工业生产的介质的作用。在应用管道进行运输时，对管道的不同应力情况进行分析，能够在有效保证管道装置结构安全的同时，减轻对周围环境造成的污染，并保证工业管道能够符合相关的规范和要求[1]。科学技术水平的提高，为管道应力的分析提供了很好的条件。现阶段，化工企业常用管道应力分析软件对不同条件和材质的管道应力进行分析。

1.2 分析管道应力的目的

由于工业用管道在输送各类介质时，对介质的保存环境要求较高，而工业管道在完成配管施工后，需要对管道连接的安全性进行合理、有效的检查，才能减少因管道泄漏等问题造成的环境污染和安全隐患问题。在分析管道应力时，需要满足以下方面的要求：应力结构符合标准应力范围、与管道相连接的设备接口性能符合标准规范的要求、管道连接部分的安全性能够达到相关规定的标准、计算管道不同位置承受的荷载力、减少管道在运输介质时容易出现的管道机械振动、压力脉动等问题[2]。

1.3 管道应力分析的主要内容

具体分析管道应力主要包括正确建立模型、真实描述边界条件以及正确分析计算结果3个方面的内容。模型的建立主要是在应用管道应力分析软件时，借助力学以及数学方面的知识，建立整体管系模型，并保证模型建立的离散化，以达到更好的应力分析结果。边界条件的描述主要是管道中的约束支架、关口等容易影响管道质量问题的模拟。分析结果是整个管道应力分析最重要的内容，只有保证管道应力的分析结果，才能依据该结果对管道进行更优化的设计。

2 管道应力分析软件在化工设计中应用的具体分析

在化工企业中，管道设计会直接关系到化工生产成品的质量问题。在化工设计中应用管道应力分析软件，能够有效保证管道设计施工的质量，在保证介质运输安全的同时，为化工企业的生产安全提供保障。在对化工设计中的管道应力分析软件进行研究时，主要可以从以下方面入手。

2.1 改善管道应力情况的有效方法

管道应力情况受多方面因素影响，在对管道应力进行分析之前，需先了解管道在配管中容易产生应力的情况，并采取有效的措施加以改善，才能为管道应力的分析提供更好的条件。

2.1.1 合理选用和设置管道支吊架

支吊架在管道配管的施工中起着重要的支撑和控制作用，支吊架的质量好坏，会直接影响管道的实际应用质量。在对管道的支吊架进行选用和配置时，需要时刻注意以保证管道的质量和配管的科学性为主要原则。在管道配管的过程中，支吊架承受的荷载力主要源于管道的质量，当支吊架难以满足管道的支撑作用时，就会加大管道受到的应力，提高管道受到应力压迫而产生的弯曲、损坏等问题发生的概率。因此，在选用支吊架时，不仅要注重对支吊架进行科学的设计，还要依据不同的管道型号和性质来选择不同类型的支吊架。

在具体设置支吊架时，首先，注意与管道的承重架保持一定的间距，以便让管道的挠度符合相关标准;其次，充分利用管道的自然补偿特性，满足管道对柔性的要求，保证管道敷设的质量;最后，在对管道进行位移时，为了保证管道承受的应力在可接受范围内，还要控制位移的距离在管托宽度范围内。

2.1.2 增强管道柔性

管道柔性是衡量管道能够承受的应力范围的主要依据，适当增强管道的柔性，能够让管道即使遇到应力增加的情况，也能保证质量和性能要求。现阶段，增强管道柔性已经成为管道设计中最主要的一个目标。改变管道走向、选用波纹管膨胀节以及弹簧支吊架，是有效增强管道柔性的主要方法。其中，改变管道走向以及弹簧支吊架的应用，能够满足大多数管道的设计要求，波纹管膨胀节的应用，主要是针对管道管径较大的情况。改变管道的走向，主要是在两固定点的位置确定时，通过适当增加管道的长度来增强管道的柔性。弹簧支吊架的应用，主要是通过支吊架的垂直位移来降低管道的刚度，帮助管道在约束放松的同时，增强自身的柔性。由于波纹管膨胀节的应用需要耗费较高的施工建设成本，再加上会增加管道应用的安全隐患，即使是管径较大的管道，也要尽量避免采用这种方法。

2.1.3 采用冷緊方法进行施工

冷紧方法的应用，主要是通过控制管道受到的热应力大小来保证管道的应力能够符合实际的应力标准，并减小管道在投入运行的初始阶段能够对管道的质量产生影响的推力和力矩数值。除此之外，冷紧方法的应用还能有效减少因法兰连接处弯矩过大导致的管道泄漏问题。但需要注意的是，冷紧方法的应用无法改变管道的热胀应力范围，因此需要充分考虑管道的实际应力情况。

2.2 管道应力分析的应用

2.2.1 管道热应力和柔性调整

管道柔性是受到管道应力而体现出来的一种特征，管道从配管施工完成后，就会受到来自各方面压力的影响，在此影响下，管道会产生不同程度的变形。这种变形情况主要是受到管道自身在吸收热膨胀、冷缩以及位移变形等方面能力的影响，会直接对管道的施工质量产生较为严重的影响。因此，在对管道进行施工时，无论是设计人员还是施工人员，都需要考虑到管道在施工时可能会受到的柔性应力的影响。对于化工企业来说，由于在进行化工设计时，会涉及许多不同化学介质的运输，保证管道的质量对保证化工生产的安全具有重要的作用。通过管道应力分析软件的应用，设计人员在管道的设计施工中需充分考虑管道的热应力与柔性应力，能够为缩短管道长度、保证管道施工质量、降低管道施工难度等提供更加科学的依据。

2.2.2 管道振动的缓解措施

管道振动是在管道投入使用后经常存在的一种问题。管道振动问题的长期存在，不仅会加剧管道的疲劳程度，还会导致管道破损、泄漏，影响管道运输安全，威胁外界生态环境。这种问题在化工管道运输中产生的破坏性最大。在应对管道振动的问题时，主要可以从管道应力的角度，通过控制管道在运输中的应力情况来减少管道发生振动的次数并降低频率。具体来说，在控制管道振动时，首先，选择抗震性能较强的管道材料，并在管道系统中容易出现管道振动的位置安装缓冲器或孔板，以降低流体的脉动强度。其次，基于减小管道振动的目的，在对管道进行设计时，要更加注重管道弯头处的设计。通过适当调整管道弯头的角度、控制管道弯头的数量等来降低管道振动发生的频率。

2.3 管道应力分析软件的具体应用

2.3.1 应用范围

管道应力分析软件的应用范围，以管道在应用中受到的静力和动力两部分内容为主。静力分析的内容包括管道的一次应力和二次应力、管道对各种机器设备的作用力、支吊架、法兰的应力以及管系的位移大小。动力分析的内容主要包括管道的自振频率、强迫振动响应、往复式压缩机的气柱频率以及压力脉动、管道地震。这些具体的管道应力分析能够对管道在应用中的防塑性、疲劳损坏程度、运行情况、管道泄漏、管道系统共振、气柱共振、地震应力过大等问题进行有效控制。以上情况都是能够对管道的运行安全产生影响的重要因素，因此，管道应力分析软件能够在保障管道的运行安全方面发挥重要作用。

2.3.2 基本流程

在具体应用管道应力分析软件时，首先要依据管道配管的实际要求进行建模，并在管道模型中，将所有可能会影响管道应力的数据信息标注出来。在科学技术水平不断提高的背景下，管道应力分析软件的功能也越来越健全。现阶段，在应用管道应力分析软件时，更加简洁明了的用户界面能够大大降低建模的难度，将管道施工中涉及的各项数据信息输入软件，就可以自动建立一个类似于轴测图的模型。为了保证模型建立的准确性和科学性，在输入数据时，不仅要注意管道中实际应用的各种管件的代替数据，还要充分应用分析软件自带的材质库，选择需要建设的管道材质，在保證管道材质符合管道施工标准的同时，保证管道的质量。除此之外，由于在整个建模过程中还会涉及一些数据信息的变化，需要在输入信息的节点号之间留有一定的间隔，便于日后插入新的数据信息。

管道应力分析软件涉及的边界条件主要包括约束、位移、支吊架以及管口4种类型。作为管道应力分析的主要内容之一，管道应力分析软件在设计时也充分考虑到边界条件。在管道应力分析软件呈现出最终的计算结果之后，就要依据计算结果对管道现有的设计方案和数据信息进行调整，以满足管道的实际应力要求。

3 结语

管道应力分析软件在化工生产中占据着重要的位置。现阶段，我国的化工企业在生产中越来越注重生产安全和效率的提高。管道应力分析软件的应用不仅能够有效弥补化工设计中存在的缺陷和不足，减少安全事故的发生，还能通过提高化工企业的生产效益来提高企业的市场竞争力，促进国民经济的发展。

[参考文献]

[1]冯晨辰.管道应力分析软件CAESARⅡ的简介与应用[J].当代化工，2019（5）：1039-1041，1064.

[2]王伟，张守杰，杨彬.管道应力分析软件PepS与CAESARⅡ的应用对比[J].化工设备与管道，2019（2）：78-84.