基于化工设计中的管道应力分析

郑帅

摘要：针对化工管道进行质量管理分析，才能合理确定最终的产品质量。其中，应力分析具有很重要的战略地位，而随着科学技术的提高和产业的发展，应力分析也引起了生产者的广泛关注和社会各界的重视。该文首次对管线所受到的不同类型应力和应力分析的范围进行了浅要的探讨，并对降低应力值给出了处理办法。

关键词：化工管道;应力分析;分析范围;降低措施

引言

化工管道总体设计工作有很大的设计标准和要求，由于这项设计工作本身的特殊性，所以在内部应力的分析方法方面必须得到重视，并且进行深入的研究和讨论，由于目前在化工管路总体设计，特别是管路内应力的方案设计上已具有大量的成功经验，因此通过合理的科学的方案设计，以及采取相应的保护措施，获得经过优选的化工管路总体设计方法，并且在工作效率上也获得了令人满意的成效。

1、化工管道设计概述

化工行业管路建筑设计处于化学工程设计项目管理中的一种，在完成工程项目的运营前期工作，就一定要完成该项建筑设计工作。通过完成化学管路设计方能确保工程项目的成功启动，而在化学管路建筑设计中，对配水管经过工程设计，选用最优质等级的水管材质是有着严格的标准的。石油化工管线在实际工作中，所承受的影响因素很多，其中内压长期外载，以及温证冷缩、位移荷载等，均会形成对管子的最大应力，从而使材质形成超极端的现象，也就生成了塑性变形的状况。同时，因为管线中的环境温度的改变，导致管子形成松弛、蠕变现象等，也是比较普遍的。

2、化工管道设计中的应力分类

在通常状态下，物体会遭受外部的受力影响，而在单位体积上物体所承受的外部受力影响，就叫做内部应力作用。所以，在对管网信息进行设计规划之时，要特别关注在高负载状况下会发生一些使得内部应力作用增加的情况，也特别要注意在冷热交替、位置变化等容问题的发生。同时，人们也需要特别关注管线是否会出现塑变。以上，就对管线的精密設计与分析提出了要求。通常，管线的应力计算大致包含了一次应力、二级应力和最大应力三种情形。

2.1一次应力

一次应力产生的原因通常都是源自于外部的受力（比如压强）载荷。另外，一种内部应力还具备不受限制的特点，也就是说该应力无法将自己的特点进行平衡反抗，必须依靠配合管网承受这种推动力，来实现对抗外部受力的目的。同理，该应力还能够承担施加于其上方的一些外部推动力，也是说，它同时具备了平衡应力和外部作用力的特点。不过，当管线中所用的材质质量已超过了规定值，或者压力即将无法承受时，管线也将承担超负荷材质所产生的压力而出现塑变，这对管线的使用寿命也很有影响。根据上面理论，可得知诸如建筑物料和管道的自重或是强风和地震的荷载等来自外部的扰动成分，均可称为一次应力。

2.2二次应力

通常，当管线受外部各种因素的影响产生热胀冷缩现象时，也很容易形成这种应力。相反地，这种内应力则往往受到一定限制，因为当管线上所用的材质超过了其承载力范围时，就会相应地在部分地方产生了管道塑变。在塑变后的很长时间里，正因为管线信息本身就存在着一定的强度，才能将这种压力进行抵消，进而确保了内应力在管线上分布均衡，当已塑变区域的内应力被分散后，不至于再对管线结构产生二次破坏。

2.3最大应力

在石油化工管网中，当组成部分零件表面发生了松化或剥落的现象，或区域部分受热过大时，从而影响到有关的另一个局部应力，而这个局部应力就叫做主要局部应力。与上述二种不同，该内部应力并非使管子形成大的塑变，只是使管子从内部形成微小的裂纹，之后逐步增加裂缝，最后产生质变，从而对管子产生破坏。可以发现，这些内部应力大多是由人为扰动或是零部件的破坏引起的。

3、化工管道设计中降低应力的措施

3.1通过增加管道的柔性改变

一般情况下，在管线的设计过程中，管线的柔性能够反映变形的困难程度，可以通过改变管线的走向、选用弹簧支吊架或波纹管沉降裂缝来提高管线的柔性。首先，改变管线走向可通过管子的长短度来决定，在二个固定的位置上增加管柔性原理下，当管系的任一方面都发生了过硬的状况时，可增大与其垂直方向管子的直径，进而提高管线的柔性，从而改善了管线走向有投入较小、工作安全、运行简便等几个优点。通过采用弹簧支座和吊挂件，可以利用支座与吊挂件之间的垂直位移来放宽约束，以便于提高管路体系的柔性。而如果直径很大，受场地影响，也可以采用波纹管道伸缩接头，特别是低压大口径管材更加的合适。然而，由于制作成本高、工艺复杂，尚未被广泛应用。

3.2合理选用支吊架并正确设置管道支吊架

支吊挂件在整个管路体系当中起着十分关键的作用，所以，在选择和设置支吊挂件的过程当中，不单单是满足一次应力，与此同时，二次应力在减小管系震动方面也有着举足轻重的意义，一旦对支吊挂件的选用或设置不合理，将会因为其承受不住管路的重力等因素，而导致一交应力的强度超标。另外，合理设置支架和吊挂件对于减少管路体系的变形也有着重要的效果，能够有效降低管路的二次应力以及设备所承受的管路推力，为管路和设备的正常工作提供了有力的保证。同时，在往复型机械振动管路中支坐的合理设置也能够有效地减小管路的机械震动。同时支架和吊挂件的合理设置也应当符合管路所允许的最大跨度规定。宜设置于设备喷嘴周围。当集中荷载出现时，设备宜尽可能靠近荷载布置。

3.3采用冷紧的方法进行降低

当动作刚开启时，水冷拧紧方式有助于减小尾部的推动力和转矩。由于使部分热应力聚集于管子的冷态，热膨胀应力就能够减小在管子热态端部的推动力和转矩，从而避免了由于弯矩相等或过大而造成的法兰连接泄漏。

4、结语

在现代化工研究计算中，管路的内部应力分析方法也是不可或缺的研究内容，其总体规划设计的可行性和管线的正常工作情况密切相关，在管线信息的相关应用中也起着很重要的作用。因此，通过对管网中存在的问题加以分析，在较大程度上有助于工程设计技术人员对管路进行进一步的完善改造，从而增强了工程设备的合理性、可靠性。

参考文献：

[1] 许文欣， 张强. 化工设计中的管道应力分析[J]. 辽宁化工， 2003， 32（3）：3.

[2] 罗宇， 张春迎， 陈万里. 探讨化工设计中的管道应力分析[J]. 科技信息， 2010（11X）：2.