压力管道应力分析的内容及特点钱忠仁

压力管道应力分析的内容及特点钱忠仁

钱忠仁

(江苏博格东进管道设备有限公司江苏省泰州市225500)

摘要:在管道设计工作中最重要的一个环节就是对压力管道所受到的应力进行受力分析。由于压力管道受到的各种荷载比较的复杂，在对压力管道进行应力分析的时候就会造成难度，给管道设计工作带来阻碍，并且生产运行过程中管道质量安全主要就是由于存在应力引起的，针对管道应力进行分析寻找解决办法是非常重要的。探究压力管道的应力分布和特点可以为管道设计、管材选取以及工程项目建设等过程提供可行性的信息数据，从而保证与管道自身何与其连接的设备及土建结构的安全，乃至整个生产运行的安全，提高压力管道的使用价值。

关键词:压力管道;应力;内容;特点

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内容

压力管道应力分析内容包括管道应力分析工作的任务和工作过程、管道应力分析基础知识、压力作用下管道组成件的强度设计、管道允许跨距的计算、管道应力分析的安全评定方法、管道的柔性设计、管道应力分析中的特殊问题(夹套管和埋地管的分析、安全阀排气反作用力的计算、水锤荷载的计算、高压管道的应力分析)、管道支吊架的设计选用原则、往复压缩机管道的防振设计、各种管道振动问题、有限元法在管道应力分析中的应用、管道应力分析程序介绍。

1.1一次应力

一次应力是指由于外加荷载，如管道所受的内压、重力、风载、冲击荷载等作用而产生的正应力和剪应力。一次应力的特点是：它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，管道就会发生塑性变形而破坏或总体变形。一次应力应该严格的控制，必须为不发生材料屈服留有足够的裕度，以防止过度的塑性变形导致管道的失效或破坏。一次应力校核应根据弹性分析和极限分析条件进行控制。

一次应力进一步可以划分为：一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力。定义如下：

薄膜应力：沿截面均匀分布的应力成分，它等于沿所考虑截面的厚度的应力的平均值；

一次总体薄膜应力：影响范围遍及整个结构的一次薄膜应力；

一次局部薄膜应力：影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力，通常其应力水平大于一次总体薄膜应力；

一次弯曲应力：由内压力或其他机械荷载所引起的沿截面厚度线性分布的应力。一次弯曲应力不能简单的理解为由弯矩引起的应力，它实际上是指沿厚度线性变化的那一部分应力。

1.2二次应力

二次应力是指由于热胀、冷缩和其他位移受到约束而产生的正应力和剪应力。二次应力的特点是不能直接与外力平衡，它具有自限性。当荷载超过材料的屈服极限时，由于管道局部的屈服和产生少量塑性变形就能使应力降下来，这时的应力重新分布，使材料的应变达到自均衡。对于塑性良好的管材，一般在管道初次加载时，二次应力不会直接导致破坏，只有当塑性应变在多次重复交变的情况下，才会引起管道疲劳破坏。对于二次应力的限定，并不取决于一个时间的应力水平，而是取决于交变的应力范围和交变的循环次数。二次应力的校核应根据安全性分析条件加以控制。

对于高温管道，用较厚的管子代替较薄的管子时，由于管子壁厚的增加提高了管子的刚度，增加了管壁截面积和自重，管道中的一次应力降低、二次应力不变，管道对固定支座的推力将增加，因此，必须对管道的柔性重新进行分析，以校核固定点、设备管口和支吊架的荷载，另外还应校核弹簧支吊架的型号是否合适。

由一次应力和二次应力的定义和特点可知，因为一次应力没有自限性，所以它比二次应力更危险，应该受到更加严格的限制。

1.3峰值应力

峰值应力是由于载荷、结构形状突变而引起的局部应力集中的最高应力值，其特点是不引起显著变形，而且在短距离内从它的根源衰减，是一种引起疲劳破坏或脆性断裂的可能根源。

2.管道应力分析任务

2.1管道静力分析任务

首先，需要能够对持续荷载和压力荷载作用下的一次应力，避免塑性出现变形破坏现象，让管道自身的安全性得到保证；其次，计算端点附加位移或者热胀冷缩条件下的二次应力，并且满足标准规范的要求，避免其出现疲劳破坏的现象；再者是对管道和相连的机器、设备的作用力进行计算，并让设备管口和荷载满足制造商提出的要求，让机器和设备的安全性不受到影响；最后是对管道对支吊架、土建结构所具有的作用力进行计算，为土建结构和支吊架提供相应的参考和指导，让其安全性得到保障。

2.2管道动力分析任务

首先，需要对地震对管道产生的应力加以分析，避免管道在地震中遭到破坏；其次，分析往复泵管道、往复压缩机的振型和固有频率，避免管道系统出现共振现象；再者分析往复压缩机管道所具有的强迫振动，对管道所具有的振动应力进行控制，选择针对性的措施来控制管道，避免其由于振动诱发的疲劳破坏；最后为通过声学模拟探讨往复压缩机管道气体诱发的压力脉动，对内部气体的气柱固有压力脉动以及频率进行计算，降低因为压力脉动或者气柱共振过大诱发的管道振动过大的现象。

3.压力管道应力分析的特点

现阶段随着我国科学技术的不断发展以及在压力管道应力分析上技术水平的不断提高，使得在对压力管道的应力进行分析的时候更加的清楚以及解决办法也逐渐有效，但是仍然还是与发达国家在压力管道应力处理上存在着差异，造成差异的主要原因就是因为缺乏规范的校核原则。在对压力管道的应力进行分析的时候设计人员往往会忽视对一次弯曲应力以及局部薄膜的应力分析，不能全面的了解一次应力的受力和产生原因，这就会导致分析压力管道应力数据的时候出现差错，导致后期工作人员以来的数据报告出现错误，进而影响到压力管道的正常运行。分析压力管道的一次应力就要是为了避免压力管道出现坍塌和管道还未运行就出现破裂，而分析压力管道中受到的二次应力就要是为了避免压力管道在使用过程以及在高温和低温变化过程中出现管道涨裂以及凹陷的情况，影响到压力管道的正常运送流体，分析峰值应力的就要是为了在突变管道的部分防止出现管道破裂。

4.总结

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。

参考文献:

[1]张其莘,赵静,崔志伟.压力管道的应力分析及计算[J].石化技术,2016(01):148+204.

[2]李雪晶.浅析压力管道应力分析[J].纯碱工业,2016(01):34-36.

[3]陈跃飞.压力管道应力分析的内容及特点[J].应用能源技术,2016(04):4-7.