如何正确分析化工管道设计中的管道应力

如何正确分析化工管道设计中的管道应力

刘旭

山东齐创石化工程有限公司，山东淄博255000

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。因此本文主要分析了化工管道设计中的管道应力，仅供参考。

关键词：化工管道；管道设计；管道应力

引言

近些年来，化工涉及到管道设计技术受到了越来越多的关注。对于此类技术来说，其中涉及管道应力分析与计算是极为重要的部分，对于研究管道在各种荷载下的应力表现有着突出的作用，且有助于安全经济管道的设计。就当前的基本情况来看，管道应力分析对管道的安全生产以及优化设计等都有着显著的功效，且已成为石化和电力等工业管道设计中的重要基础。

一、管道应力

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]。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。

二、管道应力分类

现阶段管道设计中，应力条件通常包括三种，分别是一次应力条件、二次应力条件、峰值应力条件。一次应力管道结构设计过程中的一次应力产生的主要原因是外力荷载条件，例如压力、重力等外力条件，这些将会对管道结构的稳定性产生直接影响。一次应力具有非自限性特征，并且可以与外加荷载力相平衡。当外载力增加时，一次应力也会增加，如果增加的外力比管道材料的屈服限度大，管道结构就会有塑性变形发生，从而造成管道损坏。管道设计中常见的一次应力包括管道内介质的重量压力、介质内压力、自重力等类型。二次应力管道结构在发生变形时，因受到约束而产生的应力是二次应力。二次应力不能和管道外力直接相互平衡。具有一定自限性是二次应力的重要特征。如果管道结构发生局部屈服或者有较小的形变发生，将会降低其应力大小。管道结构在二次应力过大时，将会发生疲劳破坏。造成管道二次应力产生的主要因素有断点位移、热胀冷缩等。峰值应力一般是因为在管道附件、管道结构等局部有热效应或是不连续类型力，和一次应力或二次应力相叠加，在应力增量下产生了峰值应力。峰值应力的特点是隐蔽性强，峰值应力下结构变形不显著。此外，基于峰值应力的影响，峰值应力容易造成管道发生疲劳裂纹、脆性破坏等问题。峰值应力一般发生在管道中焊缝没有完全焊透的位置，以及管道结构附件小半径圆角的位置等区域。

三、管道应力分析

对于管道的应力分析来说，主要涉及静力和动力两种。需要注意的是，一个管系对动态荷载和对同等大小静态荷载的响应并不相同。由于静态荷载是缓慢地累积增加，管道系统内部能够做出一定的反应和调整。而动态荷载则会在短期内出现巨大的变化，这样管系就很难及时地做出调整，而荷载不平衡的情况就会随之出现。对于静力分析来说，应重点关注以下内容:（1）对压力荷载和持续荷载条件下的一次应力进行计算分析，其应力值没有超过管材应力限制的即代表合格。（2）对管道热胀冷缩和端点附近位移载荷条件下的二次应力实施计算，操作时应防范疲劳破坏的不良情况。这方面处理的过程中，应重点关注热胀许用应力（3）对于管道对设备作用力的计算来说，应谨防作用力较大的情况，以切实地保障设备的正常运行。需要注意的是，设备的管嘴应力应控制在出厂的既定标准内，离心泵和加热炉等也应符合国家相关的技术标准，相应的计算也应符合行业的相关要求。（4）对管道支吊架实施计算，以为后续相关的设计提供有利的条件。（5）对管道上的法兰受力进行计算，以确保这方面处理的规范严谨。通常来看，管道上的法兰应力应保持在70MPa以下。精确地来讲，法兰的外力和力矩可作为当量压力分析的基础，通过其与管道设计压力相加，即可得到法兰的设计压力。所涉及动力分析，一般包括以下几个方面的内容:①管道自振频率的分析，以防管道系统出现不良的共振。②管道强迫振动的响应分析，通过管道振动和应力的控制具体落实。③对往复式压缩机的气柱频率实施分析，切勿出现气柱共振的不良情况。④对往复式压缩机的压力脉动实施分析，以为相关处理的稳定与高效提供切实的保障。

四、改善管道应力方法

1、优化管架位置及型式不同的支架型式对管系的热胀约束作用是不同的。刚性支架的刚度无穷大，限制了约束方向的位移;弹性支架的刚度较小，它对管道有一定的约束作用，同时又允许管道有一定的位移。优化管道支吊架的型式和位置来改善管道柔性时只能在一定范围内改善管道柔性。

2、优化管道的空间走向

在管道布置时，设备布置一般不再调整，因此管系两端的位置也就固定不变了。当管道在某一方向过于刚硬时，增加与其垂直方向的管道长度可减小管道刚度。可以在平面和空间布置允许的情况下，将管道走向优化，将管道整体走向改为“L”形管段、“U”形管段或空间“Z”形。若管道弯头若设置得当，即使在不增加管道展开总长的情况下也可提高管道柔性。

3、选用管道补偿器

管道补偿器又称为伸缩器或伸缩节、膨胀节，主要用于补偿管道受温度变化而产生的热胀冷缩。如果温度变化时管道不能完全自由地膨胀或收缩，管道将产生热应力。管道补偿器适用于高温、低压、大直径管道，但管道补偿器与工艺管道本体相比，远比工艺管道本体薄弱。因此，出于安全方面的考虑，对于高压和高危介质管道不易选用补偿器。

4、采用冷紧方法进行施工

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。

5、应力分析要符合规定

在化工设计过程针对管道应力的确定一定要满足相关的规定要求。在计算管道压力时需要综合分析工况危险因素，即是对管道的压力恶劣环境之下产生的变化，同时还要对管道的温度、压力之间存在的相互关系进行全面的分析；分析管道应力时，一般按照需求合理的软件综合性测定管道应力的动力特征、静力等方面特征，并且以《压力管道规范》相关标准作为基础进行设计。

结语

设计人员在进行石油化工管道应力设计作业时，为有效的提升管道应力设计质量，同时减少应力设计质量不合格，造成的安全事故，管道泄漏，以及其他不良现象。

参考文献

[1]王帅,王倩,王泽瑞.化工管道应力研究现状——基于CNKI数据库的文献可视化分析[J].广东化工,2021,4812:108-109.

[2]阳奇利,王瑞涛,邹时宇,汤师恒,李鸿辉,李松明,龚凌诸.有限元法在化工管道应力分析中的应用[J].化学工程与装备,2016,12:248-249.

[3]聂伟.基于有限元法的高层民用建筑暖通空调管道应力分析及支撑优化研究[D].重庆大学,2019.

[4]朱艳.含缺陷压力管道应力分析及合于使用评价方法的研究[J].化工安全与环境,2022,3509:19-21.