基于管道应力分析的大型管道系统设计研究

基于管道应力分析的大型管道系统设计研究

郑祥伟

中国昆仑工程有限公司辽阳分公司 辽宁 辽阳 111003

摘要：在石化工程设计中，管道应力分析主要解决管道的强度、刚度、振动等问题，为管道布置、安装、配置提供科学依据。管道力学分析是证明管系在承受与每类工况相关的荷载时不发生某种形式失效的主要途径之一，尤其是对整个工程而言，其重要性不言而喻。因此， 基于管道应力分析的管道系统设计至关重要。基于此，本文在详细论述了管道应力分析的基本内容，模型假设、计算原理和分析方法基础上，就基于应力分析的管道设计的基本步骤和内容进行了详细阐述。

关键词：管道应力分析；大型管道系统；管道系统设计

1管道应力分析的重要性

对于整个管道工程而言，其重要性主要体现在以下两个方面：

1.1保证系统运行的安全性

管道布置不合理，将会为系统安全运行埋下隐患，如管道接头处被挤压变形或顶坏，管道穿套管处松动致使约束失效，弯头、三通等焊缝处裂缝以及法兰泄漏的现象时有发生，严重者还会引起爆炸或燃烧。为此，对易发生上述现象的管道或管系需进行应力分析，检验并指导管道应力在规范许用应力范围内，保证其具有较好的柔性并指导工艺布置的优化，同时也为管道支吊架的设计提供依据。

1.2优化管道系统设计

由于应力分析是通过计算软件来进行的，因此数据精确，结果可靠，用其辅助配管设计，可以合理地布置支吊架，精确计算支吊架个数及荷载。通过应力分析也可以得出管件、补偿器等管道配件的准确设计参数。

2管道应力分析的内容

2.1静力分析和动力分析

管道应力分析包括静力分析和动力分析。

2.1.1静力分析

包括：①为防止管道发生塑性变形，进行压力荷载、重力和其他持续荷载作用下的应力计算；②为防止管道发生疲劳破坏，进行管道热胀冷缩及端点附加位移等位移荷载作用下的应力计算；③为防止设备受到过大的管道作用力，保证设备的正常运行，进行管道对设备作用力的计算；④为防止法兰泄漏事故的发生，进行法兰的受力计算；⑤为进行支吊架的设计，进行管道支撑点的受力计算。

2.1.2动力分析

包括：①为防止管道系统共振，进行自振频率分析计算；②为控制管道振动及应力，进行管道紧迫振动响应分析；③为防止气柱共振，进行往复压缩机(泵)气(液)柱频率分析；④为控制压力脉动值，进行往复压缩机(泵)压力脉动分析。

2.2应力分类

管道上产生的应力，按其性质和对设备破坏影响的不同，可分为一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力指管道承受内压和持续外载(管道自重和因此产生的支吊架反力)产生的应力。 二次应力指管道由于热胀冷缩和其他位移受约束产生的应力，可见热应力属于二次应力。峰值应力指管道或附件由于应力集中或结构局部不连续(如三通的内转角和焊缝未焊透处)以及由于局部热应力效应(管道由于温度分布不均，产生不同的膨胀而被限制时)附加到一次或二次应力的增加。

2.3荷载分类

管系所承受的荷载包括：

（1）压力及温度荷载。管道会有不同的温度压力组合工况，应力分析中通常选择最不利组合工况计算管道是否满足条件。管道在工作状态下，由内压产生的折算应力不得大于钢材在设计温度下的许用应力。

（2）持续外载。包括管道基本荷载(管道及附件重量、管内介质重量、管外保温重量等)、支吊架反力以及其他集中和均布的持续外载

（3）热涨及端点附加位移。管道由安装状态过渡到运行状态，由于管内介质温度变化，热胀冷缩使管道发生形变，与设备相连结的管道，由于设备温度变化而出现端点附加位移，从而对管道产生约束、使管道发生形变。

（4）偶然荷载。包括风雪荷载、地震荷载、流体的流量和压力的瞬时变化、安全阀或释放阀的反座推力而产生的冲击荷载。此类荷载多系偶然发生，同时发生几率极小，在一般静力分析中，可不予考虑。

3管道应力分析的方法

3．1薄壁假设

鉴于管系的复杂性，要完成管道应力分析就必须对管道的局部几何特性进行简化，否则将导致计算过程过于复杂，而使分析无法完成。

3.2管材应满足的基本物理假定

为了便于计算，也须对管道材料做出一些基本物理假定，具体如下：完全弹性假定：认为管系完全由弹性材料组成，服从虎克定律；连续性假定：认为管道材料由连续介质组成，材料的物理量能够用位置坐标的连续函数来表示；均匀性假定：认为整个材料具有相同的弹性性质；各向同性假定：认为材料内的任一点的弹性性质，在各方向都是相同的；小变形假定：认为管道在外载作用下产生的变形，与管道的尺寸规格相比是微小的。

3.3计算原理

在管道应力分析中采用梁模型进行模拟。静力分析采用静力学的有限单元法，可利用Gauss消元法求解，经过单元分析、单元集成和求解方程的过程，根据计算的位移得到应力、节点荷载。动力分析的有限单元法与结构线性静力分析的有限单元法相似，只是在考虑单元特性时，物体所受到的荷载还要考虑单元惯性力和阻尼力等因素，同样利用Gauss消元法求

解，经过单元分析、单元集成和求解方程的过程，根据计算的位移采用振型叠加法或逐步积分法得到结构的动力响应、固有频率等。此外，对于三通等几何不连续节点采用应力系数增大的方式进行处理，不进行局部详细分析，从工程实践来看，这样是可行的。

3.4管道应力分析的途径

工程设计中，并非所有的管道都需要进行应力计算，也并非所有计算都必须通过计算软件进行。通常，管道应力分析的途径有：目测法、简单计算法和计算软件分析法[4]。随着计算机技术的普及，应力分析藉于计算软件的趋势不断加强，目前，国内外工程设计实践中应用较多的管道应力分析程序有 CAESARⅡ、SYSPIPE、AutoPIPE、ZENPIPE、GLIF与AutoPSA等。

4基于管道应力分析的管道设计与布置

4.1管道应力分析对管道设计与布置的作用

进行管道应力分析的作用有：①使管道和与之相连管件的应力在规范许用应力范围内；②使设备管口和与设备相连接的管道的荷载符合制造商的要求或公认的标准；③计算作用在管道支吊架处的荷载、位移等；④优化管道设计。

4.2管道的选择

4.2.1管径的选择

单向流体的管道，根据推荐的介质流速，按下式计算：

          或者

式中G--介质质量流量，t／h； V--介质比容，m3／kg； W--介质流速，m／s；Q--介质容积流量，m3／h。

4.2.2壁厚计算

对于Do／Di≤1.7承受内压力的管道，直管的最小壁厚Sm应按下列规定计算：

按直管外径确定时：

按直管内径确定时：

式中Sm——直管的最小壁厚，mm； Y——温度对计算管道壁厚公式的修正系数。

4.3管道布置

4.3.1基本布置

在明确设计原则、设计范围、计算边界、系统参数等信息前提下，消化工艺布置图、系统流程图、管道单线流程图等，结合结构模板图进行管道布置。对支吊架初步按照两个滑动一个导向的通行原则布置，明确支吊架的型式、坐标，并考虑固定点、端点位移等边界条件的设置及模型概化。利用应力分析指导管道布置，使用正确的支吊架，选择合适的膨胀节，最终使管系安全稳定，各节点应力较小，体系不易扰动，在柔性和刚性两方面取得良好的平衡。

4.3.2支吊架间距

在管道支吊架设计中，支吊架间距的确定应考虑管道荷载的合理分布、满足管道强度、刚度、防止震动和疏水放气要求。

按照刚度条件，均布荷载水平直管道的支吊架允许最大间距用可以下式计算：

式中Lmax——支吊架的最大允许间距，m； Et——钢材在设计温度下的弹性模量， kN／mm2；

J——管道截面惯性矩，cm4； q——管道单位长度自重，kN／m。

按照强度条件，均布荷载水平直管道的最大支吊架间距按下式计算：

式中W——管道截面抗弯矩，cm3。

水平90。弯管两端支吊架间的管道展开长度，不应大于水平直管道上允许支吊架最大间距的0.73倍。

4.3.3支吊架荷载

合理的荷重分配原则为使荷重的分布应尽量均布，力求自重应力的最大值尽量小。由于管道布置形状的不可控性和复杂性，很难从理论上给出合理的荷重分配方法，现行的方法均带有一定的经验性和猜测成份。支吊架荷载应使用经审定的计算程序，在利用计算机计算时常采用“吊零加给定荷载”条件来分配荷重，即对一般的支吊架按支撑点处管道自重产生的垂直位移为零的变形条件，而对某些支吊点(如吊零分配荷重过大或过小的不均匀点)则需人为给定荷载。大量工程实践证明，这样的分配条件较为理想，符合工程实际需要。

5结束语

综上所述，管道应力分析是大型石化装置管道设计与布置的有效手段，对优化管道设计具有重要意义。因此，在大型管道系统设计中要进一步强化管道应力分析的方法应用。

参考文献：

[1] 陈军．工业管道设计中的应力分析[J].工业设计.2015，25(4)：78～80

[2] 牛华寺，王新庆．AutoPsA在核电非核级管道应力分析中的应用[J].工程研究与设计，2021,15(03):15-17.

[3] 于涛．管道应力分析与管道经济性设计[J].华北电力技术，2019，13(04)：ll～14.