解析化工设计中的管道应力分析

都基环

摘 要：管道应力分析，是化工设管道设计过程中尤为关键的一环，而就其中的化工管道设计而言，其又是整个化工工厂设计中一个十分重要的组成部分，因此，为了以一种更为清晰、明了的方式将化工设计中的管道应力分析相关方面为相关读者呈现出来，本文将紧紧围绕着化工设计中管道应力分析这一中心主题，对管道应力的类型、管道应力分析的主要内容、应力分析管道的类型、检测方法以及管道应力的校核规范，管道应力分析软件的选择等几个方面的内容进行阐述和说明。

关键词：化工设计；管道设计；应力分析

前言：如今，我国的各项经济在经过几十年的发展过后，正经历着前所未有的繁荣，而我们应该知道的是，在这繁荣发展的背后，实际上是大量先进设备的部署以及、生产技术的研发和使用。事实上，就如今的化学工业来说，其所使用的生产装置已经不断走向大型化和复杂化，而在这种装置之中，标志性的便是大量高温、高压以及大直径管道的使用。这种使用性能作用的发挥，实际上又离不开对求安全性的评价与检测，因为只有在安全性得到保障的条件下，整个化工设计才能变得更为可靠。为此，管道分析就是应着这一安全评价和检测的需求而提出的，但其自身又是一个复杂环节的集合体，我们有必要加强对其的认识和把握。

一、管道应力的种类

在文章开篇之前，我们先对本文的主体—管道应力，进行简要的分析和介绍，以为接下来对其相关方面的进一步论述奠定一定的基础。

一次应力是指由于外加荷载，如压力和重力等的作用而产生的应力。一次应力的特点是：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，管道将产生塑性变形而破坏。管道承受的介质内压、自重、介质重量等持续外荷载而产生的应力属于一次应力。

二次应力是由于管道变形受到约束而产生的应力，它不直接与外力平衡，二次应力的特点就是具有自限性，当管道局部屈服和产生小量变形时应力就能降下来。二次应力过大时，将使管道产生疲劳破坏。在管道中，二次应力一般由热胀冷缩和端点位移引起。

峰值应力是管道或附件由于局部结构不连续或局部热应力效应（包括局部应力集中）附加到一次应力或二次应力的增量。它的特点是不引起显著的变形，而且在短距离内从它的根源衰减，它是一种导致疲劳裂纹或脆性破坏的可能原因。管道附件上小半径圆角处、焊缝未焊透处的应力，均属于峰值应力。

二、管道应力分析的主要内容

当然，就管道应力分析来说，其实际上是一个系统性的工作，因为就其自身来说，其主要包括多个内容方面。

管道应力分析的任务，主要是对管道进行载荷、应力、变形等各类力学分析，使管道在设计条件内的各种载荷的作用下，能有效地抵抗不被允许的变形、位移和破坏，保证管道的安全性和经济性。管道应力分析分为静力分析（含疲劳分析，风载荷及地震载荷分析）和动力分析。对一般管道，通常只做静力分析即可，但对一些特殊工况的管道则应做动力分析（如往复泵、往复式压缩机的进出口管道）。

三、应力分析管道的类型及分析方法

我们知道，就化工厂的管道而言，其有着不同的类型，而这种类型实际上也需要有着不同的分析方法与其相对应，总的来说，常用的应力分析的方法有目测检验法、简单分析法（图表法、公式法）和计算机辅助应力分析法。管道设计中通常根据介质的危险性、管道操作工况、地震烈度、行业类型等来确定应力分析的方法。

1、目测检验法

目测检验法不需要进行详细的应力分析，但需目测者具有相当的工程经验。与运行良好的管道（或已分析的管道）的柔性相同或基本相当的管道可以采用目测检验的方法。

2、简单分析法

简单分析法能确保管道有足够的柔性，尽管不能提供准确的载荷和应力，但这种分析简单而快速，甚至可以由非专职应力分析工程师来完成。

3、计算机辅助应力分析

使用专门的管道应力分析软件对管道进行详细的应力计算和结果分析。计算并分析评定管道各分支点的应力、约束点和端点（设备管口）的力和力矩等。

四、管道应力分析的规范及软件

事实上，就应力分析而言，其并不是一个简而易行的工作想，相反的，其需要依据相应的规范，选用相应的软件，进行严格的控制，总的来说，其主要体现在以下几个方面：

1、规范：

（1）GB50316-2000《工业金属管道设计规范》（2008 年版）

（2）GB/T 20801-2006《压力管道规范》

（3）HG/T20645-1998《化工装置管道机械设计规定》

（4）SH/T3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》

（5）GB150-2011《钢制压力容器》

（6）JB/T8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》

（7）JB/T8130.2-1999《可变弹簧支吊架》

（8）GB 50251-2003《输气管道工程设计规范》

（9）GB 50253-2003《输油管道工程设计规范》

2、软件：

目前国外工程设计中常用的应力分析的软件有 AutoPIPE、CAEPIPE、CAESAR、FlowPhase、PIPE-FLO、PipePak、SIMFLEX、ZENPIPE 等。我国自 80 年代初开始引进应力分析软件，其中以CARSARⅡ在国内工程设计中的应用最为广泛。近年来一些国产优秀软件也因其更贴近国人的使用习惯、价格等优势也得到了越来越多的应用，如长沙优易软件的 AutoPSA。上述应力分析软件的优势领域各不相同，根据工程实际情况选择合适的软件，对管道设计和计算将起到事半功倍的效果。

结语：经过上文的分析和介绍，我们对管道应力的种类、应力分析的主要内容、分析方法以及工具等方面的内容有了一定的了解，从中我们可以深刻地认识到，面临着如今化工产业不断发展以及大量管道设施使用的严峻现实，如何通过相关措施的提出和采用，提升化学化工装置的安全性能显得尤为重要和必要。事实上，就管道应力分析来说，其作为一种运用相关方法，对管道的实际情况进行分析和勘查，对于确保和提升管道设施安全性来说，具有十分关键的意义，然而，这种关键意义的实现，实际上依赖于我们采用合适的管道应力分析方法，严格依照相关管道应力规范，并选用合理的软件，并不断提升自身的操作能力和操作素养。

参考文献：

[1]杜志勇.管道应力分析在工程上的应用[J].中国高新技术企业，2011.01endprint