管道应力在化工设计中的分析

蒋雨明 贺文良(.济南石油化工设计院， 山东 济南 50000；

(2.山东鲁新设计工程有限公司， 山东 济南 250000)

随着科技的不断发展，我国的化学研究者在本领域内取得了辉煌的成就。化工与人类的生活息息相关，化工水平的提高，不仅为人们的生活和工作提供了方便、提高了质量，还为社会的健康发展和进步提供了巨大的推动力。管道安全是安全生产的一项重要内容，管道设计专业逐渐成为大学里的热门专业，通过研究管道产生的应力来判断管道的安全性，尽可能用最少的钱设计出最合理的管道。

1 管道应力分类

(1)管道一次应力 一次应力是指因压力或重力等外加荷载而产生的应力。变形程度根据材料不同而不同，有的材料变形不明显，也就是说屈服点不明显，所以规定当残余变形达到0.2%时的应力值，作为“条件屈服极限”，以σ0.2表示。地震载荷、安全阀动作冲击荷载等产生的力都属于一次应力。

(2)管道二次应力 管道二次应力是管道由于受到温度变化所产生的热胀冷缩或着其他位移受到约束而发生的应力。它的主要特征是具有自限性，也就是说管道局部达到屈服点或小量变形引起持续变形，应力开始重新分布，材料应变达到均衡。热应力是二次应力。

(3)管道峰值应力 管道峰值应力是指管道局部热应力或局部结构不连续产生的共同影响叠加到一次应力和二次应力之上的应力增量。峰值应力的主要特征是发生在局部，不会发生显著的变形，仅在以根源为中心短距离范围内导致疲劳裂纹或脆性破坏，危害性小于二次应力。

2 管道应力分析主要内容

(1)静力分析内容 ①分析管道在压力载荷和持续载荷作用下所承受的一次应力，一次压力小于等于管道材料的屈服点时，管道不会发生变形和破坏，这时是可靠安全的。②计算分析管道在温度变化下所产生的热胀冷缩或管道端点在允许空间内所承受的二次压力，计算二次压力可以防止管道材料疲劳破坏。③分析计算管道对工作设备的反作用力，反作用力不要超过厂家提供的工作设备管嘴允许值，否则会破坏工作设备。④计算分析管道支吊架受力和法兰受力。法兰主要用来连接两个管子或两个设备，精确计算法兰处的受力可以将外力和力矩折算成当前压力一般控制在70MPa以下。

(2)动力分析内容 ①分析管道的自振频率。当管道受到外力干扰后管道仍会用振动，振动所产生的频率叫自振频率。分析管道的自振频率可以有效的防止管道系统发生共振，降低共振产生的危害。②分析管道的受迫振动。受迫振动是指管道的振动频率和外力的振动频率相同，影响产品质量。分析管道的受迫振动可以有效的降低管道振动发生的频率和应力。③分析往复式压缩机气柱频率和脉动，防止气柱共振，控制脉动值。

3 管道应力优化措施

管道在设计和施工过程中要进行优化改良，让整个化工生产系统在最佳状态下运行，寿命达到最长。

(1)合理选择和安装管道支吊架 选择支架时，尽可能选择能够控制或减少管道向某个方向发生位移的支架或者可以选择帮助管道去适应变形的支架。

(2)提高管道的柔性和韧性 ①利用U型弯来改变管道走向，提高管道的自然补偿能力。这种补偿方法技术含量高低、成本低、简单易行，在生产中被广泛采用。②安装补偿器提高管道的自然补偿能力。补偿器又叫膨胀节，能够吸收热作用或温度变化所引起的尺寸变化，防止管道变形或破坏。③安装弹簧支架。当管道发生垂直方向的移位时，弹簧支架会伸长或缩短，受力支点会发生变化，就能既不改变管道走向，又能提高管道的柔韧性。

(3)采用管道冷紧法缓解管道应力 管道冷紧法是让在冷状态下的拉力去抵消热状态下发生的位移，冷紧法只是降低管道固定点的推力和力矩，并未改变应力范围，不影响管道的疲劳状态，这种方法简单易行，广泛应用在生产中。但是当管道的一次应力、二次应力都没有超过最大允许值时，可以不采用此种方法。

4 结语

管道设计水平的高低也逐渐成为衡量一个化工企业竞争力高低的重要因素，化工厂选址不同、生产设备不同，配套的管道设计应该随时变化，管道设计的重要性日益凸显。在管道设计中，安全生产、优化措施、材料选择、成本分析等都是管道应力分析的主要研究内容。管道应力分析数据庞大复杂，工作量大，计算过程严密，人为进行难度大，一般依靠相关的计算软件。

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[2]何思然.化工设计过程中管道材料的选用分析.化工管理，2015，(06).

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