压力管道应力的内容及特点分析

李娟 杜小亮 高刚

摘 要：压力管道的安全可靠性能要牵涉到管道所承受的应力，而管道所产生的应力问题，主要来源于外力的荷载状况以及热膨胀状态，如：重力、压力脉动、冲撞等，为了准确辨析管道中的应力状况，需要对压力管道的应力进行分析并计算，以明晰管道对设备所产生的推力，确定其力矩是否在设备承载的安全范围内。这样就可以为化工设计、管材采购、工程建设提供准确的依据，提高建设项目的安全系数，减少不必要的材料成本投入。

关键词：压力；管道；应力；内容；特点

中图分类号：TV732.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）21-0058-02

对管道的应力分析内容是涉及应力计算内容的力学分析，它可以使管道的经济合理性得到核验，能够使管道的应力得到精准的计算和分析，确保管道与设备、土建结构相联的安全性。在工业生产不断深入发展的过程中，管道的实际应用越来越重要，对压力管道的应力分析也是势在必行，这样，就不会导致因应力不当而使管道运行失效的状况，确保管道的运行安全与可靠。

1 压力管道应力分析的意义剖析

管道广泛应用于石油石化产业、化工行业、市政建设行业等，在这些工程投资额大、安全系数要求较高的行业，需要在明晰压力管道的应力概念之下进行分析。应力是指在建设需要中所应用的管道构件的单位面积上所承受的内力，它在外力的荷载之下产生相应增大的值，如果在材料所能承受的强度极限之外，就会产生管材的变形、破裂、失稳等现象，这主要是由于外部的机械荷载和热荷载所形成的。在对管道的应力分析条件下，可以保证工艺装置的良好使用以及其柔性的保持，在对机械荷载和热荷载进行分析和精准的计算之后，得知管道配件的设计参数，进行荷载与应力、应力与变形之间的计算，为管道配置提供合理的数据依据，可以减少对管道的振动干扰，从而使振动频率与震源的振动频率错开，保持管道的安全可靠性能。

压力管道应力分析的主要考虑对象为以下几种常用的管道：

①连接储罐设施的管道，其工程在300 mm以上、温度在100 ℃以上的管道；

②离心压缩机和往复式压缩机管道；

③泵的进出管道；

④蒸汽透平、加热炉、反应器、再沸器的管道；

⑤两相流、脉动流管道；

⑥公称直径为≥100 mm、-50 ℃≥温度≥100 ℃的管道。

2 压力管道应力的分类

2.1 一次应力

由于管道会受到来自于外界的外部荷载，这些外部压力或许是源于重力，或许是缘于风载，或许是缘于外部冲撞等，而在这些压力之下，产生的一次应力要符合与外加荷载平衡的条件，并且当外部荷载无限增强时，一次应力要具有无自限性的特征，它可以分为一次总体薄膜应力（影响全局结构）、一次局部薄膜应力（影响结构局部）、一次弯曲应力（机械荷载条件下截面厚度的线性分布）。在一次应力的增值超过管材的塑性变形值时，就会导致管道的破裂及变形。

因而，需要对管道的一次应力进行严格管控，要留有裕度，防范管材的塑性变形，并以弹性分析和极限分析为前提，对管道的一次应力进行校核及控制。

2.2 二次应力

这是在热胀冷缩条件下产生的正应力和剪应力，它的特征主要表现为自限性的特点，它无法与外界的压力保持平衡，当外部荷载超过管材的屈服极限时，管道会产生局部屈服以及塑性变形，使应力再分布，并使管材达到自均衡状态。

但是，由于管材通常来说，具有较好的塑性，因而，当管材承受初次加载时，不会由于二次应力而破裂；而当管材承受多次反复的变形压力下，就会产生不可承受的疲劳损坏，这主要取决于管材的应力范围和交变的反复次数。

在二次应力的作用下，对于高温管道而言，管道的壁厚增加会极大地提高管材的刚度，也会使管材的截面积和自重增加，从而在自身条件增加的条件下，降低了管道的应力，因而，需要对高温管道的柔性进行分析，校核高温管道的荷载。

2.3 峰值应力

它不是最大应力的全值，而是由于管件的局部结构不够紧凑或连续，而引发的一次应力或二次应力的增量，它不会像一次应力和二次应力那样，引发管道的显著变形，对于管道没有根本性的改变和衰减，而是一种管道疲劳或脆性破裂的现象，产生峰值应力的影响因素有多方面的原因，如：温度、压力、管径、荷载、跨距等，由于各方面因素的影响，需要对管道的峰值应力进行校核，在对管道的循环荷载下进行疲劳分析。

3 压力管道应力的内容

3.1 压力管道应力分析的前提

3.1.1 温度的计算

要以20 ℃的环境温度为前提，考虑正常作业条件下的各种影响温度的因素，如：吹扫、开工、停车、除焦等。

3.1.2 压力的计算

要考虑内外压的条件下，压力与温度相耦合时的最大压力值。

3.1.3 荷 载

由于建设工程、行业的不同特征，管道具有复杂的分布结构，要受到多种因素的制约，如：风、土壤、地质条件等，产生压力管道的应力的主要原因即是荷载。这些荷载主要体现为以下几个方面：

①压力荷载。

在管道的壁面之上，管道要承受不同介质的内压，在不同的介质内压条件下进行压力荷载计算。

②持续荷载。

这由自重荷载和偏心荷载组成，自重荷载是在重力加速度的条件下加以施加的荷载；偏心荷载是在支架、吊架的反作用力产生的荷载。

③热胀荷载。

这是一种非垮塌性荷载，它是由于外部温度的温差作用而产生的热胀冷缩效应而产生的。

④位移荷载。

管道在移动的过程中，由于在安装管道的时候，设备运作过程中会产生发热的温度变化，会产生一定的约束力，对管道形成附加荷载，从而导致管道的端点位移。

⑤偶然荷载。

这是在意外的外界冲击下形成的荷载，会对管道产生程度不同的影响，具有偶然性和不确定性，对于管道的应力影响也只是暂时性的，不会产生根本性的影响。

3.2 压力管道应力的内容分析

3.2.1 管道应力的静力分析

对于管道的压力应力的静力分析，需要从以下几个方面加以考虑：

①静力分析计算出管道在压力荷载和持续荷载作用下的一次应力，从而防范管道的塑性变形；

②静力分析计算管道在热胀和位移荷载作用下的二次应力，从而防范管道的疲劳损坏。

③静力分析管道与相连设备的作用力，确保管道及相连设备的安全可靠。

④静力分析管道上的法兰受力状况，预防法兰泄漏。

⑤静力分析管道位移或碰撞的状态。

⑥静力分析管理对支架、吊架的作用力，确保安全。

3.2.2 管道应力的动力分析

对于管道应力的动力分析，需要从以下几个方面加以考虑：

①动力分析管道在地震状况下所产生的应力，确保管道的安全可靠；

②动力分析压缩机和泵管道的固有频率和振型，避免管道在这种情况下产生共振。

③动力分析压缩机管道的振动应力，预防管道在振动状态下的疲劳破坏。

④动力分析管道气体所产生的压力脉动，对气柱固有频率和压力脉动进行计算，防范在压力过大的情况下管道产生较大的振动。

⑤动力分析支架的荷载状况，从而为结构设计提供依据。

3.2.3 管道静力分析和动力分析之间的关联

静力分析管道的任务主要在于对管道进行柔性设计，在足够的柔性条件下，管道可以克服热胀及位移产生的变形，使其各节点的应力在限定额度之内。

动力分析管道的任务主要在于对管道进行防振设计，要尽量避免各种振动对管道的干扰，要尽量使管道保持较小的刚度以及良好的柔性，在合理布设管道支吊架的前提下，得出优化的比较结果。

4 压力管道应力分析的特征

①压力管道的应力分析对管道的薄膜应力和局部弯曲应力没有进行细分考虑，仅对一次总体薄膜应力实施了校验，而对一次弯曲应力和一次局部薄膜应力并未校核。

②对于管道的一次应力计算和二次应力计算，各有其目的和任务，对于一次应力计算而言，是为了提高管道的承受压力；对于二次应力计算而言，是预防管道的热变形状态下的偏移问题。

③对于管道的二次应力校验重点是核验管道结构的可靠性与稳定性，最大限度地减少压力管道的低周疲劳状态。

④对于管道的一次应力校验与剪应力理论不相吻合，它在计算过程中并不对管道的纵向应力进行计算，而是重点考虑管道弯矩和扭矩的功效。

5 结 语

综上所述，压力管道应力分析具有复杂的特性，它涉及广泛的应力分析内容，也与相连的设备和结构安全相关联，对压力管道的内容分析主要是侧重于对管道整体系统的测试，是包括应力计算在内的力学分析，在对管道应力进行验算的过程中，要尽量确保计算的精准，从而确保管道的运行安全。

要对压力管道进行一次应力分析和二次应力分析，并在分类校核的条件下，减少各种应力对管道的干扰，并为压力管道的安装提供必要的应力测试，从而提升管道工程质量。

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