工业管道应力分析概述

王先建（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330000）

工业管道应力分析概述

王先建（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330000）

为了能够对工业管道设计中的应力分析进行较好的研究，本文就工业管道的应力分类、应力分析的主要目的和内容、应力分析方法及分析流程等方面进行了论述，并结合具体的实例进行了分析。

管道应力；管道柔性；应力计算

1 前言

工业管道设计主要包括装置设备的布置、管道布置、管道材料设计和管道应力分析四项工作，其中工业管道应力分析是工业管道设计安全、经济和合理的保障和重要方式。

当管道在外力作用下不能产生位移时，管道的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称之为应变。管道变形的基本形式可分为拉伸（压缩）、剪切、扭转和弯曲四种，受多种荷载作用的管道变形都可视为这四种基本变形的组合。管道的基本变形形式是解决复杂应力状态问题的基础。本文主要针对工业管道应力分析作简要说明。

2 应力概念及特点

管道及其元件能够承受的最大荷载除与材料本身的物理性能（如材料的刚度和强度）有关外，还与其规格尺寸、壁厚、结构形状、空间布置等有关。管道及其元件的破坏实质上反映了材料物理性能的破坏，即受力超出了材料性能指标。将管道元件的受力与材料物理性能指标挂钩，消除管道元件的规格尺寸、壁厚、结构形状等因素的影响而直接以材料的性能指标作为设计判据。

应力一般随外力的增加而增长，但对任一管道材料，当应力超过管道材料能承受的限度时，材料就会破坏，此时这个极限称为该材料的极限应力。极限应力通过材料的力学实验来测定。将测定的极限应力作适当的降低，规定出材料能安全工作的应力最大值，这就是许用应力。材料若要安全使用，则在使用时其内应力应低于其极限应力，否则在使用时材料会发生破坏。

材料在工作时，其内部的应力可分为静应力、交变应力和应力集中三种。材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏，材料所能承受的交变应力远低于其静载下的强度极限。另外，材料由于截面形状的改变而引起应力局部增大，这种现象称为应力集中。对于组织均匀的脆性材料，应力集中将大大降低构件的强度，设计时应特别注意。

3 管道应力分类

管道在压力荷载、机械荷载及热负荷等作用下，在整个管道或某些局部区域产生不同性质的应力。

3.1 按应力方向

按管道应力方向分为：环向应力、轴向应力、径向应力、剪切应力。

3.1.1 管道环向应力

管道环向应力又称为切向应力、周向应力，简写为SP。管道环向应力是由管道内压或外压产生的。

3.1.2 管道轴向应力

管道轴向应力又称为纵向应力，简写SL。管道轴向应力主要包括：内压或外压所产生的轴向应力、活动支架的摩擦力所产生的轴向应力、管道自重和热膨胀所产生的力和力矩作用在管道上的轴向应力以及其他力和力矩作用在管道上的轴向应力。

现重点讨论管道运行和安装时因温度不同而产生的轴向应力。常温下安装的管道，当运行时，管道内温度与环境温度不一致时，管道会发生热胀冷缩。根据胡克定律，当构件横截面上的正应力未超过材料屈服极限时，应力与应变成正比，即SL=E×ε，其中E为材料的弹性模量，表示材料抵抗变形的能力，E越大则抵抗变形的能力越强。ε为管道轴向长度相对变化率，即ε=，其中△L为管道因运行时与环境的温差引起的膨胀量，△L=α·△t·L，其中α为管材的线膨胀系数。

经上述推导后，因温度引起的轴向应力计算公式为：SL= E·α·△t。

3.1.3 管道径向应力

管道径向应力简写为Sr，是由管道的内压或者外压产生，当管道承受内压时，内壁的径向应力最大，外壁的径向应力为零。与管道环向或轴向应力相比，管道的径向应力较小，可忽略不计，但管道外径与内径的比值大于1.1的高压管道除外。

3.1.4 管道剪切应力

管道剪切应力，简写为τ，主要由管系的热胀、自重作用于管道的扭矩和剪力所产生。

3.2 按应力对管道的破坏作用

按应力对管道的破坏作用，将应力分为一次应力、二次应力、峰值应力。

3.2.1 一次应力

一次应力是指外加荷载，如压力、重力等作用产生的力。一次应力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。因此在管系的应力分析中首先应使一次应力满足许用应力值。

3.2.2 二次应力

二次应力是指由于管道变形受到约束而产生的正应力或剪应力，它本身不直接与外力相平衡，二次应力主要特征有：

（1）管道内的二次应力通常是由位移荷载引起的，如热膨胀、附加位移、安装误差、振动荷载。

（2）二次应力有自限性，当局部屈服和产生少量塑性变形时，能通过变形协调使应力降下来。

（3）二次应力是周期性的（除去安装引起的二次应力）。

（4）二次应力的许用极限是基于周期性和疲劳断裂模式，不取决于一个时期的应力水平，而是取决于交变的应力范围和交变的循环次数。

3.2.3 峰值应力

峰值应力是由于荷载、结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的应力最高值。峰值应力的特征是整个结构不产生任何显著的变形，它是疲劳破坏和脆性断裂的可能根源，如管道中的转弯半径处、焊缝咬边处等处的应力。对峰值应力的评定，在工程上一般采用应力集中系数进行简化求解。

4 工业管道应力分析的主要目的和内容

4.1 工业管道应力分析主要目的

管道应力分析主要解决管道的强度、刚度、振动等问题，为管道的布置、安装提供科学依据，主要体现在以下几个方面。

4.1.1 保证装置运行的安全性

管道布置不合理，将会使整个装置运行存在隐患，如管道因热应力而导致管架被推倒、设备管口撕裂或顶坏、弯头和三通等焊缝处裂缝、法兰泄露等；若管道或管系的固有频率与振源频率相同则还会产生共振。这些现象都属于应力分析范畴，通过对管道或管系进行应力分析，可保证其具有较好的柔性，避免共振产生，保证装置稳定安全运行。

4.1.2 保证管道系统设计安全的要求

管道安全性能的总体要求包括耐压强度、密封性和耐腐蚀性。

4.1.3 保证管道的柔性

管道的柔性反映管道变形难易程度。在操作工况下，因热胀冷缩、端点附加位移、支承位置设置不当等原因而使管道产生应力过大、变形、泄露或破坏，影响管道的正常运行。管道的柔性指管道通过自身变形吸收因温度变化引起的位移，降低管道的应力，保证管道上的应力在材料的许用应力范围内。

4.1.4 减少工程投资

通过应力分析可合理的布置管架，准确计算管架的个数及承重，从而减少不必要的土建投资。另外通过应力分析可获得弹簧、管件、补偿器等元件的准确设计参数，从而使投资更加合理化。

4.2 工业管道应力分析主要内容

管道应力分析最主要内容就是对工业管道进行载荷、应力、变形等各类力学分析，并以此最大程度上避免工业管道出现变形、位移以及破坏等问题，管道应力分析分为静力分析与动力分析两类［3］。

4.2.1 静力分析

静力分析指在静力荷载的作用下对管道进行力学分析，并进行相应的安全评定，使之满足标准规范要求，见表1。

表1 静力分析内容

4.2.2 动力分析

动力分析指往复压缩机和往复泵管道的振动分析、地震分析、水锤和冲击荷载下管道的振动分析，其目的是使地震和振动的影响得到有效控制，见表2。

表2 动力分析内容

5 管道柔性计算的范围和方法规定

管道是否需要进行详细的应力分析，一般与管径、温度和所连接的设备有关，不同国家、不同行业、不同公司、不同工程经常互相参考和借鉴。实际设计中，并非所有的管道都需进行详细的应力计算，也并非所有的计算都必须通过计算软件进行。

一般管道应力分析方法有：目测法、简单计算法、计算软件分析法。

5.1 目测法

目测法适用范围：

（1）与运行良好的管道柔性相同或没有重要变动的管道（2）和已分析的管道比较，确认有足够柔性的管道

（3）分析人员具有一定的相关经验。

5.2 简单计算法

简单计算法适用于具有同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无中间约束的非剧毒或非高度危害的介质管道。

其柔性计算经验公式为：

式中：D0为管道的外径，L为管道的伸展长度，U为管道两端的连线长度，δ为管道总热位移量，

由于上述公式为简化计算，有其局限性，不适用于下列管道：

（1）在剧烈循环条件下运行、有疲劳危险的管道；

（2）大直径薄壁管道（管件应力增强系数i≥5）；

（3）与端点连线不在同一个方向的端点附加位移量占总位移量大部分的管道；

（4）L/U＞2.5的不等腿U型弯管道，或近似直线的锯齿状管道。

管道的柔性计算方法除上式外，还有Grinnell法、Tube Turns法、M.W.KelloggCo.法等。这些方法一般是利用数据表或线图来计算两端固定的简单管道柔性，包括作用力和应力范围，其计算结果有一些差异。

5.3 计算软件分析法

当目测法和简单计算法都不能判定管道的柔性，或者规范要求必须进行详细应力分析的管道，则需采用计算软件来进行详细的应力分析。

目前适用较多的管道应力分析软件有：CaesarⅡ、Atuo Pipe、Triflex等。其中CARSARⅡ适用较为普遍，该程序是进行管道静力分析和动力分析的专用程序，功能比较齐全，可考虑管道的非线性约束，如管道与支架之间的摩擦力、限位支架的间隙等，通过计算可得出设备管口受力、管架受力、管道的一二次应力、法兰受力、弹簧规格、各节点位移和管道振动频率等。

6 应力分析流程

对于需要进行详细应力分析的管道，需要利用应力计算程序进行分析，使用计算机软件3D模型做管道布置设计的详细应力分析流程见图1。

图1 应力分析流程图

使用应力计算软件分析管道应力的流程见图2。

7 结论

管道应力分析是管道设计中不可或缺的环节，管道应力计算为管道布置、安装提供了科学依据，可保证管道及装置的安全运行，同时也为优化管道布置和节约项目投资提供了思路。

图2 计算程序流程图

［1］梁军.工业管道设计中的应力分析［J］.山西化工，2005，04：78～80.

［2］万波，赵浩.管道设计中的应力分析［J］.广东化工，2013，05：161～162.

［3］王洛春.管道应力分析软件在石化工程设计中的应用［J］.化学工程与装备，2009，05：121～122.

［4］袁立方.热力管道设计中的应力分析［J］.广西轻工业，2009，07：57～58.

［5］吴震，德泊亭.工业管道设计中管道柔性分析的研究［J］.化工管理，2014，05：120～121.

TQ05

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2095-2066（2016）30-0253-03

2016-10-11