管道应力分析概述

刘豫（青岛海工英派尔工程有限公司，山东 青岛 266101）

管道应力分析概述

刘豫（青岛海工英派尔工程有限公司，山东 青岛 266101）

本文介绍了管道应力的分类、应力分析常用标准以及管道分析的主要内容，运用CAESARII对管系模型进行应力分析，通过合理优化管道布置以减小应力所造成的影响。本文结合工程实例分析管道应力所带来的影响，深化了对管道应力安全的认识。

应力分析；软件；支吊架

1 管道应力分析概况

1.1 进行应力分析的原因

管道在运行过程中可能存在压力、重量、风、地震、设备震动等外力产生的荷载，而荷载是产生应力的主要因素。管道应力分析的目的是防止管道疲劳及塑性变形破坏，保护设备正常运行，为支架设立提供依据。根据应力分析的结果，通过调整管道的走向、增加支吊架或补偿器的方法，保证与管道相连的设备和结构设施的安全。

1.2 进行应力分析的管线类别

在设计过程中，满足以下条件的管线需要应力计算：极端温度（高温、低温）、高压、大直径薄壁管道、剧烈工况运行、和泵、压缩机、反应器等设备相连的管道等。[1]

2 压力管道应力分析

2.1 应力分析常用标准

压力管道的校核标准根据管道内不同的介质类型，可划分为几类不同的校核标准。国内常用的几种标准，工艺管道参照GB 50316《工业金属管道设计规范》；输油管道参照GB 50253《输油管道工程设计规范》，同时可参照SH/T 3041《石油化工管道柔性设计规范》[2]。国外标准通常使用美标ASME，包括：

ASMEB31.1Powerpiping——动力管道

ASMEB31.3Process Piping——工艺管道

ASME B31.4 Pipeline Transportation Systems for liquids and slurries

——液态烃及其他液体管线输送系统

以上国内外标准主要针对管道系统，在计算管嘴受力、动力分析时还应参照压力容器及各类动设备的设计规范。使用不同标准得出的计算结果也不尽相同，选择适当的标准能让计算结果更接近实际工况。

2.2 管道布置及模型的建立

管道应力分析包含静力分析及动力分析。静力分析包括了管道的一次应力及二次应力，管道对设备、支吊架及法兰的受力分析；动力分析主要为振动设备的频率分析。改变管道应力可从多个方向着手，加强设备管口防止作用力过大，分析振源找出控制管道振动及应力的对策等。常用方法是在管系中合理设置支吊架及改变管道布置以增加管道柔性，达到减小应力及振动的目的。简单管系模型可进行简单手算，复杂管系需要用软件建模计算，计算结果经审核无误后作为正式文件保存。

2.3 合理选用及设置支吊架

合理设置管道支吊架能在满足一次应力的的前提下，减小二次应力、管系震动所造成的影响。

管道支吊架按其主要功能可分为三大类：承重支架、限至支架、减振支架。每个类别中又包括几种不同功能的支架，如承重支架中的刚性支吊架，适用于无垂直位移的场合；限至支架中的导向架，适用于管线有轴向位移，但需限制横向位移的场合；减振支架中的减振器则用于限制管道的振动[3]。

支吊架的设置有几个要点：在集中荷载较大的管件处设置承重支架；承重架距离不大于管道的最大跨距；敏感设备（泵、压缩机等）附近设置弹簧支架，减少设备管嘴承受的管道荷载；振动管道的支吊架应独立于建筑物、构筑物，防止将振动传递到建筑物上；需要详细应力计算的管道，根据应力计算的结果设置支吊架。

2.4 增加管道的柔性

管道柔性反映了管道变形的难易程度,表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其它位移变形的能力。通常采用以下三种方法来增加管道柔性,改善管系的受力状况:一是改变管道走向,增加管道的自然补偿能力。为增加管道柔性，通常在长直管段增加“π”型及“U”型弯，增加管系的热位移。二是选用膨胀节。通过膨胀节波纹管的伸缩变形，可以有效吸收管线由于温度变化原因产生的冷热位移，减小管线受到的应力。三是选用弹簧支吊架。弹簧支吊架用于减少位移应力，设置后可以获得恒定的支撑力，减少管线的附加应力[4]。

表1 部分管道节点应力分析结果

3 管道应力实例分析

某装置输油管道采用φ273X7.8的20#无缝钢管，由泵输送到相邻储罐。该管道的设计压力1.2MPa，温度80℃。CAESAR II中建模如下（图1），泵出口、储罐入口设置固定点，在阀门等有集中荷载处设置承重支架，根据管道跨距及管道走向设置导向架。

图1 CAESAR II中的管道模型

建立模型后，选用ASME B31.3对管道应力计算进行矫正。由于计算结果较多，现列出部分管道节点的应力情况（表1），所有应力分析结果均符合ASMEB31.3中的要求。

4 结语

管道的动力分析比较复杂，需根据与管道相连的振动设备建立对应的数学模型计算。对于管道静力分析而言，设置管道支吊架可以承受管系自身荷载及外部荷载，将一次应力控制在许用应力范围内；同时通过限制管道不同方向的位移，达到调整和改善管系应力分布的目的。改善管道的柔性方式有多种方式，从经济型及安全性的角度分析，首先应尝试管道的自然补偿，如果因为空间受限或经济核算数据时，可适当选用补偿器。本文主要概述了压力管道应力分析的目的及应对方法，说明了应力分析在管道设计中的重要性，对于管道设计工作中的应力分析提供了有效的借鉴方法。

[1]唐永进.压力管道应力分析.中国石化出版社[M].

[2]唐永进.压力管道应力分析的内容及特点.石油化工设计[J].2008.25(2):20-24.

[3]SH/T 3073-2004石油化工管道支吊架设计规范.[M]中国石化出版社.

[4]许文欣,张强.化工设计中的管道应力分析.辽宁化工[J].2003.32(3):117-119.