关于化工设计中管道应力的研究

岂洪志常少博

（1湖南中化恒科工程设计有限公司，湖南 长沙 410000）

（2河南省发展燃气有限公司，河南 郑州 450000）

关于化工设计中管道应力的研究

岂洪志1常少博2

（1湖南中化恒科工程设计有限公司，湖南 长沙 410000）

（2河南省发展燃气有限公司，河南 郑州 450000）

在化工设计中，管道设计最为关键，设计管道过程中必须首先对管道应力进行分析，打好设计基础。本文主要介绍了化工管道应力的几大分类及管道应力的主要分析内容，同时提出了化工设计中减少管道应力影响的相关技术措施。

管道应力；化工设计；分类；应力计算范围；技术措施

化工设计中必须首先为管道应力给出合理设计方案，进而促进安全生产进程，同时实现生产成本节约目标。就目前发展来看，化工设计中的管道应力设计研究已经成为行业领域发展的主流趋势。

1 管道应力的基本内涵与分类

1.1 管道应力的基本内涵

管道应力主要指管道在受到外力作用过程中，管道内部产生抵抗外力作用的对应内力，该内力会与外力形成彼此之间的相互作用，希望将外力所导致的管道形变恢复到受力前原始状态。所以说，管道某处受外力产生形变位置一定也会同时产生相应内力。

1.2 管道应力的基本分类

管道应力并不是单一内力，它也存在多种类型。但从本质上来讲管道应力会伴随外力作用同时产生，是相对应的一种力。当然，管道在受到不同外力应力后，其所产生的内力应力类型也会有所不同。具体来讲，管道应力主要包括以下3种。

首先是一次应力，它是指在受到外在重力、压力、外加荷载与介质内压等等外力作用下所相应产生的内力应力。该一次应力的基本特征就是没有自限性，当外加荷载不断增加过程中，一次应力也会相应增加，但它始终满足与外加荷载间的应力平衡关系。但当压力超过管道材料承受能力范围时，管道就会发生塑性形变最终被破坏。所以说，一次应力的产生主要以持续外荷载应力为主。而一般管道所承受的持续外荷载则主要以管道自重、介质内压及介质重量为主。

其次是二次应力，化工设计管道会受到一些外界不确定因素影响，进而导致形变现象发生，用来对抗这种形变所产生的管道应力就是二次应力。比如比较常见的热胀冷缩现象，管道位移形变现象等等。二次应力其自身是存在一定自限性的，这种自限性并不能像一次应力那样可以保证外加荷载平衡，换言之二次应力不能随外加荷载的增加而相应增大，但管道能通过自身局部变化来有效降低管道应力。如果外加荷载超出管道自身承受荷载极限，管道依然还能保持完好不被破坏，然后再对应力进行二次分布。

二次应力的具体评定标准为σE≤[σ]A，在该评定标准公式中得出以下两式：

上述两式要以管道平面内与外弯曲部位的相同应力作为增大系数，其中应力增大系数为i，当应力增大系数在疲劳破坏循环次数相同状况下，管道的弯曲应力就会作用于管件的名义弯曲应力之上。另外在二次应力影响下，管道也会受热膨胀并产生一定伸长量，它的数学公式为：

一般钢管的a值取值为α=1.2×10-5m/m·℃，这也是针对供热管道的强度计算，计算它的热膨胀与冷缩、内压及外部荷载作用力所引发的力矩和应力，判断管道设计是否安全经济。

第三是峰值应力，峰值应力属于前两种应力的增量表现。如果管道附近出现局部结构不连续问题或局部热应力效应问题，就要在管道的一次及二次应力层面∆∆上增加新应力增量，即增加峰值应力。峰值应力一般会体现在管道焊缝位置或未焊透问题，但整体上峰值应力的作用不甚明显，它是在长时间中慢节奏逐渐积累形成的，对管道的破坏也是日积月累效果，一般来说会在3年内对管道形成疲劳裂纹，最终造成管道的脆性破坏现象[1]。

2 管道应力分析的基础内容及重要性

2.1 管道应力分析的基础内容

化工设计管道在应力分析过程中要考虑到其应力本身的复杂特征，主要分为静力分析、动力分析两种。如果外加载荷经过化工管道速率较慢，其管道管系内部应力能够均匀分配，保证内外力应力平衡，此时就要进行管道应力的静力分析；如果外加荷载在管道中运动速率过快，管道本身可能无法及时进行载荷平均分配，此时管道内外应力必然出现不平衡现象，在如此环境下，必须进行动力分析。

首先谈静力分析，由于管道塑性变形会对管道本身带来破坏性影响，所以必须为管道设定应力值，同时对压力荷载作用进行计算。再者，要控制应力值在管道可承受极限范围之内，避免管道由于位移而造成应力受限，同时充分考虑热胀冷缩所造成的二次应力问题，对它进行有效分析与整理；最后，静力分析也能够间接保障设备运行安全，一般来说要按照基础标准来设置设备受力范围，并同时分析化工管道对设备的真实作用力。

其次谈动力分析，首先必须规避管道系统中所存在的共振效应，主要要分析化学管道的自振频率。第二要准确把握管道应力振动规律，并分析管道在强迫振动下的实际响应状况。最后要尽量避免发生气柱共振现象，将压力脉动值始终控制在合理范围之内，并对复式压缩机压力脉动气柱频率进行全面检查确定[2]。

2.2 管道应力分析的现实意义

在明确了静力与动力分析之后，应该从微观角度来组合二力，基于化学管道的应力分析结果来进行一次、二次应力的安全值精细计算和设定，最大限度减少管道外加荷载应力对管道的破坏作用。整体来看，管道应力分析能够为管道设计提供技术保障基础，提高管道安全性评价质量，优化管道化工设计过程，促进企业安全生产，大量节约材料资金成本。所以说，化工管道应力分析及设计能够为企业带来多赢局面，尤其对企业生产效率提高有很大促进作用。

3 降低化工设计中管道应力影响的相关技术措施

3.1 基于CA ESARII软件计算管道应力范围

考虑到管道应力产生的复杂性，所以要在多种应力分析条件下，通过软件计算它们的管道应力范围，如表1。

表1 化工设计管道的盈利计算数据表

根据表1数据，在管道外部管廊位置直管与贮罐直接相连，并利用DN300以上管线进行连接，产生应力。在满足D/T＜100的条件下，CA ESARII软件计算的管道应力范围值都准确有效，这其中D代表了主管管径，d代表分支管管径[3]。

3.2 降低管道应力影响的技术措施

为了降低应力对化工设计管道的形变影响，本文主要提出了两点降低管道应力的主要措施。

首先，要为管道内部合理设置支吊架，其支架的种类选择与管道受力影响有直接关系，所以要具体考虑一次应力与二次应力的实际影响，特别在设置管道支吊架过程中避免由二次应力所造成的管道不良受力影响。同时，也要保护管道不受损坏，最大限度消除一次应力影响，满足支吊架在管道中设置的最大应力限度要求。

其次，要有效增强管道柔性，通常情况下，化工设计管道会根据受力来发生变化，产生管道变形结果，但是管道柔性却能有效限制管道形变。特别是在某些特殊状况下，应该合理利用管道这一柔性特征来抵抗外界环境可能带来的管道外力形变问题，例如采用弹簧支架、或者选择某些补偿能力较为强大的补偿器来调整管道走向，进一步增强管道柔性，改善管系内部的多种应力相互受力关系，确保管道管系始终安全[4]。

4 结语

可以见得，管道应力分析对管道设计而言至关重要，它间接帮助工业生产效益提升，因此企业工程应该重视对化工设计中管道应力的深层次研究分析，推动化工产业不断向前发展。

[1]韦征,顾顺超.如何正确分析化工管道设计中的管道应力[J].化工管理,2015(16):180-180.

[2]冷霜.管道应力分析在大型空分项目中的应用[J].化工管理,2015(12):134.

[3]陈乐.燃气管道应力计算方法与应用[J].上海煤气,2008 (6):14-15,39.

[4]徐齐珍.化工设计中管道应力分析的必要性研究[J].化工设计通讯,2016,42(10):74,76.