压力管道应力分析的内容及特点研究

陈立晖

(福建省工业设备安装有限公司，福建 福州 350001)

1 压力管道应力分析的重要性

压力管道应力指在指定的面积之内压力管道构件所承受的压力。在外部力量的驱使下，反而会产生更多更大的应力，假设压力管道的应力已经超出了管道材料的承受范围之外，那么就会出现变形、破裂等多种故障。众所周知，压力管道应力有着很大的作用，特别是在建筑物当中，若压力管道出现了任何的破裂、失衡等现象，并得不到及时改善，随着时间的推移，就会导致建筑物也遭到损坏，影响到人们的日常生活进行。压力管道应力分析过程当中，技术人员应该尽量考虑周全。有几种管道是平时最容易常用到的：①连接储罐设备的管道，长度一般都在300 mm以上，而极限温度在100 ℃以上；②离心压缩机和往复式压缩机的管道。另外，还有泵进出管道、蒸汽透平管道、加热炉管道、反应器管道、再沸器管道、两相流管道、脉动流管道等，公称的直径≥100 mm，极限温度在-50 ℃左右。

2 压力管道应力的分类

2.1 一次应力分析

因为压力管道常常会遭到外部负载或重力的影响，这样的外部压力可能是来自于重力的，也可能是由风力导致的，有时甚至是外界的撞击导致的，在各种各样的压力及负载影响之下，就会产生一次压力管道应力。而一般，所产生的一次压力管道应力应该是和外部压力条件是一致的，当外部的压力在逐渐增加的时候，一次应力就会没有自限性，可以将这些一次压力管道应力分成整体结构影响应力、局部影响应力和机械荷载下的界面厚度线性应力三种。通常情况下，在一次压力管道应力的背景下，当增加的应力已经超出了压力管道的塑性值时，压力管道就会直接破裂，失去稳定性和可靠性，所以，压力管道的一次应力必须进行认真、严格的控制。同时，技术人员在设计的时候，应该预留一定的回转余地，即裕度，从而有效地预防压力管道塑性变形、破损。并且，把弹性分析和极限分析当成是前提，在正式使用之前，对压力管道的最大应力承受值进行测试，知晓最大极限，才能够在后期的应用中更好地控制与管理。

2.2 二次应力分析

当压力管道处于热胀冷缩的条件之下，就会产生一定的正应力和剪应力，其主要的特点也就是压力管道一次应力的自限性特点，当压力管道具备这两种应力之后，就没有办法和外界保持平衡、稳定。这个时候，如果荷载超出了压力管道的最大极限，管道依旧会变形、破裂，压力管道应力就会呈分布状散开，让压力管道可以达到自我平衡的状态。

2.3 峰值应力分析

在压力管道的所有应力当中，峰值应力并不是最大的应力全值，因为压力管道的构建当中，局部构建并不紧凑，就会造成压力管道一次应力或者二次应力的增加，但其并不会和一次、二次应力一样导致变形或破裂，峰值应力对于管压力管道没有任何根本性的损害，只会导致压力管道脆性衰弱或管道疲劳等现象。而导致峰值应力出现的原因也有很多，比如，压力、荷载、管径、温度等，在实际的操作过程当中，因为所受到的影响因素比较多，技术人员必须对压力管道的峰值压力进行详细的核对与校正，并对压力管道的循环荷载进行疲劳分析，为将来的使用奠定良好的基础。

3 压力管道压力分析的主要内容

3.1 压力管道应力分析的前提

压力管道应力在分析之前，技术人员必须遵循其主要前提内容，首先，是对温度的计算，整个分析过程应该在20 ℃左右的温度环境下进行，在正常运行下可能产生的任何突发事件都应该考虑周全，比如，吹扫、开工、停车、除焦等，并未雨绸缪，做好预防措施。其次，是对压力的计算，压力管道压力分析和压力有着较为密切的关系，因此，整个应力分析过程也应该在内部和外部的压力条件下进行考虑，对压力和温度相耦合时候的最大压力值加以计算。在建筑工程中，其特征不可能是一模一样的，压力管道的结构本身又比较复杂，这就使得会受到很多原因的限制，就算是风力、地质条件等因素都可能成为影响因素，因此，也可以认为，压力管道应力分析的关键也是荷载。荷载主要有：①压力荷载，在压力管道的壁面上，压力管道需要承担很多不一样的介质内部压力，而在各种各样不一致的内部压力下再进行荷载计算；②持续荷载。持续荷载是因为自重荷载和偏心荷载组合而成的，前者自重荷载是在重力加速的情况下形成的，而后者偏心荷载则是在支架、吊架的反作用力下所形成的；③热涨荷载，该荷载属于非垮塌性荷载的一种表现形式，当压力管道的内部和外部温度不一样时，就会产生温度差，而正是因为这种温度差导致热胀冷缩的效果，因而产生了热涨荷载；④位移荷载，在压力管道移动的时候，因为压力管道在安装的过程当中，会导致温度的产生，而从冷变热的温度变化过程，就会产生一定的约束性，因而就慢慢形成了附加荷载，即位移荷载；⑤偶然荷载，在外部突发的冲击下会导致荷载的出现，对于压力管道所产生一定的影响，其有着一定的偶然性和不确定性特征，但是这样的影响并不是长期存在的，只是暂时的，所以不会对压力管道造成太大的伤害。

3.2 压力管道应力分析的内容

压力管道应力分析主要包括了静力、动力等分析内容。

1)对于静力的分析，技术人员需要考虑周全，将压力管道在压力荷载和持续荷载下的一次应力计算出来，这样做主要是为了预防压力管道的变形。在计算好压力荷载和持续荷载之后，还需要计算出热涨荷载、位移荷载运作下的二次应力，而这样做则是为了预防压力管道的过度损坏。在压力管道和相连接的所有设备的作用力也需要加以测试，从而有效地保障设备连接的稳定性和安全性。当压力管道的法兰受力存在问题的时候，技术人员应当及时地采取措施预防法兰的泄漏。当压力管道处于位移或者是外部撞击的情况下才能够对静力进行计算。此外，还需测量静力分析管理对于支架、吊架的作用力，从而来全方位保证作业的安全性。

2)对压力管道应力动力的分析。首先，要分析压力管道在地震的情况下所产生的动力是多少，这样做主要是为了给将来的实际应用奠定安全基础，当技术人员将地震时候压力管道的最大动力承受力计算出来之后，就可以制定出相对应的预防措施，在实际的运行过程中，如果突发真正的地震状况，也可以及时进行处理。其次，分析压缩机和泵管道的固定频率以及振型，以防压力管道在该情况下产生共振。第三，技术人员同时还要对压缩机管道的振动应力进行分析，将其具体振动数值分析出来，从而预防在振动情况下疲劳破坏。第四，分析出管道气体所产生的压力脉动，特别是气柱的固定频率和压力脉动数值，而这样做则是为了预防在压力超出极限的情况下产生太大的振动，而导致压力管道松动等故障的出现。最后，技术人员需分析支架的荷载状况，以此来给结构设计提供重要依据。

3.3 压力管道静力分析与动力分析之间的联系

在压力管道应力的具体分析上，静力分析的主要内容就是对压力管道的柔性进行设计，而在一个特殊且特定的环境之下，压力管道就可以将热胀情况以及位移情况下所产生的变形及破裂情况进行克服或者逐渐适应，并使压力管道的应力可以限制在一个固定的范围之内。但是，即便这样，技术人员在发现这一问题存在的时候，仍然需要及时采取措施进行补救，以免造成更多、更大的故障。而动力分析的主要内容就是对压力管道进行防振设计，尽可能地减少压力管道的振动，当振动幅度比较小的时候，可能有时是正常现象，但当频率和幅度都超出了一定限制值时，技术人员就应该引起注意，采取一些举措，尽量减少或彻底杜绝压力管道的振动。

4 压力管道应力分析的特点

压力管道应力分析对于压力管道的薄膜应力、局部弯曲应力等并没有进行细分考虑，并且，在对压力管道的一次应力和二次应力进行计算分析的时候，虽然都进行了详细分析，但这两次应力分析的目的和内容都是不一样的。对于一次应力分析来说，只是提升了压力管道的可承受压力，而在二次应力的分析上，主要是围绕防振问题进行的，因此，压力管道应力分析存在一定的差异性。不仅如此，在压力管道二次应力的校验上，其也是压力管道二次应力分析的关键，其重点在于验证压力管道的安全性和运行可靠性，从而最大程度上减少压力管道的疲劳性，因而也存在一定的针对性。在压力管道一次应力的分析上，其校正和剪应力理论并不相同，在计算的时候，没有对压力管道的纵向应力进行任何的分析与计算。和设备相连接的管道会受到一定的影响，而这种影响一般都是来自压力管道本身的，因为压力管道本身就有着一定的柔软性，其负载的设计必须要在规定标准范畴之内，只有这样，才能够保证压力管道运行的安全性与稳固性。如果负载设计违反了设计标准，就会造成很多不必要的故障产生，给压力管道运作过程带来麻烦。对于那种转动设备关口的荷载来说，技术人员需要将其控制在专业规定范畴之内。针对其他必要性的荷载，也需要参照对应的标准规范，因为只有这样，才能够从根本上有效地保障压力管道的顺利且安全稳定运作。在压力管道机械压力振动与脉动控制这一块，技术人员可以从以下两方面来进行控制：一方面，在连接压缩机与脉动控制上可以参考对应的规范；另一方面，在泵管道压力管道和脉动控制上，则可以参考相关标准规范，从而考虑周全，在全方位上力保压力管道应力是在可承受范畴内的。

5 结束语

在社会进步与经济发展的当代社会，压力管道在很多领域都有广泛的应用，假如压力管道存在应力故障，就会导致很多不必要麻烦的出现，因此，压力管道应力分析尤为重要。在实际的压力管道应力分析过程当中，压力管道应力主要可以分成一次应力、二次应力、峰值应力等三种。本文主要分析了压力管道应力分析的前提、压力管道应力内容分析(静力分析、动力分析)、压力管道静力分析与动力分析之间存在的联系，以期为我国相关行业的发展提供参考。