关于压力管道应力分析的内容研究

刘鹏福

摘要：压力管道广泛的应用在石油化工.天然气等行业的物质运输过程中，并且发挥着十分重要的作用，能够保证原料与产品的正常运输。在压力管道运行时，其应力情况会受到多方面因素的影响，包括管道系统的内部因素与来自外界环境的因素，想要对压力管道应力情况进行分析，必须准确掌握压力管道的实际运行状态，才能获得更加准确的分析结果。

关键词：压力管道;应力分析;内容及特点

1压力管道应力分析的重要性

在石油化工，天然气等行业中，压力管道发挥着十分重要的作用，在应用压力管道进行物质运输的过程中，为了保证其运行的安全性与可靠性，必须对管道应力情况进行全面的分析。压力管道应力是指单位面积的管道构件上承受的内力，其在外力载荷的作用下产生更大的值，如果应力的大小超过了管道材料能够承受的范围，就会造成管道出现失稳变形破裂等事故。

2压力管道应力分析的内容

压力管道应力分析内容包括管道应力分析工作的任务和工作过程、管道应力分析基础知识、压力作用下管道组成件的强度设计，管道允许跨距的计算、管道应力分析的安全评定方法、管道的柔性设计、管道应力分析中的特殊问题（夹套管和埋地管的分析、安全阀排气反作用力的计算、水锤荷载的计算高压管逍的应力分析）、管道支吊架的设计选用原则、往复压缩机管道的防振设计、各种管道振动问题.有限元法在管道应力分析中的应用、管道应力分析程序介绍。

2.1管道应力分类

压力管道应力分类的依据是应力管道强度破坏所起的作用，其作用大小取决于应力产生的原因和应力的作用区域及分布形状，通常将压力管道中的应力分为：一次应力二次应力、峰值应力。

（1）一次应力

一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力，它必须满足外载荷与内力及内力矩的精力平衡关系，随外载荷的增加而增加，且不会因达到材料的屈服点而自行限制，因此具有非自限性的特征，另外，当一次应力超过屈服点时将引起管道总体范围内的显著变形或破坏。所以应该严格控制一次应力，以防止过度的塑性变形导致管道的失效或破坏。一次应力还可以分为三种：一次总体薄膜应力、一次弯曲应力、一次局部薄膜应力"。一次总体薄膜应力是指沿厚度方向均匀分布的应力，等于沿厚度方向的应力平均值。其达到材料的屈服点就意味着管道在整体范围内发生屈服，应力不重新分布，而是直接导致破坏。一次弯曲应力是指沿厚度线性分布的应力。它在内、外表面上大小相等、方向相反。这种应力在达到屈服极限时，只是表面屈服，如果继续增加载荷，则屈服加深，直至最后破坏，因此其破坏时的应力大于一次总体薄膜应力一次局部薄膜应力是在结构不连续区由内压或其他机械载荷产的薄膜应力和结构不连续效应产生的薄膜应力，通常其应力水平大于一次总体薄膜应力。

（2）二次应力

二次应力是指由于热胀，冷缩和其他相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的应力。二次应力不是由外载荷直接产生的，因此当荷载超过材料的屈服极限时，管道局部的屈服或少量塑性变形使下降的应力重新分配，使材料的应变达到自均衡，所以二次应力的作用不是为平衡外载荷，而是结构在受载时变形协调而使应力得到缓解。由于二次应力自限性的特点使它比一次应力更危险，受到更严格的限制。

（2）峰值应力

峰值应力是由于载荷、结构形状突变而引起的局部应力集中的最高应力值，其特点是不引起显著变形，而且在短距离内从它的根源衰减，是一种引起疲劳破坏或脆性断裂的可能根源。

1.2管道应力分析的任务

管道应力分析分为静力分析和动力分析：

（1）管道静力分析的任务管道静力分析的目的是保证管道柔软性，吸收因热胀冷缩及端点位移产生的变形，使管道各个节点一次、二次应力小于其许用应力，静力分析的主要内容是：第一.为了给弹簧支架的选用提供依据，防止管道碰撞和支吊架位移过大，计算管系位移;第二.为保证因对设备作用力过大而引起的设备或机器的安全，计算管道对与其相连的设备或机器的作用力;第三为保证管道因为塑性变形而引起的自身安全，计算压力载荷和持续载荷作用下的一次应力;第四。为了给支吊架的设计提供依据保证支吊架和土建结构的安全，计算管道支吊架的受力;第五.为满足标准规范需求防止因金属产生疲劳而引起的破坏，计算管道因热胀冷缩、端点附加位移等位移载荷作用下的二次应力;第六.为防止法兰泄漏，计算管道上法兰的受力。

（2）管道动力分析的任务

管道的动力分析的目的是保证管道管系具备--定的刚度，避免在干扰力的作用下发生强烈的振动，动力分析的主要内容是：第一.分析地震时对管道产生的应力，防止管道在地震中发生破坏;第二，分析往复压缩机和往复泵管道的固有频率和振型，防止管道系统发生共振;第三.分析往复压缩机管道的强迫振动，控制管道的振动应力，防止管道因振动发生疲劳破坏;第四.分析往复压缩机管道气体产生的压力脉动，计算管内气体的气柱固有频率和压力脉动，避免气柱共振和压力脉动过大，从而防止管道的振动过大。

（3）压力管道的柔性

管道柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念，其设计基础条件是温度、介质、壁厚，管径.材质.端点位移等，设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移.管道支撑设置不当等原因，造成管道应力过大引起的金属疲劳或因管道推力过大造成支架破坏、管道连接出产生泄漏管道推力或力矩过大，使与其相连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行的问题。管道的柔性越大，所产生的热应力就越小，也就是说，管道的柔性越大，，变形就越小。因此，为减少因热胀冷缩或位移产生的变形，增大管道柔性的措施有：第一.改变管道走向以增加管道柔性;第二。增加管系的长度可以增加管道的柔性，增加与其垂直的管道的长度可以减少管系的刚性;第三选用弹簧支吊架，在吊架处存在的垂直位移，可以将约束放松，增加管道的柔性。

3结束语

由于我国正处于发展中国家的行列之中，工业化的建设正在如火如茶的展开，各类工业建设中都会涉及到压力管道的使用。尤其是化工类的流程工业工程中，由于需要大量管道输送介质物料，形成完整的生产系统。

参考文献：

[1]田勃.范国锋，陈红卫等.压力管道应力分析的内容及特点[J]工程技术：全文版，201618）;001 14.-0114.

[2]鄒梅芳.论压力管道应力分析的内容及特点[J].冶金动力，20148）：43--47.

[3]翁耀祖.浅析压力管道应力分析的内容及特点[J]工程技术：文版，20169）-00290--00290.

[4]冯兴伟.压力管道应力分析的内容及特点分析[J].工程技术：全文版.2016（11）-00293-00293.

[5]夏志强.压力管道应力分析[J].科研：134-134.

（作者单位：江苏省特种设备安全监督检验研究院  江苏徐州）