化工管道设计中的管道应力设计

刘金凤

（河北寰球工程有限公司，河北涿州 072750）

随着时代的发展，我国化工企业步入高速发展阶段，为此，化工管道规划是化工企业的重要内容。化工企业由于其产品的特殊性，决定了它属于潜在高风险企业，对其管道的运行设计首要考虑其安全性能。管道应力是化工管道常出现的问题之一，故在化工管道的设计工作中，对其应力的设计关注举足轻重。

1 化工企业管道的应力分类

1.1 一次应力

一次应力，即管道由于外载负荷过重而产生的自然物理现象，其主要指的是设计阶段中，管道遇到的重力导致的应力以及管道自身由于输送原料的自身重力产生的应力。由于一次应力具有没有限制的特性，在实践中，化工管道无法通过抗压性来应对一次应力，其呈正比，无法避免。但是，由于承受压力的大小不同，对管道产生的作用力也存在千差万别，因此，管材本身的性质、管道的设计往往可以对其受一次应力后产生的变形程度起决定性因素，为此，在进行化工管道的设计过程中，应充分考虑一次应力的不可抗性，在实际应用中可能产生的管道压力值进行合理的预判，并采取相应的缓解措施。可以进行管道应力分析计算以后存在强度更高一级的管材，在设计层面克服一次应力对管道未来运行产生的变形危害。

1.2 二次应力

二次应力一般是受管道在运行温度的影响产生的应力现象，二次应力与管材自身的性能有着密切的关系。化学工业管道的二次次应力一般由运行中的温度因素对化工管材材料产生的胀缩引起的。对于一次应力，二次应力具有较高的自觉性和自限性。即当化工管材的荷载超过其承载能力的极限时，管材的某些部位因无法承受外部荷载而发生了小面积的塑性变形。化学工业中的管道，在经过一定时间的塑性变形后，可以根据自己的受力情况进行平均，使管道的应力分布均匀，并抽离塑性变形区的应力，保证管道重要受灾区慢慢恢复。因此在管道设计中，要充分考虑运行工况对管道的二次应力的影响，高温高压等条件对管道的材质和压力等级都有很高的要求，为防止由于工况的改变，造成管道的应力破坏出现影响管道完整性的现象，应将局部易受工况影响的管道进行局部加强或是更换材质。

1.3 峰值应力

峰值应力指的是管道在运行中部分零件脱落或松动而造成的应力情况，其直接指向化工管道的设计过程失误。而且，峰值应力的产生往往会增加一次应力和二次应力的风险。峰值应力虽难以对化工管道系统造成束性的变形，但也会对管道系统形成潜在的损坏风险，对此应力情况，管道极易出现裂缝、破损与变质等问题出现，这样的潜在威胁从某一角度上也降低了该化工管道的存在价值，对于后续的管道使用也会造成影响，可能出现问题。特别是由于峰值应力的状况，管道长时间运行，很容易出现局部设计不合理造成管道运行存在潜在的危害。

2 管道应力的分析方法

2.1 动力分析

在管道实际预应力的分析过程之中加强对于流体的动力分析能够使得工业在设计以及开展过程之中拥有较好的表现，使得相应的管道预应力能够得到最科学完整的评估与分析。

（1）化学管道在进行相应的物质流体运输过程之中，针对不同流体以及相应介质中不同的性质，根据性质之间的差异性将实际管道的设计过程之中融入介质自身的因素，使得管道在实际使用过程之中避免出现共振等现象，使得相应的预应力变大，影响到管道的使用寿命以及使用效果。

（2）复式压缩机对于化学管道的影响依旧很大，在实际使用与生产过程之中必须将复式压缩机条件干扰考虑到实际预应力分析过程之中，加强对于测量以及测试工作的精确程度，提升后续建设以及使用的效率。复式压缩机在实际使用过程之中对于管道带来的影响也来自于共振现象的发生，通常情况之中，复式压缩机气柱的频率以及相应压力动脉等使得整个振动的频率发生一定程度的改变，在使用过程之中就很可能出现共振现象，对于管道造成较大的损伤。

（3）在管道的预应力考虑过程之中将相应的外在联合作用力也要考虑到实际的设计过程之中，相比较于自身管道设计过程之中受到自身设备以及设计的影响，外在预应力对于整个管道也会产生较大的影响，但是外在综合动力来源随着实际情况的工作环境不同也会产生较大的差异，因此在实际使用过程之中将相应的预应力外在综合力根据实际情况考虑到最终预应力的影响之中，对于加强整个预应力的测试以及设计环节都有着十分重要的意义。

2.2 静力分析

针对管道的使用状况标准制定中，预应力是一项十分关键的检测标准。石油在生产或运输中，其需要经过管道运输方式进行运输，管道的强度与承载能力会直接影响到石油运输的安全性与时效性。同时，管道的预应力承受能力，还会直接影响到石油管道维修工作中的承载能力等，对于确保石油管道维修工作高效开展有着重要的影响。针对石油管道的原始数据测量中，测量的最大缺陷深度、最大缺陷长度和石油管道的极限拉伸长度等都需要进行严格的计算。这些基础数据对于石油管道的维修有着十分重要的影响。特别是在海底管道的最大许用操作中，管道所承受的压力会直接影响到石油管道维修的安全性。在维修中，应该最大程度地降低管道所承受的压力，避免在维修过程中出现严重的安全事故。在确保工作压力相对稳定后，接下来需要对管道内的防腐保温层等进行杂物清理，并在检查无误后继续投入使用。另外，除了预应力这一种力以外，管道受到热力学原理的影响、其热胀冷缩后还会造成管道的偏移，导致管道实际使用出现问题。

3 化工管道设计中降低应力的策略

3.1 设置管道支架

设置管道支架来降低化工管道的应力原理，是通过分担管道的压力于重力。对此，管道支架在设置的过程中，应去除部分承重力，以支架的撑力来缓和化工管道承担的应力标准。针对管道结构的设计，其能够在一定程度上评价管道对预应力的承受强度，可以确保管道在实际使用中有着更高的安全性。另外，管道的承压能力根强的情况下，其管道自身的密度也会变大，进而还可以提高管道的抗腐蚀能力，可以确保管道在实际使用中有着更加安全的使用效果，进而达到设计标准。

3.2 增加管网的柔韧性

在选择化工管道的材质上也可以对其柔韧性予以合理的要求，柔韧性作为抗压能力的一种，能够在抵抗管道应力时予以一定的抗压性与自限性。这种完善管道硬件措施的方法，同时在进行管道材质的选择上，要避免不能出现裂痕与缝面。柔韧性较高的管材，受到应力冲击时极易造成管材裂痕从而导致管道的峰值应力过大，这样会在出现问题后造成整个管道系统的瘫痪。故在选择材料时应细致检查管材是否有细小裂痕。选择柔韧性强的管道材质，能够在设计管道走向的过程中，以最小弯度实现管道走向的设计简单化、悬空化，使管道与自然因素的基本概率降低，那么其管道受自然条件而发生一次应力的情况就会相应减少。这不仅达到了降低管道应力的概率，同时也减少了化工管道工程造价的成本。对化工管道采取柔韧性较好的管材选择，与柔性设计有着一定的联系。柔性设计，即根据管道变形的相应特点和规律，在管系设计上对其变形这一物理变化概念予以相应产生因素的区分。例如在管道发生变形时，可以通过对基本成因的不同分析而采取相应的解决政策，以保证相应的管道承受能力，防止管道在运行中产生位移或是变形的不良现象出现。热胀冷缩或是自身原因造成的管道变形，可以对应地选用加长管道或是端点附移的合理设计，从而保障设备的运行不受管道应力的影响，也最大限度地避免了由于管道疲劳或水平力矩过大造成的辅助支架破坏等情况。

3.3 采取冷紧措施进行降低应力

冷紧现象的发生主要源于管道自身有弹性，在预应力的影响之下，自身的形状以及性质受到一定的影响，从而产生相应的形变，最后达到预应力预期效果，加强对于管道自身的保护以及使用。此外，在实际使用过程之中管道也会受到流体自身的热力学原理发生热胀冷缩，导致局部发生弯曲或者是形变现象，从而又进一步增加了管道的扭曲程度，影响到管道的实际使用，此外，较大程度的扭曲现象甚至会使得流体在运输过程之中造成泄漏现象，对于实际生产过程的生命财产以及相应的工作人员的人身健康都造成了威胁，干扰正常的实际生产。冷紧性容许的技巧，就是利用化学管件表面的热应力，使化学管件局部完成热胀应力，在化学管件的热态下，对其某一区域进行密集的推力和力矩，以达到减小区域的应力。这一减压技巧对于防止化学管道因过度弯曲而引起的漏油现象很有帮助。在管道设计中，首先进行了冷紧错位实验，该技术允许在热伸展状态下发生的应力被施加到冷状态下，并通过低压力管道端口出发生的推力和力矩，同时降低了热伸展应力，减弱了对管道的持续影响。冷紧固过程缓冲了在管道持续性处发生的应力，减少了管道受外力的影响，从而保证了管道的安全高效，因此冷紧固措施也是必须采用的重要措施。

4 结语

为了实现化工企业的管道正常运行，保障企业的安全高效生产，管道设计时必须进行管道的应力分析。同时，在设计和敷设的过程中，要考虑到管道自身的应力的需求，以及企业所在区域可能发生的一些外界干扰，严格要求管道的应力设计，从而全方位地提高化工企业的管道柔性，避免承受应力引起管道断裂等不良现象的发生，为企业和员工带来负面影响。同时要采取合理的应对措施，降低由于应力的存在出现的安全问题，通过合理的应对手段延长管道的使用寿命，保证员工的生命财产安全，提高企业的运行效益。