压力管道应力分析

扎西平措，次仁欧珠，阿旺顿珠

（1.西藏自治区特种设备检测所，西藏拉萨 850000；2.日喀则市市场监督管理局，西藏日喀则 857000；3.西藏自治区产品质量监督检验所，西藏拉萨 850000）

0 引言

我国石油、化工以及其他能源工业等工程的建设过程中，需要大量使用压力管道。压力管道种类繁多，制造工艺相对复杂，需要在高温、高压以及具有腐蚀性或者放射性等情况下对物质进行运输，因此压力管道需要具备较高的安全系数。由于技术、管理以及历史等方面因素，我国压力管道应用过程中存在一定安全隐患。由于压力管道所运输物质的特殊性，一旦压力管道出现泄漏或者爆炸等情况，将会引起严重的事故灾害和后果。因此，要提高压力管道运输的安全性，防止发生危害性事故，需要提高压力管道设计水平，对存在的缺陷进行相应改进，降低发生压力管道运输事故的可能性。

1 管道应力分类

管道应力是压力管道使用过程中需要重点考虑的问题。分析压力管道应力之前，需要对压力管道的应力情况进行相应分类。从我国压力管道使用情况看，可以将管道压力分为以下几类。

1.1 一次应力

一次应力是指由于管道所受到的内外压力、重力、冲击载荷以及风载等因素而产生的剪应力或者正应力。一次应力是压力管道经常受到的应力，具有以下特点：当外加载荷增加时一次应力也会随着增加，与外加载荷呈现为平衡关系，并且没有自限性。如果一次应力的数值超过了管道材料的承受范围，并且管道所使用的材料无法达到要求，将会发生一定形变，从而使管道发生破坏。因此必要的控制措施非常重要，需要保证管道材料不发生任何物理变化，确保管道在一定压力之下仍然能够保持有效的形状而不发生破坏。需要根据极限分析条件以及弹性分析条件，对一次应力进行相应核校[1]。

可以将一次性应力分为：①薄膜应力，沿着管道横截面均匀分布的应力；②一次总体薄膜应力，对管道整体结构产生影响的薄膜应力；③一次局部薄膜应力。一般来说，一次局部薄膜应力的值会比总体薄膜应力略大；④一次弯曲应力，因管道内部压力或者其他接载荷引起，一次弯曲管道应力是沿着管道厚度线性变化的应力。

1.2 二次应力

二次应力是指在外部温度以及内部压力的变化下，使得管道出现热胀冷缩或者其他方面位移的现象，并且在此过程中所产生的剪应力和正应力。与一次应力相比，二次应力对管道材料的要求更高，需要使用更加良好的管道材料，来应对二次应力对管道产生的影响。一般来说，如果管道材料塑性良好，仅仅通过第一次施工载荷是不会对管道造成损坏的。为提高管道的承受能力，需要结合管道使用的具体要求，从技术参数角度进行相应设计，以防止管道在使用中由于二次应力过大而出现问题。通过对安全性条件进行分析和控制实现二次应力的有效校核。

对于一些高温管道，需要使用较厚的管子来代替较薄的管子。虽然能够应对更强压力，但是管壁的增厚也提高了管子的刚度和自重，使得管壁截面积加大，降低了管道中的一次应力，但是二次应力保持不变，管道也会增加对固定支座的推力。因此，需要重新分析管道的柔性，这样能够重新核对固定点、支吊架以及设备的管口，还需要核对吊架型号是否合适。

从以上分析中能够看出，一次应力和二次应力相比，一次应力没有自限性，比二次应力更加危险，因此需要对一次应力采取更加苛刻的管控措施。

1.3 峰值应力

峰值应力的特点是不会引起管道明显的变形，并且能够在较短距离上快速进行衰减。峰值应力可能会导致管道出现疲劳裂纹或者脆性破裂。一般来说，管道内外部的很多因素都会影响到应力的值，例如，常见的温度、壁厚、载荷以及压力等。需要根据管道使用的时间对其峰值载荷进行疲劳分析[2]。

2 管道应力分析的任务

压力管道应力的分析是管道设计施工中的主要内容，可以从动力分析和静力分析两个方面对压力管道进行应力分析。

2.1 管道静力分析的任务

（1）管道在热胀冷缩作用，以及端点位移情况下的二次应力状态，并且需要在满足管道承受能力的情况下，防止应力过大而对管道出现疲劳破坏。

（2）计算管道对相关外部设备产生的作用力，并且为保证机器以及设备生产运行安全，要求设备管口的载荷必须满足设计的标准和要求。

（3）为防止法兰出现泄漏，需要对管道上法兰的受力进行相应计算，使其必须满足设计的要求和标准。

（4）对管道位置进行测量，计算出管道位移的值，以防止由于管道位移过大而使支架发生脱落或者管道之间发生碰撞现象，同时还需要选择相应的弹簧支架来对管道进行支撑。

（5）计算土建结果以及支吊架所承受的作用力，以此为土建结构和支吊架的设计和建造提供必要依据，使得在管道使用过程中支吊架和土建结构能够保证安全[3]。

（6）分析管道正常情况下的一次应力承载状况，保证管道不会因为一次应力过大而出现塑性变形和破坏，提高管道使用的安全性。

2.2 管道动力分析的任务

（1）分析往复泵管道以及压缩机的频率和振型，防止管道系统内产生共振。

（2）借助压塑机使管道内发生一定的振动，对管道内产生的振动应力进行有效控制。采取科学的方法，降低由于振动对管道产生的疲劳破坏。

（3）分析往复压缩机管道内产生的压力脉冲，这个过程需要使用声学模拟方法，计算管道内的压力脉动和气柱频率，防止由于气柱共振和总压力脉动过大，导致管道振动较大。

（4）需要计算因水锤以及安全阀释放载荷时给支架带来的载荷，以方便支架和土建机构的设计施工。

（5）对可能发生的地震给管道产生的应力进行分析，提高管道在地震中的安全性，防止地震中管道受到破坏。

2.3 管道动力分析与静力分析的关系

对管道进行静力分析主要是为设计出有效的管道柔性，使得管道的柔性能够满足使用要求，从而保证管道能够抵消由于端点位移或者热胀冷缩产生的形变，保证管道内各节点所承受的一次和二次应力都比许用应力小。

对管道进行动力分析主要是为防止管道出现共振现象，以保证管道的刚度，防止由于外部干扰力的作用导致管道发生较强的振动。因此，可以得出结论，当管道刚度偏小时，管道的柔性就能够得到保证，但同时管道的固有频率会降低，使得管道容易发生振动；如果管道刚度较大时，管道的柔性就会降低，但是其振动能够得到较好控制[4]。

综上所述，需要对管道的静力或者动力分析的结果进行比较，使得管道在支架架设或者刚度和柔性等方面，都满足管道设计和使用要求，既可以使管道的振动控制在有效范围内，也需要防止管道出现疲劳伤害。重要的是需要结合管道设计施工的具体情况，调整当前采用的管道布置和支吊架的设置，提高管道设计使用的安全性。

3 压力管道安全评定方法

3.1 静设备的允许载荷

如果管道自身应力在设计范围内，同时管道的刚度和柔性都能够满足使用要求，此时只能表示管道自身安全可用，但不能表示相连管道或者设备之间的作用力也是可控的，还不能认为设备总体是安全的。因此，管道自身对外部容器设备的载荷，也需要满足设计要求。需要在分析管道整体应力的基础上，对相应管口的实际载荷进行核准。

3.2 转动设备的允许载荷

管道之间的作用以及转动机器管口的载荷，需要小于机械专业所规定的数值，一般来说，管口载荷的标准如下。

（1）离心压缩机允许载荷应符合API 617的相关规定。

（2）离心泵管口的允许载荷可参考API 610的规定。

（3）汽轮机管口的允许载荷可参考NEMASE 23的相关规定。

3.3 压力管道与压力容器应力分类比较

分析压力管道和压力容器的过程中，需要从一次压力和二次压力的角度进行分析，在使用的校核条件和方法上存在差异。例如，对压力管道应力分析的重点应该是管道的柔性和刚度，同时还需要分析管道相连设备的情况。压力容器的分析则需要计算管道壁的厚度，分析局部薄膜应力、弯曲应力以及峰值应力。一般来说，需要以简单公式为基础，结合一些相应的系数对应力进行分析，同时也需要从两种应力的角度出发进行分析，根据一次应力与二次应力的不同，采取具体措施。

4 结束语

压力管道应力分析涉及的内容较多，具有一定的复杂性与专业性。因此为提高压力管道使用的安全性，需要分析管道自身、相连设备结构，以及压力管道应力产生的原因，提出具体防治方法，保证管道在使用过程中避免与其他部件出现共振。