压力管道应力研究

压力管道应力研究

辛冠良

（森松（江苏）重工有限公司上海分公司上海市201323）

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。基于此，本文对压力管道应力进行分析。

关键词：压力管道；应力；重要性

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。对压力管道应力进行分析，能够全面掌握管道的应力情况，通过对机械载荷以及热载荷的计算，能够为管道配件确定合理的设计参数，根据这些参数对管道进行配置，可以将管道应力控制在管道材料能够承受的范围内，防止因应力过大造成压力管道出现失稳、变形、破裂等事故。

2压力管道应力分析的主要内容

2.1压力管道应力分类

一般情况下，压力管道应力可分为一次应力、二次应力以及峰值应力三种。其中一次应力是管道受到的外载荷，其主要由重力、介质压力以及风压等因素引起。二次应力是由热胀、冷缩以及相邻部件的约束或结构自身约束所引起的应力。峰值应力则是由载荷、结构形状突变引起的局部应力集中的最高应力值。

2.2压力管道静应力的分析

对压力管道的静应力进行分析，包括以下几个方面的内容:第一，静应力分析可以确定管道在受到压力荷载与持续荷载作用后产生的一次应力，用于防止管道出现塑性变形。第二，静应力分析可以确定管道在受到热胀荷载与位移荷载作用后产生的二次应力，用于防止管道出现疲劳损坏。第三，静应力分析可以确定管道与设备间的作用力，保证管道与设备的运行可靠性。第四，静应力分析可以确定管道法兰的受力状态，防止法兰出现泄漏故障。第五，静应力分析可以确定管道受到的位移或碰撞的情况。第六，静应力分析可以确定管道对支架与吊架的作用力，以确保压力管道的安全。

2.3压力管道动应力的分析

对压力管道的动应力进行分析，包括以下几个方面的内容:第一，动应力分析可以确定管道在发生地震时受到的应力，以确保管道的安全。第二，动应力分析可以确定泵管道与压缩机管道的振动类型与频率，防止管道在运行过程中出现共振。第三，动应力分析可以确定管道受到的振动应力大小，防止管道在振动过程中出现疲劳破坏现象。第四，动应力分析可以确定气体产生的压力脉冲，计算出气柱固有频率以及压力脉动，防止应压力过大引发管道大幅度振动。第五，动应力分析可以确定管道支架的载荷装填，为结构设计提供科学依据。

3压力管道设计

压力管道设计包括管道设计、管道材料设计及管道应力分析。管道布置应该符合管道应力和管道支撑的要求，具有足够的热补偿性。如果有必要，应该反复修改布置方案，直到在应力和布置效率上达到满意的平衡。

3.1材料力学分析方法

管道在实际运行过程中会受到重力、介质压力、热胀等多重载荷的影响，受力后管道会发生一定的变形，变形就会产生管道内力。内力是不可见的，但管道变形是可见的，变形通过物性关系与内力相联系。

3.2线性热膨胀载荷和应力

大多数情况下，大多数管道系统工作的温度都要高于或者低于安装温度，这种温度的变化会引起管道的热胀或者冷缩。由于管道系统的复杂性，管道的变形会受到诸如管道布置、支架、设备等的限制，并不能够自由膨胀或收缩，这就会产生管道内应力，也会对支架、设备等产生作用力。

3.3应力规范和标准

管道设计必须严格遵守相关标准和规范的要求。标准是政府能够接受的公共安全和工业安全的最低要求。目前压力管道设计国际上普遍遵循美国ASMEB31系列标准，常用的管道应力分析软件CAESARII也是基于这个标准进行开发的。

其中，ASMEB31.3工艺管道是石油化工、煤化工等引用频率最高的规范。国内的GB50316和SH/T3041关于管道应力分析部分也都是参考ASMEB31.3工艺管道来制定的。

4管道应力分析

随着石油化工装置规模越来越大，工况越来越负责，很多管线都是高温高压管线，流通介质都是易燃易爆介质，一旦管道发生破坏，将会对环境和人员安全造成巨大的损失。

管道应力分析就是在保证这些管道不破坏最源头的工作之一。通过对管道进行应力分析，还可以帮助管道专业进行管道的优化设计，节约材料，减少项目投资。

4.1管道强度设计

管道强度设计是管道应力分析的前提，管道及管道元件的壁厚、管道补强的计算都会对管道应力分析产生较大影响。压力管道直管计算壁厚仅考虑内压的影响，计算公式的出发点是薄壁模型，所采用的强度理论是最大剪应力理论。

内压直管壁厚计算公式一般按下式计算:

当t≥D/6或者P/SE>0.385时，壁厚计算还特别考虑了断裂理论、疲劳及热应力等因素的影响。

4.2管道柔性设计

管道应力分析的的重点是整个管系的柔性和管道应力，主要目的是保证管道在各工况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、管道支撑不当等造成的管道应力过大或金属疲劳破坏；管道连接处发生泄漏；管道推力过大，使与其相连的机器设备因产生过大应力或变形而不能正常工作；管道推力或力矩过大造成支吊架失效等。

为了保证管道自身和与其相连机器设备的安全，就必须使管道布置满足一定的柔性，满足一定的安全评定条件。一般在管道布置时，优先选择自然补偿。只有当自然补偿不能满足时，才考虑改变管道走向、管口方位、增加柔性补偿器及弹性支吊架等。

4.3管道安全评定

通常管道要承受多种不同载荷的影响，不同载荷引起不同的应力，不同应力对损伤破坏也不一样。管道应力分析通常把应力分为一次应力和二次应力。

一次应力是由于压力、重力及其它外力载荷的作用产生的应力，它是平衡外力载荷所需要的应力，随外载荷的增加而增加。二次应力是由于热胀、冷缩、端点位移等位移载荷的作用产生的应力，它不直接与外力平衡，但它最大特点是有自限性，即有极小的局部变形就有可能消失。

通常，一次应力的校核是只要求管道中由于压力、重力及其它持续性载荷产生的纵向应力和不超过材料在最高温度下的许用应力即可。即SL≤[σ]t。

二次应力的校核主要是来源于结构的安定性条件，即弹性应力范围不超过材料屈服强度的2倍，推导出来就是SA≤f[1.25(SC+Sh)-SL]。ASMEB31.3-2016对纵向应力SL和位移应力SE的计算公式做了更新，虽然这两者的公式几乎一样，但每项所代表的含义是有区别的，详细内容请参考具体章节。

结语

总而言之，压力管道应力分析是一项复杂的工作，其主要内容是对压力管道进行系统化的测试，掌握压力管道运行过程中受应力影响的实际状态，并根据分析结果采取相应的改善措施。因此，必须保证分析过程的准确性，确保压力管道能够正常运行。

参考文献

[1]李雪晶.浅析压力管道应力分析[J].纯碱工业，2016(01):34-36.

[2]张其莘，赵静，崔志伟.压力管道的应力分析及计算[J].石化技术，2016，23(01):148+204.