管道应力分析和处理

管道应力分析和处理

刘建新潘改革

关键词：应力补偿

管道上的应力一般分为一次应力、二次应力和偶然应力。一次应力是指由管道所受外力荷载。它满足与外加荷载的平衡关系，且无自限性，当其值超过材料的屈服极限时，管道将产生塑性变形而破坏。二次应力是由于管道变形受约束所产生的正应力和剪应力。偶然应力类似于垮塌性荷载，不持续发生，偶尔会作用。一次应力和偶然应力在确定的管道和管道环境中是不会变化的，这里主要谈谈管道的二次应力。

由定义可知，二次应力是由于管道变形受阻而产生的，它不直接与外力相平衡，而是由管道各部分变形来适应的。在热胀推力的作用下，管道局部屈服而产生少量塑性变形时，就会使推力不再增加，塑性变形不再发展，即有自限性。只有塑性变形在多次交变的情况下，才会引起管道的疲劳破坏。当热力管道启动时，热力由内壁向外壁传递，内外壁管道有温差，管道温度不均匀，而产生温度应力，一般计算中不考虑。不同材料的管道和管件焊接时，由于膨胀系数和弹性模量不同，当温度升高时，相连处存在热应力,此应力也属二次应力。在管道中，二次应力一般由热胀、冷缩和端点位移引起。

一、管道的补偿

在诸多因素中，温度的变化对管道应力的影响最大，而温度升高，又会降低管道的许用应力，只有当管道在工作状态下的应力小于许用应力，管道才是安全的。那么我们怎样才能解决管道由于各种环境变化而形变带来的二次应力呢？简单的说就是“膨胀多少，补偿多少”。管道在热胀或冷紧时不受阻，或在安全应力内受阻是我们补偿的最终目的。首先我们来明确几个重要参数：

右图是一“L”型管道，A、B分别为管道的两个固定点，L1+L2=L是管道的长度，U是两个固定点间的距离，Δ是管道的膨胀量。这里需要对Δ详细说明一下，它是管道的线性膨胀量和管道位移的矢量加和。我们假定打开B点，让B点自由膨胀，在线膨胀方向上同向取正，反向取负，加合后便可以得到管道的线性膨胀量；如果A、B点为设备的管口，我们还要考虑因设备热胀或基础下沉产生的位移，两者矢量加合才是我们的Δ值。

二、柔性分析方法

实际的工程管道设计中，不是我们遇到一条管道就要去对它应力和柔性进行分析。对于规范中规定的不需要进行柔性分析的管道，对于一些被实际证明运行安全，运行良好的管道设计，我们可以直接拿来套用设计。但对于一些新设计项目中不能进行经验判断及GB50316明确规定的要进行柔性分析的管道，我们才需要对它实施柔性分析，一般来说温度大于-50℃小于100℃，管径小于250mm的管道，我们只要进行简单的经验判断就可以了，而对于一些温度高于250℃和低于-50℃的管道及复杂管系我们必须借助计算机软件进行详细分析。

三、简化计算--图解法

通常我们设计的管道，多数情况下是“L”型，“Z”型或“Π”型的，或可以通过支架的巧妙设置，把一些复杂管系简化为上述三中形式中的“L”型，“Z”型或“Π”的，也可以在一些“直”管道上设置补偿器来柔化管道。目前已经有不少设计手册和规范列出了补偿器的线算图，常见的有“L”型，“Z”型和“Π”型线算图。下面就以“Π”型补偿器为例，简要介绍下线算图解方法。

假设管廊上有一68米长的中压蒸汽管道Φ168X5，温度为210℃，材质为无缝钢管，现在设一个“Π”型补偿器来减少管道二次应力增加柔性。

第一步：设置管道固定点

管道的固定点设置要依据管道长度、补偿量、固定支架所能生根的点等因素综合考虑，灵活把握。对于此根管道我们先假定两固定点间的距离为60m（按管廊正常跨距6m，选择跨距的整数倍便于设置固定架）。

第二步：计算膨胀量

此60m的管道膨胀量是我们科学设置补偿器大小的依据。查钢材单位线膨胀量et=0.22cm/m，则Δ=et*L=0.22X60cm=13.2cm。根据此膨胀量，预设膨胀补偿器。其大小要根据所能设置补偿器的空间和支撑点来确定。

第三步：设置补偿器

补偿器我们一般都是先预设，设置好后，通过补偿量来验算是否满足补偿要求。假定我们做右图所示膨胀补偿器L2=2m，L3=3m。查“Π”型线算图知该补偿器的补偿量为6.25cm，小于Δ=13.2cm，结果是不能满足补偿要求，这个时候我们可以通过三种方法来进行调整，第一是缩短两固定点间的距离以减少膨胀量，第二是增大L2或L3的长度以增加补偿量，第三是安装中采用冷拉或冷紧，具体采用那种方法要根据经验去综合考虑。对于前两种方法我们只需要按上面所说的三步试演算到满足要求即可。对于采用冷紧或冷拉，通常会采用安装条件下50%的冷拉要求来做，如上面的管道型式及补偿器不变，用50%的冷拉比来处理，就相当于补偿量增加了一倍，这样就满足补偿要求了。

四、判断式法

对一般非输送有毒介质的管道可采用美国标准ANSI/ASMEB31.1和B31.3的判断式进行判断。满足判断式的规定，说明管道有足够的柔性。

判断式：DN*Δ/（L-U）2≤2.083

DN：管道的公称直径，cm；Δ：管道的补偿量，cm；

L：管道的长度，m；U：两固定点间的距离，m。

但是这种判断是偏于安全的，对价格昂贵的合金钢管道可能还需要计算，使其在确保安全的前提下设计出最经济的管道。

五、计算机分析方法

下面就CAESARⅡ软件使用的基本流程及心得做如下简要说明。

首先：建立分析模型

使用此软件首先要对所要分析的管系进行离散化，简化为程序所要求的数学模型，这样才能方便进行计算机分析建模。管道中的阀门、法兰可以用钢性件代替；管道材质可以在软件附带的材质库中选取；节点号应留有一定的间隔，为今后插入留有余地。

其次：真实的描述边界条件

边界条件有以下几种类型：Restraints（约束）、Displacements（位移）、

Hangers（支吊架）、Nozzles（管口）。边界条件的描述是比较困难的，这里需要我们长期的经验积累和尝试，尤其是支吊架的设置，很多设计者往往忽视支吊架的重要性，其实这是一个误区，灵活的应用支吊架，能够解决很多应力问题，这需要我们在设计计算中慢慢去体会。

再次：正确的分析计算结果

计算结果中列出了相应的各项应力数据，如果超出许用应力范围，程序会用红色显示相应点的各项数据，此时我们需要调整边界条件和管道布局来进行重新计算，直到满足应力要求为止。

总之，管道的应力处理是我们设计中经常碰到的内容，面对如何处理这一问题，我总结一句话：用简单的方法去处理复杂的问题。

首先，我们不要人为的去制造复杂管系出来，做一个项目前要对所设计管道有一个整体的认识和设计布局的把握，什么管道是应力处理的主要对象，我们心中要有数，当其他管道与其冲突时，先去优先考虑应力要求高的；其次，善于应用支吊架，特别是对固定支架的设置技巧是非常重要的，固定支架用的好，就能很好的释放传导管道应力，用的不恰当，往往会制造很多应力。本着热胀或冷紧不受阻的原则，处理起很多管系也就简单了；对于一些不放心的管道，先简化处理，在判断分析，不要什么管道都去用计算机去分析，那是不必要的，也是不科学的。

参考文献：

[1]《石油化工管道安装便查手册》（第二版）

[2]COADE/EngineeringPhysicsSoftware，Inc..CAESARⅡ

[3]《钢铁技术》2004年第一期

[4]《浙江化工》2000年第二期