化工管道设计中的应力分析

化工管道设计中的应力分析

1 张宇 2 夏曼曼

1 利策科技 (天津 )有限责任公司 天津市

2天津博迈科海洋工程有限公司 天津市

【摘要】：对于化工管道进行管理分析，可以有效保证最终的工程质量。其中，应力分析占有举足轻重的地位，随着科技的进步与工业的发展，应力分析也受到了生产者的重视与社会各界的关注。本文首先对管道受到的不同种类应力及应力分析的范围作出了浅要解析，并对降低其中的应力提出了解决方法。

【关键词】：化工管道；应力分析；分析范围；降低措施

引言

化工管道设计有着极高的设计标准和要求，由于这项设计工作自身的特点，因此在应力的分析上都需要加以注意，经过研究和论证，目前在化工管道设计，尤其是管道应力的设计上拥有了丰富的经验，能够采用合理的科学的设计途径，通过有效的措施，得到经过优化的化工管道设计方案，并在工作实际上收到了满意的效果。

1、化工管道设计中的应力分类

在一般情况下，物体会受到外界的作用力，而在单位面积上所受的外界作用力，就称为应力。所以，在对管网进行设计规划时，要格外注意在负载状态下是否会出现一些使得应力变大的状况，尤其要关注冷热交替、位置改变等易引发问题的状况。同时，也要注意管网是否会发生塑变。以上，就对管网的精密计算和研究提出了要求。一般来说，管网的应力主要分为一次应力、二次应力和最大应力3种情况。

1.1一次应力

这种应力的成因往往是来自于外界的作用力（例如压强）负荷。并且，一次应力具有不受限制的特点，也就是说，该应力不能将自身的特性用于反抗，通过借助管网负担这些作用力来达到抵消外界作用力的目的。同样，该应力可以承受施加在其上面的一定外界作用力，也就是说，它具有平衡应力与外界作用力的特性。但是，在管道使用的材料已经达到一定值，压力即将变得不可承受时，管道就极容易因为不得不承受超负荷材料带来的压力而发生塑变，这对于管道的使用寿命很有危害。根据以上论述，可以知道诸如物料和管线的重力或是风和地震的负荷等来自外界的干扰成分，都可称之为一次应力。

1.2二次应力

一般来说，当管网受到外界因素的影响发生热胀冷缩时，就容易产生这种应力。相反地，该种应力往往受到限制，当管网使用的材料超出了其承受能力时，就会相应地在部分区域发生管道塑变。塑变后的一段时间内，由于管网自身具有张力，可以使这种张力与承受的压力进行抵抗，从而保证应力在管道上分布均匀，在已塑变区域的应力被分散后，不会再对管道造成二次伤害。

1.3最大应力

在化工管网中，当一些零件出现松化或脱落现象，或者区域部分受热过多时，直接影响到与一次和二次应力相关的一种应力，这种应力就称为最大应力。与上面两者不同，该应力不会使管道产生较大的塑变，而是使管道从内部产生细微的开裂，而后逐渐加深裂纹，最终导致质变，进而对管道造成损害。可以看出，这种应力主要是由人为干扰或者零件的损坏造成的。

2、化工管道设计中的应力分析范围

并不是全部的管道都必须进行详尽的应力分析，通常，一些管道的柔性已经非常好，并不需要进行仔细的计算与分析，或者只需要进行简单的计算就可以。只有在设计以下管道的时候，才必须进行详细的应力计算与分析：

1）一般管道。对于一般管道而言，有以下情况时，必须进行管道应力的计算与分析：①内部绝热管道；②脆性材料衬里的管道；③整体冷装置管道；④温度大于或者等于400℃或小于等于-70℃的管道；⑤预期寿命内热循环次数超过700的管道。

2）与空冷器相互连接的管道。当这些管道温度大于或者等于120℃，并且公称直径大于或者等于150mm时，必须进行管道应力的计算与分析。

3）与炉子相互连接的管道。当这些管道温度大于或者等于230℃，并且公称直径大于或者等于150mm，必须进行管道应力的计算与分析。

4）出口连接管道、泵进管道。①当这些管道温度大于或者等于230℃，或者低于-20℃时，并且公称直径大于或者等于150mm，必须进行管道应力的计算与分析。②管道直径小于泵接管口尺寸。

5）出口连接管道、往复式压缩机进管道、离心式出口连接管道、离心式压缩机进管道、汽轮机出口连接管道、汽轮机进口连接管道。

6）埋地管道。管道的敷设环境温度与工作温度的温差大于35℃。

3、管道应力分析的方法

多数对于管网应力的分析主要包含两个方面，即静态分析和动态分析。

静态分析包含：（1）效仿塑变所造成破坏的不断负荷与压强负载作用下所出现的一元应力分析；（2）避免持续损坏的管网位置发生额外位置变化或冷热交替发生形变等负载作用发生的二元应力分析；（3）避免支点和吊点位置偏移过大和管网冲撞的管道位置偏移分析；（4）给支架和吊架的设计提供可参考的管网支架和吊架的受力分析；（5）避免法兰泄漏的管网上法兰受力分析；（6）保障装置、设备平稳运转的管网对装置和设备作用力的分析。

动态分析包含：（1）避免管网系统共振的管网自振频率计算；（2）避免管网地壳震动的应力过大的管网地壳震动计算；（3）把控压强波动值的压缩机压力波动计算；（4）避免气柱共振的压缩机气柱频率计算；（5）把控管网应力与震动的管网被迫振动反应计算。

4、化工管道设计中降低应力的措施

化工管道设计中重要的一环就是对应力进行分析，这对于化工管道的施工和运行时非常重要的。化工管道的应力分析内容，包括管道的口径、压力、壁厚、荷载等，然后根据分析的结果确定降低应力的方法。

1）利用化工管道的热应力的原理，采用冷紧的方法，是降低化工管道应力的方法之一，此种方法的工作原理，是通过化工管道的热应力在局部产生的热胀冷缩的效果，导致化工管道中的某个区域发生了集中的力矩和推力，实现在化工管道的热态下的区域性应力的降低，这种方法在防止化工管道出现过大弯度导致化工管道发生泄漏上收效甚好。

2）采用管道支架设置的方法是防止化工管道出现损坏的有一个有效方法，这个方法的工作原理是由于化工管道承受的重力作用大，因此，采用管道支架能够去除一部分的管道承受重力，利用支架产生的应力，减少管道承受的应力。在支架的材料的选择上，尽可能地选择具有高密度、硬度以及抗压度的材料，使得材料的性能和承重能力能够达到最优，从而减轻管道弯路的应力，支架放置的位置一般在化工管道的弯处。支架材料要满足最大允许跨度的要求，支架型号的选择一般要能够适应管系变形的需要。

3）增加管道的柔韧性，这种方法是进行化工管道材料的设计中总结出的有效方法，其工作原理是，较为柔韧并具有抗压能力的材料，能够使得化工管道更加坚固。在管道材料的选择上，应注意材料不仅要具有柔韧的特点，还要不容易出现裂痕，这样的材料可以帮助化工管道达到最大的峰值应力，不容易发生损坏。管道柔韧性的增加，还要在进行管道走向的设计的时候，线路尽量保持悬空、小弯度以及走向设计简单化，让化工管道与自然因素接触的概率减少，不仅达到对应力作用力的降低，还能减少工程造价。

结语

在化工研究计算中，管道的应力分析是不可或缺的一部分，其规划设计的可靠性与管网的正常工作息息相关，在管网的相关应用中起着很大的作用。因此，对管网中出现的问题进行分析，在很大程度上帮助了设计人员对管道进行进一步的优化改进，提高工业设施的合理性、可靠性。

参考文献

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