化工设计中的管道应力分析

化工设计中的管道应力分析

顾友昌

黑龙江龙维化学工程设计有限公司张店分公司 山东淄博 255000

摘要：近年来，与化工相关的管道设计技术越来越受到人们的重视。对于这种工艺，管道应力分析计算是一个非常重要的部分。它对研究管道在各种荷载作用下的受力性能具有重要意义，有助于设计安全、经济的管道。根据目前的基本情况，管道应力分析对管道安全生产和优化设计具有重要影响，已成为石化、电力等工业管道设计的重要依据。

关键词：化工设计；管道应力；分析

1 管道应力的相关概念

在当前的生活和工业生产中，管道系统是不可缺少的一部分，对其的分析和研究正在逐步深入。针对管道在使用过程中出现的变形问题，引入应力的概念进行科学严谨的分析，以保证管道的正常运行。在管道应力分析中，应力分为一次应力和二次应力。初应力的出现主要是由外部条件引起的。当管道的内力和外力达到平衡状态时，由外荷载引起的力称为初应力。值得注意的是，主应力的大小和状态并非一成不变，而是会随着外部条件的变化而相应变化。主要影响因素是外部作用力。当一次应力的大小大于管道材料的承载极限时，管道将发生塑性变形，最终导致管道破裂，影响管道系统的正常运行。次应力是在主应力的前提下发生的应力。当管道在一次应力作用下发生变形时，管道成形条件产生的约束力为二次应力。二次应力的产生主要受温度和应力点位移的影响。由于二次应力是在一次应力引起管道变形的基础上产生的，因此二次应力的大小取决于管道的变形程度，无论外部荷载如何影响二次应力，即二次应力的产生和影响条件完全取决于管道的内部状态。二次应力对管道的影响是，过大的应力会导致管道疲劳，缩短管道的使用寿命。应力是管道应用中必须研究的重要课题。掌握应力信息可以有效延长管道的使用寿命，创造更大的经济效益。

2化学设计中常见应力类型分析

对于管道而言，在内压、连续外载和冷缩条件下，相应的最大应力往往超过材料的屈服极限。此外，高温管道的应力松弛会导致相应管道系统的应力状态发生很大变化。对于不同类型的应力，应进行相应的处理，使限幅效果更加理想。管道应力一般分为一次应力、二次应力和峰值应力。

2.1主应力

所谓主应力，主要是由压力、重力等外部荷载形成的应力。具体来说，它不能自我限制，并且会随着负载的增加而增加。当超过材料极限时，管道会发生塑性变形甚至失效。此外，管道上的风荷载和地震荷载也属于一次应力，可根据其具体特点进行相应的处理。

2.2二次应力

所谓二次应力，主要是受现实的约束而形成的应力，如热膨胀和冷收缩。由于它有一定的自身局限性，它与外力不平衡。即使承受超过极限的载荷，一段时间后应力也可以减小，相应材料的变形也可以恢复。

2.3峰值应力

这种应力主要是在管道或附件局部结构不连续或局部热应力作用下形成的。具体来说，其变形不明显，但在短时间内会出现根部衰减。疲劳裂纹或脆性破坏主要与之相关。此外，小半径圆角和管道附件焊接不良引起的应力也属于这种情况。

3 在化工管道设计中降低管道应力的有效举措

3.1 适度增加管道柔性特点

在化工管道设计过程中，为了有效降低管道应力，有必要根据实际情况选择化工管道的制造材料。同时，还需要在满足实际要求的条件下适当增加管道的柔性特性，这可以有效地反映管道塑性变化的难度。化工管道的柔性与管道的抗压能力密切相关，二者成正比。因此，提高管道的灵活性可以阻止管道中应力的形成。在抵抗应力的同时，它还具有一定的压缩和自限特性。增加管道柔性的主要措施包括改变管道方向、波纹管膨胀节、弹簧支吊架等。

例如，福建三钢集团股份有限公司在对发电机组外部蒸汽管道进行改造的过程中，严格遵守了工艺管道的联系资料、参数和相关标准。在原有基础上，新增过热蒸汽管道接入3#饱和发电机，送DN250管线拆除。DN250蒸汽管道总长约75m，水管长度约60m。管道保温按规定经试压、除锈、防腐、固定支架验收合格后，方可进行实际拆除工作。为了做好管道保温工作，减少应力影响，需要刷两层耐热底漆，然后包裹保温层，用岩棉或复合硅酸盐、扎铁丝等固定，最后在外面用铝板包裹，这样不仅可以达到保温效果，它可以进一步提高管网的灵活性，有效降低管道应力。它具有运行稳定、操作简单、成本低等优点。此外，该管件还具有管径小、安装方便的特点，从而有效提高了化工管道的灵活性。

3.2选择合适的管网安装设备

对于化工管网系统而言，支架的安装在管道运行中起着重要作用，可以削弱和分担管道应承受的压力，从而降低管道应力。在支吊架的选择和安装过程中，要保证与实际管道高度一致，充分发挥其实际应用效率，对降低共振频率和应力产生起到很大作用。在此基础上，为了避免由于支吊架的选择和安装不合理，导致管道重力荷载过大而产生过大的应力，必须严格遵守相关标准，只有提前全面了解和掌握化工管网，才能有效提高支吊架的针对性。同时，可以有效缓解塑性变形，进一步降低管道应力和相应装置的承载能力，保证管道和装置的稳定运行。

例如，2020年，安徽某企业对加热炉、蒸汽发生器、汽轮机蒸汽管道、离心压缩机等设备的管道类型进行了深入分析和探讨。由于其温度一般会超过400℃或零下50℃以下，因此有必要根据实际情况进行应力分析，在此基础上进行管道设计，并根据保温管道的应力分析结果获得内衬管道、铝合金管道，为了保证化工管道设计内容的可操作性，同时降低管道应力，有必要在管道上设置相应的支架。同时，为了有效确定应力标准，需要适当去除部分承载力，在此基础上连接DN250化工管道，并利用支架本身的承载力进行比较确定，在选材时，相关人员应尽量选择高密度的材料，硬度高，压缩性能好，可大大降低管道压力。在实际支架安装过程中，需要提前准确计算管道压力，尽量选择管道的弯头或装置的管口就近安装，这样不仅可以有效降低管道应力，而且可以满足材料最大跨度的实际需要。

3.3采取冷紧措施降低应力

冷紧是指管道安装时预先施加在管道上的弹性变形，以产生预期的初始位移和应力，从而减小初始热状态下管端的力和扭矩。在化工管道设计过程中，需要充分考虑的是，在实际的管道使用过程中，由于局部热膨胀应力，管道往往会发生塑性变形，从而增加管道的弯曲度，导致管道过度弯曲，主要是由于化工管道材料存在热膨胀、冷缩现象，极易造成化工输送材料泄漏事故，对生产安全构成严重威胁，因此，在设计过程中必须制定冷紧措施和预防方案，有效保证化工生产的安全运行。

结束语

化工设计中的管道应力分析直接关系到管道的运行和使用寿命。同时，它也是化学工业的命脉，关系到化工生产的各个方面。因此，对管道应力的研究和讨论不能停止。目前，化工设计中的管道应力分析已经取得了一定的成果，可以初步解决管道应力引起的一些问题，但这还远远不够。只有深入、持续地开展这项研究，才能确保化学工业生产效率和安全水平的不断提高，有助于化学工业的可持续和长远发展。

参考文献

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[2]化工设计中管道应力简析[J]. 巩一.  化工管理. 2018(10)

[3]化工设计中的管道应力分析探讨[J]. 王庭恭.  民营科技. 2016(12)

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