工業(yè)管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析

譚果　張承麗

（中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司湖南長(zhǎng)沙　410000）

工業(yè)管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析

譚果張承麗

（中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司湖南長(zhǎng)沙410000）

我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界矚目，那么隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，我國各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展也隨著繁榮起來，各種管道工程的施工建設(shè)就是其中之一，現(xiàn)今社會(huì)，管道隨處可見，它幾乎已經(jīng)成為了人們生活中的所不能缺少的重要部分，這樣的情況下，管道工程的質(zhì)量就成為了人們所廣泛關(guān)注的問題，尤其是工業(yè)管道，為了能夠保障其使用以及安裝過程中的安全，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試是非常必要的。但是由于管道工程的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測(cè)技術(shù)難度較大，同時(shí)我國在這個(gè)方面的校核標(biāo)準(zhǔn)也不夠完善，因此，對(duì)工業(yè)管道的應(yīng)力測(cè)試造成很大阻礙，本文從幾點(diǎn)對(duì)其展開的分析，希望人們對(duì)其重要性能夠了解的更加深入，進(jìn)而使其得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

工業(yè)管道；設(shè)計(jì)優(yōu)化；應(yīng)力分析

引言

工業(yè)管道的合理設(shè)計(jì)，可以做到節(jié)省投資，節(jié)約能源，方便施工，使裝置能長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行。工業(yè)管道與壓力容器相比，其特點(diǎn)各不相同。管道種類的不同，其壓力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也不相同，我們這里所說的工業(yè)管道應(yīng)力分析，主要是真多管道的整體系統(tǒng)而進(jìn)行的測(cè)試，而壓力容器的應(yīng)力分析，是對(duì)局部所進(jìn)行了測(cè)試。由此可見，工業(yè)管道的測(cè)試范圍大，技術(shù)難度也隨之增大，并且管道整體的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，我們?cè)谶M(jìn)行測(cè)試之前需要對(duì)其結(jié)構(gòu)經(jīng)行全面的了解和分析，進(jìn)而采取最為有效的措施來進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，保障其數(shù)據(jù)的可靠性。

1　工業(yè)管道應(yīng)力分析的特征

工業(yè)管道具有自身的特點(diǎn)，并且現(xiàn)階段，我國在工業(yè)管道應(yīng)力分析方面還存在一定的缺陷，造成這些問題的最主要因素就是校核準(zhǔn)則的不完善，不科學(xué)。這就要求相關(guān)的工作人員要更加努力，積極地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，雖然這是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，但是還是要對(duì)其校核準(zhǔn)則進(jìn)行完善和改革，使其能夠更加適應(yīng)實(shí)際的需求。工業(yè)管道應(yīng)力分析的特征包括很多方面，具體如下：

①在進(jìn)行管道應(yīng)力測(cè)試的時(shí)候，工作人員對(duì)其薄膜應(yīng)力以及局部韌性的分析不夠徹底，進(jìn)而使得同一次的應(yīng)力測(cè)試中應(yīng)力沒有與總體薄膜應(yīng)力相對(duì)應(yīng)，局部薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力也沒有相對(duì)應(yīng)，這樣的情況普遍存在于工業(yè)管道的應(yīng)力測(cè)試中。在一次應(yīng)力校核準(zhǔn)則中往往忽視了對(duì)一次彎曲應(yīng)力和一次局部薄膜應(yīng)力進(jìn)行校核，而只對(duì)一次總體薄膜應(yīng)力進(jìn)行了校核。②計(jì)算一次應(yīng)力主要是為了避免管道在安裝的時(shí)候承受不住壓力而塌下來。計(jì)算二次應(yīng)力是為了防止管道在發(fā)生熱變形之后是否會(huì)出現(xiàn)問題，通過二次應(yīng)力計(jì)算管道是否發(fā)生偏移、移位，并防止并排管道所產(chǎn)生的相互影響。③二次應(yīng)力校核具有著自身的操作方式，最主要是針對(duì)其結(jié)構(gòu)的安定性，只需滿足結(jié)構(gòu)安定性條件，就可以避免工業(yè)管道產(chǎn)生低周疲勞。④一次應(yīng)力校核主要是校核工業(yè)管道的縱向應(yīng)力，其最主要的特點(diǎn)是不遵循剪應(yīng)力理論，二次應(yīng)力校核雖然遵循的是最大剪應(yīng)力，但其計(jì)算應(yīng)力過程中不會(huì)計(jì)算管道軸向立，只考慮管道彎矩和扭矩的作用。

通過前文論述，我們已經(jīng)明確了管道應(yīng)力特征，從微觀上來講，通過靜力分析和動(dòng)力分析的結(jié)合，管道應(yīng)力分析對(duì)管系的組成部分進(jìn)行了準(zhǔn)確的計(jì)算，從而最大程度的減少了外加載荷與應(yīng)力作用對(duì)管道進(jìn)行的破壞，在避免管道系統(tǒng)自震和氣柱自震方面發(fā)揮了重要作用；從宏觀上來講，管道的應(yīng)力分析為管道設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，促進(jìn)了管道安全性評(píng)價(jià)的得出。管道應(yīng)力分析能夠優(yōu)化化工設(shè)計(jì)、推動(dòng)了安全生產(chǎn)進(jìn)程，并且節(jié)約了材料和資金，實(shí)現(xiàn)了安全、合理、效益共存多贏局面?？偠灾?，管道應(yīng)力分析是一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容。

2　工程介紹

某輸氣管道工程，新建輸氣管道設(shè)計(jì)壓力10MPa，對(duì)輸氣末站進(jìn)行應(yīng)力分析，其中輸氣站場(chǎng)模型相關(guān)數(shù)據(jù)見表1～2。

3　安裝工況

輸氣管道站場(chǎng)在室外建設(shè)，管道的安裝溫度為10.5℃，應(yīng)力分析主要涉及到管道自重W產(chǎn)生的應(yīng)力。文中分析的管道為站場(chǎng)管系，設(shè)計(jì)系數(shù)為0.5，根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，水壓試驗(yàn)壓力為15MPa，應(yīng)力分析主要涉及到管道自重W以及水壓p。溫度應(yīng)力是影響管道的主要因素之一，對(duì)于埋地段，溫度設(shè)為定值；對(duì)于地上管道，為最苛刻溫度（最低取-22.5℃，最高取40.1℃）。應(yīng)力分析包括管道自重W、內(nèi)壓P和溫度T的應(yīng)力（如圖1）。

表1　站場(chǎng)應(yīng)力分析模型基本參數(shù)

表2　埋地管道土壤數(shù)據(jù)

圖1　輸氣管道站場(chǎng)應(yīng)力模型

對(duì)于管道的熱伸長(zhǎng)量，一般需要滿足應(yīng)力需要及安裝要求，做到不碰撞，不使支吊架滑落即可，對(duì)于站場(chǎng)地面管線，其熱伸長(zhǎng)量不宜大于60mm.對(duì)于管道的撓度，除了滿足管系安裝的相關(guān)要求外，在應(yīng)力分析中建議管系中懸空管道的撓度最大不超過38mm。

4　工況分析

工況分析分為兩部分：常規(guī)工況分析，分析安裝、試壓、運(yùn)行工況下的應(yīng)力結(jié)果；清管條件下的運(yùn)行工況分析。在CAESARⅡ建立輸氣管道站場(chǎng)應(yīng)力分析模型，選取重要的節(jié)點(diǎn)對(duì)各個(gè)工況進(jìn)行分析，各節(jié)點(diǎn)選取見圖2。各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置見表3。對(duì)站場(chǎng)管道模型分別進(jìn)行安裝工況、試壓工況和運(yùn)行工況分析，各工況分析中最大應(yīng)力見表4。

圖2　應(yīng)力分析模型

由表4可知，在安裝工況、試壓工況和運(yùn)行工況條件下，其中最大應(yīng)力發(fā)生進(jìn)站旁通閥門處，工況條件為試壓工況，最大應(yīng)力為329.44MPa，應(yīng)力百分比為66.36%。因此，站場(chǎng)應(yīng)力模型各節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力百分比都滿足需求。

5　結(jié)束語

我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界矚目，那么隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，我國各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展也隨著繁榮起來，各種管道工程的施工建設(shè)就是其中之一，現(xiàn)今社會(huì)，管道隨處可見，它幾乎已經(jīng)成為了人們生活中的所不能缺少的重要部分，這樣的情況下，管道工程的質(zhì)量就成為了人們所廣泛關(guān)注的問題，尤其是工業(yè)管道，為了能夠保障其使用以及安裝過程中的安全，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試是非常必要的。但是由于管道工程的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測(cè)技術(shù)難度較大，同時(shí)我國在這個(gè)方面的校核標(biāo)準(zhǔn)也不夠完善，因此，對(duì)工業(yè)管道的應(yīng)力測(cè)試造成很大阻礙，文章從幾點(diǎn)對(duì)其展開的分析，希望人們對(duì)其重要性能夠了解的更加深入，進(jìn)而使其得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

表3　部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置

表4　工況分析結(jié)果

[1]《石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T3040-2012）[S].

[2]潘紅良.應(yīng)用導(dǎo)熱膠泥伴管的伴熱效率研究[J].天然氣工業(yè)，2005（2）：172～175.

[3]《石油化工金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50517-2010）[S].

TH122

A

1673-0038（2015）26-0019-02

2015-5-28

譚果（1988-），男，助理工程師，碩士，從事工程設(shè)計(jì)工作。