工業(yè)管道設(shè)計中的應(yīng)力研究

潘國毓

摘 要：管道應(yīng)力研究有利于提升設(shè)計過程中管道的柔韌性，能夠有效避免因?yàn)闊崦浝淇s等物理因素對其產(chǎn)生的影響。本文接下來詳細(xì)闡述了主要的幾種管道應(yīng)力類型，并深入探討了管道應(yīng)力研究的相關(guān)內(nèi)容與方式，最后論述了其重要性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)管道設(shè)計；應(yīng)力研究；重要性；方式

加強(qiáng)對管道設(shè)計的應(yīng)力研究，能夠更好地保障其裝置的安全性，以及運(yùn)行的健康性。工業(yè)化時代的到來與發(fā)展，促使了化工裝置的規(guī)模逐漸增大，也使得管道設(shè)計在這樣的發(fā)展背景影響下不斷進(jìn)步。因而，對于這方面的研究也就變得尤其重要性。當(dāng)前，許多設(shè)計單位或者投資方都越來越重視管道應(yīng)力研究分析，特別是國外的投資項(xiàng)目及國家重點(diǎn)保護(hù)工程等都提出了具體要求，希望在設(shè)計中能夠通過應(yīng)力研究加強(qiáng)管道性能。

1 應(yīng)力類型

（一）應(yīng)力的定義

對于應(yīng)力的定義，比較被人們所熟知一種是指物體因?yàn)槭艿綔囟扰c濕度等眾多因素的影響而發(fā)生一定程度變化時，物體內(nèi)的各個部位會產(chǎn)生一種內(nèi)力。這種內(nèi)力是通過各部位之間進(jìn)的相互作用而產(chǎn)生的，能夠?qū)ν獠繙囟扰c濕度等相關(guān)因素帶來的影響起到一定的抵制作用。并且，其試圖讓發(fā)生變形后的物體恢復(fù)到原本的位置。簡而言之，也就是說應(yīng)力是指所考察對象某截面中其中一點(diǎn)的單位面積上的內(nèi)力。

（二）應(yīng)力的分類

在管道設(shè)計中，其主要是受到壓力脈沖、沖擊、風(fēng)等等之類外力因素與熱膨脹方面的影響而產(chǎn)生的一系列應(yīng)用問題。在對待類型不同的應(yīng)力問題，要結(jié)合其影響因素選擇適合的應(yīng)對方式。通常情況下，根據(jù)其所產(chǎn)生的效應(yīng)與破壞作用這些方面進(jìn)行分析，大體可以把應(yīng)力劃分為三種類型：一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。

所謂的一次應(yīng)力，也就是指其只有是受到外加荷載影響而產(chǎn)生的應(yīng)力問題。比如人們?nèi)粘Ｉ钪斜容^熟知的由壓力、重力等作用影響而產(chǎn)生的應(yīng)力。這種應(yīng)力擁有非自限性的特點(diǎn)。簡單來說就是一次應(yīng)力同外加負(fù)荷之間能夠達(dá)到平衡狀態(tài)。通常情況下都是隨著其外加荷載的提升而提升，直到負(fù)載超過了材料承載的最高值時，就會使得管道發(fā)生變形或破壞。除此之外，人們平常比較熟知的風(fēng)載荷與水沖擊等因素造成的應(yīng)力也被劃分到一次應(yīng)力中。

二次應(yīng)力主要是指因?yàn)闊崦浝淇s及其他位移受約束所產(chǎn)生的應(yīng)力。其基本特點(diǎn)就是有自限性，簡單來說二次應(yīng)力不會直接和外力平衡，當(dāng)載荷超過了材料的極限時，因?yàn)楣艿纼?nèi)部的壓力和產(chǎn)生的少許塑性變形就能夠使應(yīng)力下降。此時的應(yīng)力需要重新分布，讓材料的應(yīng)變達(dá)到自均衡。

峰值應(yīng)力，主要是指管道或者附件因?yàn)榫植拷Y(jié)構(gòu)不能夠連續(xù)或者局部熱應(yīng)力效應(yīng)，加到一次應(yīng)力或者二次應(yīng)力的增量。其基本特點(diǎn)是不引起明顯的變形，在短距離內(nèi)從它的根源減弱，是一種疲勞性的裂紋或脆性破壞的原因造成的。

2 應(yīng)力研究分析的主要內(nèi)容及方法

（一）應(yīng)力研究分析的主要內(nèi)容

對管道應(yīng)力進(jìn)行研究的內(nèi)容主要包含著針對管道進(jìn)行載荷、變形、應(yīng)力等方面不同類型的力學(xué)研究分析，并在此基礎(chǔ)上使得管道在設(shè)計的各種載荷下還可以避免出現(xiàn)位移或者是被破壞之類的現(xiàn)象，最終使得管道的安全性得以有效保證，也使得管道使用的經(jīng)濟(jì)性得到確保。通常情況下，應(yīng)力研究劃分為靜力研究分析和動力研究分析兩個方面。

靜力方面大致被劃分為六個小點(diǎn)，但對其研究都主要是在靜力載荷的作用下進(jìn)行的。第一點(diǎn)是指壓力或持續(xù)荷載作用下的一次應(yīng)力計算，這樣做可以有效預(yù)防塑性變形破壞。第二則是在發(fā)生熱膨脹冷縮的作用下，以及端點(diǎn)附加位移等荷載作用下，進(jìn)行二次應(yīng)力計算。以此能更好地預(yù)防管道出現(xiàn)疲勞破壞的現(xiàn)象。其三，是對管道設(shè)備管口的受力進(jìn)行計算與評定，才能把作用力掌握在一定范圍內(nèi)，讓設(shè)備健康運(yùn)行。其四，是對管道支吊架的支承點(diǎn)受力進(jìn)行計算，這方面的研究則是為了可以給支架的設(shè)計提供更加精確的數(shù)據(jù)依據(jù)。其五，主要是研究管道上法蘭受力情況，計算出其法蘭受力才能更好地預(yù)防法蘭泄露。其六，是為了給支架設(shè)計還有結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更符合實(shí)際的依據(jù)，主要就兩相流以及液擊這方面的沖擊載荷計算進(jìn)行了研究與分析。

動力研究大致被劃分為四個點(diǎn)，其主要是圍繞著動力載荷作用情況下的管道力學(xué)分析。其一，研究圍繞著管道本身具有的一定規(guī)律的振頻率進(jìn)行分析，以此預(yù)防系統(tǒng)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。其二，主要是對管道強(qiáng)迫其振動響應(yīng)進(jìn)行分析，從而找出能夠更好對管道振動與應(yīng)力進(jìn)行控制的方式。最后兩點(diǎn)主要是針對往復(fù)式的壓縮機(jī)（泵）氣（液）柱頻率與壓力脈動兩方面進(jìn)行分析，前者有利于實(shí)現(xiàn)防止氣柱共振的目的，后者有利于控制壓力脈動值。

（二）應(yīng)力研究分析的方法

通常，管道應(yīng)力研究分析的方法有目測法，簡單計算法及計算軟件法三種。在實(shí)際的設(shè)計時，不一定所有的管道都要進(jìn)行應(yīng)力計算。

目測法比較適用于有一定經(jīng)驗(yàn)的研究分析人員在對運(yùn)行狀態(tài)健康的管道柔性相同或者基本相當(dāng)?shù)墓艿肋M(jìn)行研究分析使使用。還能對已經(jīng)研究分析過的管道進(jìn)行比較，確定出柔性不錯的管道。只是對于新人而言，還是需要進(jìn)行嚴(yán)密的計算研究，才能保證工程的安全性。而簡單計算法比較適用于擁有相同直徑、相同壁厚、沒有支管、兩端固定、中間沒有約束的非劇毒的介質(zhì)管道。可以選擇使用簡化柔性計、格林乃爾法，Tube Turns法，凱洛格公司計算法等。

常用D0Y/（L-U）2≤208.3這個簡化公式計算管道的柔性。公式中：D0代表管道的外徑（單位mm）；Y代表由管道吸收總位移（單位mm）；L 代表管段兩固定點(diǎn)間的展開長度（單位m）；U 代表兩端（固定）點(diǎn)間直線距離（單位m）。但是這個公式是簡化后的公式，所以有它的局限性，當(dāng)出現(xiàn)以下情況的管道時不能運(yùn)用此公式。第一，管道處于劇烈循環(huán)的環(huán)境中，存在疲勞危險的情況。第二，需要大直徑的薄壁管道（管件的應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)大于等于5）。第三，和端點(diǎn)的連線不在同一個方向的端點(diǎn)附加位移量占總位移量很大部分的管道。第四，L/U>2.5的不等腿U型彎管道或者近似直線的鋸齒狀的管道。

除了前面所講這兩種計算方式，還可以此采用計算軟件進(jìn)行計算。當(dāng)前工程設(shè)計中常用到的國外應(yīng)力分析軟件有CAEPIPE、CAESAR、PIPE-FLO、Caesar II 等。最為普遍的軟件是美國COADE公司的Caesar II，該程序是管道靜力和動力研究分析的專用軟件。國內(nèi)優(yōu)易軟件的AutoPSA，也是很優(yōu)秀的軟件程序，在價格和使用習(xí)慣等都有很大的優(yōu)勢。

3 應(yīng)力研究的重要性

（一）保證裝置安全運(yùn)作

如果管道的布置不科學(xué)，就會使整個裝置存在巨大的安全隱患，猶如一個不定時炸彈，不知道它什么時候就會爆炸。舉個簡單的例子，因?yàn)楣艿罒釕?yīng)力導(dǎo)致管架被破壞，設(shè)備的管口撕裂或被頂壞，彎頭部分的焊接縫隙出現(xiàn)裂縫，法蘭泄露的情況時常發(fā)生，如果情況嚴(yán)重還會發(fā)生燃燒甚至爆炸，引起人員的傷亡。

所以，需要在管道設(shè)計時進(jìn)行應(yīng)力研究分析，通過對應(yīng)力研究分析，可以使其具有柔性。通過科學(xué)合理的布置使一些容易產(chǎn)生振動的管道的振動頻率和震源激振錯開，防止共振發(fā)生，確保整個系統(tǒng)安全運(yùn)作。

（二）節(jié)約成本，減少工程投資

管道應(yīng)力研究分析主要是通過相關(guān)的計算應(yīng)力軟件分析，精確的計算可以保證數(shù)據(jù)的可靠性，再根據(jù)數(shù)據(jù)做管道的設(shè)計輔助，可以減少工程的投資成本。例如，可以通過應(yīng)力分析研究科學(xué)地對管架進(jìn)行布置，甚至能夠精確到預(yù)算管架的個數(shù)及承受的重力，這樣就能減少投資的成本。再例如，可以通過應(yīng)力研究分析的數(shù)據(jù)算出管件、補(bǔ)償器等管道所需配件的設(shè)計參數(shù)，也能使投資具體化、合理化。

4 結(jié)語

當(dāng)今世界現(xiàn)代工業(yè)不斷向前發(fā)展，相對應(yīng)的生產(chǎn)裝置的規(guī)模也逐漸向大型化發(fā)展，許多高壓、高溫、大直徑的管道運(yùn)用和繁多復(fù)雜的生產(chǎn)情況讓管道應(yīng)力研究在工業(yè)管道設(shè)計中發(fā)揮不可忽視的重要作用。管道的安全性是否達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)在于管道應(yīng)力研究分析，它能夠保障裝置安全、正常的運(yùn)作，同時也在材料節(jié)約和設(shè)計優(yōu)化等方面起著重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬波，趙浩.管道設(shè)計中的應(yīng)力分析[J].廣東化工，2013，05：161-162.