壓力管道應(yīng)力的內(nèi)容及特點分析

李娟 杜小亮 高剛

摘 要：壓力管道的安全可靠性能要牽涉到管道所承受的應(yīng)力，而管道所產(chǎn)生的應(yīng)力問題，主要來源于外力的荷載狀況以及熱膨脹狀態(tài)，如：重力、壓力脈動、沖撞等，為了準(zhǔn)確辨析管道中的應(yīng)力狀況，需要對壓力管道的應(yīng)力進(jìn)行分析并計算，以明晰管道對設(shè)備所產(chǎn)生的推力，確定其力矩是否在設(shè)備承載的安全范圍內(nèi)。這樣就可以為化工設(shè)計、管材采購、工程建設(shè)提供準(zhǔn)確的依據(jù)，提高建設(shè)項目的安全系數(shù)，減少不必要的材料成本投入。

關(guān)鍵詞：壓力；管道；應(yīng)力；內(nèi)容；特點

中圖分類號：TV732.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）21-0058-02

對管道的應(yīng)力分析內(nèi)容是涉及應(yīng)力計算內(nèi)容的力學(xué)分析，它可以使管道的經(jīng)濟(jì)合理性得到核驗，能夠使管道的應(yīng)力得到精準(zhǔn)的計算和分析，確保管道與設(shè)備、土建結(jié)構(gòu)相聯(lián)的安全性。在工業(yè)生產(chǎn)不斷深入發(fā)展的過程中，管道的實際應(yīng)用越來越重要，對壓力管道的應(yīng)力分析也是勢在必行，這樣，就不會導(dǎo)致因應(yīng)力不當(dāng)而使管道運行失效的狀況，確保管道的運行安全與可靠。

1 壓力管道應(yīng)力分析的意義剖析

管道廣泛應(yīng)用于石油石化產(chǎn)業(yè)、化工行業(yè)、市政建設(shè)行業(yè)等，在這些工程投資額大、安全系數(shù)要求較高的行業(yè)，需要在明晰壓力管道的應(yīng)力概念之下進(jìn)行分析。應(yīng)力是指在建設(shè)需要中所應(yīng)用的管道構(gòu)件的單位面積上所承受的內(nèi)力，它在外力的荷載之下產(chǎn)生相應(yīng)增大的值，如果在材料所能承受的強度極限之外，就會產(chǎn)生管材的變形、破裂、失穩(wěn)等現(xiàn)象，這主要是由于外部的機械荷載和熱荷載所形成的。在對管道的應(yīng)力分析條件下，可以保證工藝裝置的良好使用以及其柔性的保持，在對機械荷載和熱荷載進(jìn)行分析和精準(zhǔn)的計算之后，得知管道配件的設(shè)計參數(shù)，進(jìn)行荷載與應(yīng)力、應(yīng)力與變形之間的計算，為管道配置提供合理的數(shù)據(jù)依據(jù)，可以減少對管道的振動干擾，從而使振動頻率與震源的振動頻率錯開，保持管道的安全可靠性能。

壓力管道應(yīng)力分析的主要考慮對象為以下幾種常用的管道：

①連接儲罐設(shè)施的管道，其工程在300 mm以上、溫度在100 ℃以上的管道；

②離心壓縮機和往復(fù)式壓縮機管道；

③泵的進(jìn)出管道；

④蒸汽透平、加熱爐、反應(yīng)器、再沸器的管道；

⑤兩相流、脈動流管道；

⑥公稱直徑為≥100 mm、-50 ℃≥溫度≥100 ℃的管道。

2 壓力管道應(yīng)力的分類

2.1 一次應(yīng)力

由于管道會受到來自于外界的外部荷載，這些外部壓力或許是源于重力，或許是緣于風(fēng)載，或許是緣于外部沖撞等，而在這些壓力之下，產(chǎn)生的一次應(yīng)力要符合與外加荷載平衡的條件，并且當(dāng)外部荷載無限增強時，一次應(yīng)力要具有無自限性的特征，它可以分為一次總體薄膜應(yīng)力（影響全局結(jié)構(gòu)）、一次局部薄膜應(yīng)力（影響結(jié)構(gòu)局部）、一次彎曲應(yīng)力（機械荷載條件下截面厚度的線性分布）。在一次應(yīng)力的增值超過管材的塑性變形值時，就會導(dǎo)致管道的破裂及變形。

因而，需要對管道的一次應(yīng)力進(jìn)行嚴(yán)格管控，要留有裕度，防范管材的塑性變形，并以彈性分析和極限分析為前提，對管道的一次應(yīng)力進(jìn)行校核及控制。

2.2 二次應(yīng)力

這是在熱脹冷縮條件下產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，它的特征主要表現(xiàn)為自限性的特點，它無法與外界的壓力保持平衡，當(dāng)外部荷載超過管材的屈服極限時，管道會產(chǎn)生局部屈服以及塑性變形，使應(yīng)力再分布，并使管材達(dá)到自均衡狀態(tài)。

但是，由于管材通常來說，具有較好的塑性，因而，當(dāng)管材承受初次加載時，不會由于二次應(yīng)力而破裂；而當(dāng)管材承受多次反復(fù)的變形壓力下，就會產(chǎn)生不可承受的疲勞損壞，這主要取決于管材的應(yīng)力范圍和交變的反復(fù)次數(shù)。

在二次應(yīng)力的作用下，對于高溫管道而言，管道的壁厚增加會極大地提高管材的剛度，也會使管材的截面積和自重增加，從而在自身條件增加的條件下，降低了管道的應(yīng)力，因而，需要對高溫管道的柔性進(jìn)行分析，校核高溫管道的荷載。

2.3 峰值應(yīng)力

它不是最大應(yīng)力的全值，而是由于管件的局部結(jié)構(gòu)不夠緊湊或連續(xù)，而引發(fā)的一次應(yīng)力或二次應(yīng)力的增量，它不會像一次應(yīng)力和二次應(yīng)力那樣，引發(fā)管道的顯著變形，對于管道沒有根本性的改變和衰減，而是一種管道疲勞或脆性破裂的現(xiàn)象，產(chǎn)生峰值應(yīng)力的影響因素有多方面的原因，如：溫度、壓力、管徑、荷載、跨距等，由于各方面因素的影響，需要對管道的峰值應(yīng)力進(jìn)行校核，在對管道的循環(huán)荷載下進(jìn)行疲勞分析。

3 壓力管道應(yīng)力的內(nèi)容

3.1 壓力管道應(yīng)力分析的前提

3.1.1 溫度的計算

要以20 ℃的環(huán)境溫度為前提，考慮正常作業(yè)條件下的各種影響溫度的因素，如：吹掃、開工、停車、除焦等。

3.1.2 壓力的計算

要考慮內(nèi)外壓的條件下，壓力與溫度相耦合時的最大壓力值。

3.1.3 荷 載

由于建設(shè)工程、行業(yè)的不同特征，管道具有復(fù)雜的分布結(jié)構(gòu)，要受到多種因素的制約，如：風(fēng)、土壤、地質(zhì)條件等，產(chǎn)生壓力管道的應(yīng)力的主要原因即是荷載。這些荷載主要體現(xiàn)為以下幾個方面：

①壓力荷載。

在管道的壁面之上，管道要承受不同介質(zhì)的內(nèi)壓，在不同的介質(zhì)內(nèi)壓條件下進(jìn)行壓力荷載計算。

②持續(xù)荷載。

這由自重荷載和偏心荷載組成，自重荷載是在重力加速度的條件下加以施加的荷載；偏心荷載是在支架、吊架的反作用力產(chǎn)生的荷載。

③熱脹荷載。

這是一種非垮塌性荷載，它是由于外部溫度的溫差作用而產(chǎn)生的熱脹冷縮效應(yīng)而產(chǎn)生的。

④位移荷載。

管道在移動的過程中，由于在安裝管道的時候，設(shè)備運作過程中會產(chǎn)生發(fā)熱的溫度變化，會產(chǎn)生一定的約束力，對管道形成附加荷載，從而導(dǎo)致管道的端點位移。

⑤偶然荷載。

這是在意外的外界沖擊下形成的荷載，會對管道產(chǎn)生程度不同的影響，具有偶然性和不確定性，對于管道的應(yīng)力影響也只是暫時性的，不會產(chǎn)生根本性的影響。

3.2 壓力管道應(yīng)力的內(nèi)容分析

3.2.1 管道應(yīng)力的靜力分析

對于管道的壓力應(yīng)力的靜力分析，需要從以下幾個方面加以考慮：

①靜力分析計算出管道在壓力荷載和持續(xù)荷載作用下的一次應(yīng)力，從而防范管道的塑性變形；

②靜力分析計算管道在熱脹和位移荷載作用下的二次應(yīng)力，從而防范管道的疲勞損壞。

③靜力分析管道與相連設(shè)備的作用力，確保管道及相連設(shè)備的安全可靠。

④靜力分析管道上的法蘭受力狀況，預(yù)防法蘭泄漏。

⑤靜力分析管道位移或碰撞的狀態(tài)。

⑥靜力分析管理對支架、吊架的作用力，確保安全。

3.2.2 管道應(yīng)力的動力分析

對于管道應(yīng)力的動力分析，需要從以下幾個方面加以考慮：

①動力分析管道在地震狀況下所產(chǎn)生的應(yīng)力，確保管道的安全可靠；

②動力分析壓縮機和泵管道的固有頻率和振型，避免管道在這種情況下產(chǎn)生共振。

③動力分析壓縮機管道的振動應(yīng)力，預(yù)防管道在振動狀態(tài)下的疲勞破壞。

④動力分析管道氣體所產(chǎn)生的壓力脈動，對氣柱固有頻率和壓力脈動進(jìn)行計算，防范在壓力過大的情況下管道產(chǎn)生較大的振動。

⑤動力分析支架的荷載狀況，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

3.2.3 管道靜力分析和動力分析之間的關(guān)聯(lián)

靜力分析管道的任務(wù)主要在于對管道進(jìn)行柔性設(shè)計，在足夠的柔性條件下，管道可以克服熱脹及位移產(chǎn)生的變形，使其各節(jié)點的應(yīng)力在限定額度之內(nèi)。

動力分析管道的任務(wù)主要在于對管道進(jìn)行防振設(shè)計，要盡量避免各種振動對管道的干擾，要盡量使管道保持較小的剛度以及良好的柔性，在合理布設(shè)管道支吊架的前提下，得出優(yōu)化的比較結(jié)果。

4 壓力管道應(yīng)力分析的特征

①壓力管道的應(yīng)力分析對管道的薄膜應(yīng)力和局部彎曲應(yīng)力沒有進(jìn)行細(xì)分考慮，僅對一次總體薄膜應(yīng)力實施了校驗，而對一次彎曲應(yīng)力和一次局部薄膜應(yīng)力并未校核。

②對于管道的一次應(yīng)力計算和二次應(yīng)力計算，各有其目的和任務(wù)，對于一次應(yīng)力計算而言，是為了提高管道的承受壓力；對于二次應(yīng)力計算而言，是預(yù)防管道的熱變形狀態(tài)下的偏移問題。

③對于管道的二次應(yīng)力校驗重點是核驗管道結(jié)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性，最大限度地減少壓力管道的低周疲勞狀態(tài)。

④對于管道的一次應(yīng)力校驗與剪應(yīng)力理論不相吻合，它在計算過程中并不對管道的縱向應(yīng)力進(jìn)行計算，而是重點考慮管道彎矩和扭矩的功效。

5 結(jié) 語

綜上所述，壓力管道應(yīng)力分析具有復(fù)雜的特性，它涉及廣泛的應(yīng)力分析內(nèi)容，也與相連的設(shè)備和結(jié)構(gòu)安全相關(guān)聯(lián)，對壓力管道的內(nèi)容分析主要是側(cè)重于對管道整體系統(tǒng)的測試，是包括應(yīng)力計算在內(nèi)的力學(xué)分析，在對管道應(yīng)力進(jìn)行驗算的過程中，要盡量確保計算的精準(zhǔn)，從而確保管道的運行安全。

要對壓力管道進(jìn)行一次應(yīng)力分析和二次應(yīng)力分析，并在分類校核的條件下，減少各種應(yīng)力對管道的干擾，并為壓力管道的安裝提供必要的應(yīng)力測試，從而提升管道工程質(zhì)量。

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