化工設(shè)計(jì)中管道應(yīng)力分析軟件的應(yīng)用探索

楊學(xué)松

摘要：化工管道在化工企業(yè)的生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。管道應(yīng)力的大小會(huì)直接影響化工管道的質(zhì)量。對化工管道的應(yīng)力大小進(jìn)行分析，在有效保證管道質(zhì)量的前提下，促進(jìn)化工企業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量的提高，保證化工企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行安全。以化工管道為主要研究對象，著重對管道應(yīng)力分析軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行研究和分析，為提高我國化工企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平提供助力。

關(guān)鍵詞：化工設(shè)計(jì);管道應(yīng)力;應(yīng)用分析

管道應(yīng)力分析軟件是計(jì)算管道應(yīng)力的重要依據(jù)，在化工企業(yè)的生產(chǎn)中，這種先進(jìn)的分析軟件能夠在安全生產(chǎn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮重要的作用。在對化工企業(yè)的生產(chǎn)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，管道應(yīng)力分析軟件的應(yīng)用能夠有效提高化工企業(yè)的生產(chǎn)效率，保證化工企業(yè)的生產(chǎn)安全。研究管道應(yīng)力分析軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，使其在化工設(shè)計(jì)中發(fā)揮更大的作用。

1 管道應(yīng)力

1.1 管道應(yīng)力的具體含義

管道應(yīng)力主要是針對工業(yè)用管道而言，而工業(yè)用管道主要起到輸送各種用于工業(yè)生產(chǎn)的介質(zhì)的作用。在應(yīng)用管道進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，對管道的不同應(yīng)力情況進(jìn)行分析，能夠在有效保證管道裝置結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，減輕對周圍環(huán)境造成的污染，并保證工業(yè)管道能夠符合相關(guān)的規(guī)范和要求[1]。科學(xué)技術(shù)水平的提高，為管道應(yīng)力的分析提供了很好的條件。現(xiàn)階段，化工企業(yè)常用管道應(yīng)力分析軟件對不同條件和材質(zhì)的管道應(yīng)力進(jìn)行分析。

1.2 分析管道應(yīng)力的目的

由于工業(yè)用管道在輸送各類介質(zhì)時(shí)，對介質(zhì)的保存環(huán)境要求較高，而工業(yè)管道在完成配管施工后，需要對管道連接的安全性進(jìn)行合理、有效的檢查，才能減少因管道泄漏等問題造成的環(huán)境污染和安全隱患問題。在分析管道應(yīng)力時(shí)，需要滿足以下方面的要求：應(yīng)力結(jié)構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力范圍、與管道相連接的設(shè)備接口性能符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求、管道連接部分的安全性能夠達(dá)到相關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算管道不同位置承受的荷載力、減少管道在運(yùn)輸介質(zhì)時(shí)容易出現(xiàn)的管道機(jī)械振動(dòng)、壓力脈動(dòng)等問題[2]。

1.3 管道應(yīng)力分析的主要內(nèi)容

具體分析管道應(yīng)力主要包括正確建立模型、真實(shí)描述邊界條件以及正確分析計(jì)算結(jié)果3個(gè)方面的內(nèi)容。模型的建立主要是在應(yīng)用管道應(yīng)力分析軟件時(shí)，借助力學(xué)以及數(shù)學(xué)方面的知識，建立整體管系模型，并保證模型建立的離散化，以達(dá)到更好的應(yīng)力分析結(jié)果。邊界條件的描述主要是管道中的約束支架、關(guān)口等容易影響管道質(zhì)量問題的模擬。分析結(jié)果是整個(gè)管道應(yīng)力分析最重要的內(nèi)容，只有保證管道應(yīng)力的分析結(jié)果，才能依據(jù)該結(jié)果對管道進(jìn)行更優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

2 管道應(yīng)力分析軟件在化工設(shè)計(jì)中應(yīng)用的具體分析

在化工企業(yè)中，管道設(shè)計(jì)會(huì)直接關(guān)系到化工生產(chǎn)成品的質(zhì)量問題。在化工設(shè)計(jì)中應(yīng)用管道應(yīng)力分析軟件，能夠有效保證管道設(shè)計(jì)施工的質(zhì)量，在保證介質(zhì)運(yùn)輸安全的同時(shí)，為化工企業(yè)的生產(chǎn)安全提供保障。在對化工設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力分析軟件進(jìn)行研究時(shí)，主要可以從以下方面入手。

2.1 改善管道應(yīng)力情況的有效方法

管道應(yīng)力情況受多方面因素影響，在對管道應(yīng)力進(jìn)行分析之前，需先了解管道在配管中容易產(chǎn)生應(yīng)力的情況，并采取有效的措施加以改善，才能為管道應(yīng)力的分析提供更好的條件。

2.1.1 合理選用和設(shè)置管道支吊架

支吊架在管道配管的施工中起著重要的支撐和控制作用，支吊架的質(zhì)量好壞，會(huì)直接影響管道的實(shí)際應(yīng)用質(zhì)量。在對管道的支吊架進(jìn)行選用和配置時(shí)，需要時(shí)刻注意以保證管道的質(zhì)量和配管的科學(xué)性為主要原則。在管道配管的過程中，支吊架承受的荷載力主要源于管道的質(zhì)量，當(dāng)支吊架難以滿足管道的支撐作用時(shí)，就會(huì)加大管道受到的應(yīng)力，提高管道受到應(yīng)力壓迫而產(chǎn)生的彎曲、損壞等問題發(fā)生的概率。因此，在選用支吊架時(shí)，不僅要注重對支吊架進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，還要依據(jù)不同的管道型號和性質(zhì)來選擇不同類型的支吊架。

在具體設(shè)置支吊架時(shí)，首先，注意與管道的承重架保持一定的間距，以便讓管道的撓度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn);其次，充分利用管道的自然補(bǔ)償特性，滿足管道對柔性的要求，保證管道敷設(shè)的質(zhì)量;最后，在對管道進(jìn)行位移時(shí)，為了保證管道承受的應(yīng)力在可接受范圍內(nèi)，還要控制位移的距離在管托寬度范圍內(nèi)。

2.1.2 增強(qiáng)管道柔性

管道柔性是衡量管道能夠承受的應(yīng)力范圍的主要依據(jù)，適當(dāng)增強(qiáng)管道的柔性，能夠讓管道即使遇到應(yīng)力增加的情況，也能保證質(zhì)量和性能要求?，F(xiàn)階段，增強(qiáng)管道柔性已經(jīng)成為管道設(shè)計(jì)中最主要的一個(gè)目標(biāo)。改變管道走向、選用波紋管膨脹節(jié)以及彈簧支吊架，是有效增強(qiáng)管道柔性的主要方法。其中，改變管道走向以及彈簧支吊架的應(yīng)用，能夠滿足大多數(shù)管道的設(shè)計(jì)要求，波紋管膨脹節(jié)的應(yīng)用，主要是針對管道管徑較大的情況。改變管道的走向，主要是在兩固定點(diǎn)的位置確定時(shí)，通過適當(dāng)增加管道的長度來增強(qiáng)管道的柔性。彈簧支吊架的應(yīng)用，主要是通過支吊架的垂直位移來降低管道的剛度，幫助管道在約束放松的同時(shí)，增強(qiáng)自身的柔性。由于波紋管膨脹節(jié)的應(yīng)用需要耗費(fèi)較高的施工建設(shè)成本，再加上會(huì)增加管道應(yīng)用的安全隱患，即使是管徑較大的管道，也要盡量避免采用這種方法。

2.1.3 采用冷緊方法進(jìn)行施工

冷緊方法的應(yīng)用，主要是通過控制管道受到的熱應(yīng)力大小來保證管道的應(yīng)力能夠符合實(shí)際的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，并減小管道在投入運(yùn)行的初始階段能夠?qū)艿赖馁|(zhì)量產(chǎn)生影響的推力和力矩?cái)?shù)值。除此之外，冷緊方法的應(yīng)用還能有效減少因法蘭連接處彎矩過大導(dǎo)致的管道泄漏問題。但需要注意的是，冷緊方法的應(yīng)用無法改變管道的熱脹應(yīng)力范圍，因此需要充分考慮管道的實(shí)際應(yīng)力情況。

2.2 管道應(yīng)力分析的應(yīng)用

2.2.1 管道熱應(yīng)力和柔性調(diào)整

管道柔性是受到管道應(yīng)力而體現(xiàn)出來的一種特征，管道從配管施工完成后，就會(huì)受到來自各方面壓力的影響，在此影響下，管道會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形。這種變形情況主要是受到管道自身在吸收熱膨脹、冷縮以及位移變形等方面能力的影響，會(huì)直接對管道的施工質(zhì)量產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。因此，在對管道進(jìn)行施工時(shí)，無論是設(shè)計(jì)人員還是施工人員，都需要考慮到管道在施工時(shí)可能會(huì)受到的柔性應(yīng)力的影響。對于化工企業(yè)來說，由于在進(jìn)行化工設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)涉及許多不同化學(xué)介質(zhì)的運(yùn)輸，保證管道的質(zhì)量對保證化工生產(chǎn)的安全具有重要的作用。通過管道應(yīng)力分析軟件的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員在管道的設(shè)計(jì)施工中需充分考慮管道的熱應(yīng)力與柔性應(yīng)力，能夠?yàn)榭s短管道長度、保證管道施工質(zhì)量、降低管道施工難度等提供更加科學(xué)的依據(jù)。

2.2.2 管道振動(dòng)的緩解措施

管道振動(dòng)是在管道投入使用后經(jīng)常存在的一種問題。管道振動(dòng)問題的長期存在，不僅會(huì)加劇管道的疲勞程度，還會(huì)導(dǎo)致管道破損、泄漏，影響管道運(yùn)輸安全，威脅外界生態(tài)環(huán)境。這種問題在化工管道運(yùn)輸中產(chǎn)生的破壞性最大。在應(yīng)對管道振動(dòng)的問題時(shí)，主要可以從管道應(yīng)力的角度，通過控制管道在運(yùn)輸中的應(yīng)力情況來減少管道發(fā)生振動(dòng)的次數(shù)并降低頻率。具體來說，在控制管道振動(dòng)時(shí)，首先，選擇抗震性能較強(qiáng)的管道材料，并在管道系統(tǒng)中容易出現(xiàn)管道振動(dòng)的位置安裝緩沖器或孔板，以降低流體的脈動(dòng)強(qiáng)度。其次，基于減小管道振動(dòng)的目的，在對管道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要更加注重管道彎頭處的設(shè)計(jì)。通過適當(dāng)調(diào)整管道彎頭的角度、控制管道彎頭的數(shù)量等來降低管道振動(dòng)發(fā)生的頻率。

2.3 管道應(yīng)力分析軟件的具體應(yīng)用

2.3.1 應(yīng)用范圍

管道應(yīng)力分析軟件的應(yīng)用范圍，以管道在應(yīng)用中受到的靜力和動(dòng)力兩部分內(nèi)容為主。靜力分析的內(nèi)容包括管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力、管道對各種機(jī)器設(shè)備的作用力、支吊架、法蘭的應(yīng)力以及管系的位移大小。動(dòng)力分析的內(nèi)容主要包括管道的自振頻率、強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)、往復(fù)式壓縮機(jī)的氣柱頻率以及壓力脈動(dòng)、管道地震。這些具體的管道應(yīng)力分析能夠?qū)艿涝趹?yīng)用中的防塑性、疲勞損壞程度、運(yùn)行情況、管道泄漏、管道系統(tǒng)共振、氣柱共振、地震應(yīng)力過大等問題進(jìn)行有效控制。以上情況都是能夠?qū)艿赖倪\(yùn)行安全產(chǎn)生影響的重要因素，因此，管道應(yīng)力分析軟件能夠在保障管道的運(yùn)行安全方面發(fā)揮重要作用。

2.3.2 基本流程

在具體應(yīng)用管道應(yīng)力分析軟件時(shí)，首先要依據(jù)管道配管的實(shí)際要求進(jìn)行建模，并在管道模型中，將所有可能會(huì)影響管道應(yīng)力的數(shù)據(jù)信息標(biāo)注出來。在科學(xué)技術(shù)水平不斷提高的背景下，管道應(yīng)力分析軟件的功能也越來越健全?，F(xiàn)階段，在應(yīng)用管道應(yīng)力分析軟件時(shí)，更加簡潔明了的用戶界面能夠大大降低建模的難度，將管道施工中涉及的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息輸入軟件，就可以自動(dòng)建立一個(gè)類似于軸測圖的模型。為了保證模型建立的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，在輸入數(shù)據(jù)時(shí)，不僅要注意管道中實(shí)際應(yīng)用的各種管件的代替數(shù)據(jù)，還要充分應(yīng)用分析軟件自帶的材質(zhì)庫，選擇需要建設(shè)的管道材質(zhì)，在保證管道材質(zhì)符合管道施工標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，保證管道的質(zhì)量。除此之外，由于在整個(gè)建模過程中還會(huì)涉及一些數(shù)據(jù)信息的變化，需要在輸入信息的節(jié)點(diǎn)號之間留有一定的間隔，便于日后插入新的數(shù)據(jù)信息。

管道應(yīng)力分析軟件涉及的邊界條件主要包括約束、位移、支吊架以及管口4種類型。作為管道應(yīng)力分析的主要內(nèi)容之一，管道應(yīng)力分析軟件在設(shè)計(jì)時(shí)也充分考慮到邊界條件。在管道應(yīng)力分析軟件呈現(xiàn)出最終的計(jì)算結(jié)果之后，就要依據(jù)計(jì)算結(jié)果對管道現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)整，以滿足管道的實(shí)際應(yīng)力要求。

3 結(jié)語

管道應(yīng)力分析軟件在化工生產(chǎn)中占據(jù)著重要的位置?，F(xiàn)階段，我國的化工企業(yè)在生產(chǎn)中越來越注重生產(chǎn)安全和效率的提高。管道應(yīng)力分析軟件的應(yīng)用不僅能夠有效彌補(bǔ)化工設(shè)計(jì)中存在的缺陷和不足，減少安全事故的發(fā)生，還能通過提高化工企業(yè)的生產(chǎn)效益來提高企業(yè)的市場競爭力，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1]馮晨辰.管道應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ的簡介與應(yīng)用[J].當(dāng)代化工，2019（5）：1039-1041，1064.

[2]王偉，張守杰，楊彬.管道應(yīng)力分析軟件PepS與CAESARⅡ的應(yīng)用對比[J].化工設(shè)備與管道，2019（2）：78-84.