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化工設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力分析

發(fā)布時(shí)間：

2025-05-14 09:42

1  化工設(shè)計(jì)中常見的應(yīng)力類型分析

對于管道來說，通常其處在內(nèi)壓和持續(xù)外載以及冷縮的條件下，相應(yīng)的最大應(yīng)力往往會超出材料的屈服限度，加之高溫管道出現(xiàn)的應(yīng)力松弛，相應(yīng)的管系的應(yīng)力狀態(tài)也會出現(xiàn)極大的變化。針對不同種類的應(yīng)力，應(yīng)做出與之相對應(yīng)的處理，這樣所達(dá)到的限定效果才會更為理想。通常情況下，管道的應(yīng)力主要分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力等三類。 

 

1.1  一次應(yīng)力 

所謂一次應(yīng)力，主要是因外加荷載等形成的應(yīng)力，例如壓力和重力等。具體來看，其并不能自我限制，且會隨著荷載的增加而增加，在超過材料的極限時(shí)，管道即會出現(xiàn)塑性變形甚至是破壞的情況。另外，管道所受到的風(fēng)載荷以及地震載荷同樣屬于一次應(yīng)力，相應(yīng)的處理可根據(jù)其具體的特征進(jìn)行。 

 

1.2  二次應(yīng)力 

所謂二次應(yīng)力，主要是因熱脹冷縮等因現(xiàn)實(shí)存在的約束形成的應(yīng)力。因其有著一定的自限性，因此并不與外力平衡，即便受到超過極限的荷載，也能在一段時(shí)間后使應(yīng)力降低，相應(yīng)的材料之前發(fā)生的形變也能恢復(fù)原樣。

 

 1.3  峰值應(yīng)力 

此類應(yīng)力主要是在管道或附件局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或是局部熱應(yīng)力效應(yīng)的條件下形成。具體來看，其的變形并不突出，但卻會在短期內(nèi)出現(xiàn)根源性的衰減，疲勞裂紋或是脆性破壞多與其有關(guān)。另外，管道附件上小半徑圓角以及焊縫不佳所形成的應(yīng)力也屬于這樣的情況。 

 

 

2  管道應(yīng)力分析要求

對于管道相關(guān)的處理來說，不是所有的管道都應(yīng)進(jìn)行精細(xì)的應(yīng)力分析。由于管道都有著較為突出的柔性特征，因此無須進(jìn)行精細(xì)的應(yīng)力分析和計(jì)算，通常進(jìn)行簡化處理即可。而只有以下的一些情況，需要落實(shí)好相應(yīng)的應(yīng)力分析: 

（1）汽輪機(jī)進(jìn)出口的連接管道以及離心式壓力機(jī)進(jìn)出口的連接管道等，這些管道有著特定的需求，且在應(yīng)力上有著一定的要求，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)的分析; 

（2）泵進(jìn)出口的連接管道應(yīng)注意直徑或是溫度方面的具體情況，直徑較小或是溫度高于230℃或低于- 20 ℃的情況都應(yīng)進(jìn)行精細(xì)的分析; 

（3）那些與爐子連接的管道，如果其公稱直徑等于或大于150 mm，而相應(yīng)的溫度處在等于或高于230℃的條件下，就應(yīng)展開應(yīng)力方面的分析; 同時(shí)在化工設(shè)計(jì)階段中考慮到管道應(yīng)力的存在需求，應(yīng)綜合性的分析管道的實(shí)際長度以及管道的承載能力，并且在應(yīng)用的時(shí)候要考慮到管道應(yīng)力的存在范圍，從而在實(shí)踐階段中能夠按照應(yīng)力的需求將針對性的設(shè)計(jì)方案構(gòu)建出來。 

（4）對于與空冷器連接的管道，如果其公稱直徑等于或大于150 mm,而溫度則處在等于或高于120℃的條件時(shí)，相應(yīng)的也應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析; 

（5）如果是一般類型的管道，存在以下情況其中一種的就應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析: 

① 溫度處在大于或等于340℃的管道;

② 冷箱或存在冷裝置的管道;

③ 公稱直徑等于或大于150 mm且溫度處在大于或等

于230℃的條件時(shí)，極低的溫度一般處在- 20℃以下也應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析; 

④ 所有的襯里管道;

⑤ 技術(shù)要求應(yīng)重點(diǎn)處理的管道或內(nèi)部絕熱的管道。

 

 

3  管道應(yīng)力分析的主要內(nèi)容

對于管道的應(yīng)力分析來說，主要涉及靜力和動力兩種。需要注意的是，一個(gè)管系對動態(tài)荷載和對同等大小靜態(tài)荷載的響應(yīng)并不相同。由于靜態(tài)荷載是緩慢地累積增加，管道系統(tǒng)內(nèi)部能夠做出一定的反應(yīng)和調(diào)整。而動態(tài)荷載則會在短期內(nèi)出現(xiàn)巨大的變化，這樣管系就很難及時(shí)地做出調(diào)整，而荷載不平衡的情況就會隨之出現(xiàn)。對于靜力分析來說，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容: 

（1）對壓力荷載和持續(xù)荷載條件下的一次應(yīng)力進(jìn)行計(jì)

算分析，其應(yīng)力值沒有超過管材應(yīng)力限制的即代表合格。 

（2）對管道熱脹冷縮和端點(diǎn)附近位移載荷條件下的

次應(yīng)力實(shí)施計(jì)算，操作時(shí)應(yīng)防范疲勞破壞的不良情況。這方面處理的過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注熱脹許用應(yīng)力，通常其的范圍應(yīng)以如下公式所得到的結(jié)果為準(zhǔn): 

σA= f(1.25σC+ 0.25σh)

 式中L:σA-熱脹許用應(yīng)力范圍;

σC,σh-等代表的是熱態(tài)和冷態(tài)管材的許用應(yīng)力; 

f-代表的是工作年限內(nèi)管道應(yīng)力降低的系數(shù)。

通常情況下，如果一次應(yīng)力小于許用應(yīng)力值，那么剩余部分一般可加到上式中的0.25σh項(xiàng)內(nèi)，這樣的處理對于整體性的設(shè)計(jì)更為合理，在應(yīng)力方面也會更為均衡。 

（3）對于管道對設(shè)備作用力的計(jì)算來說，應(yīng)謹(jǐn)防作用力較大的情況，以切實(shí)地保障設(shè)備的正常運(yùn)行。需要注意的是，設(shè)備的管嘴應(yīng)力應(yīng)控制在出廠的既定標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，離心泵和加熱爐等也應(yīng)符合國家相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的計(jì)算也應(yīng)符合行業(yè)的相關(guān)要求。 

（4）對管道支吊架實(shí)施計(jì)算，以為后續(xù)相關(guān)的設(shè)計(jì)提供有利的條件。 

（5）對管道上的法蘭受力進(jìn)行計(jì)算，以確保這方面處理的規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)。通常來看，管道上的法蘭應(yīng)力應(yīng)保持在70 MPa以下。精確地來講，法蘭的外力和力矩可作為當(dāng)量壓力分析的基礎(chǔ)，通過其與管道設(shè)計(jì)壓力相加，即可得到法蘭的設(shè)計(jì)壓力。所涉及動力分析，一般包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容: 

①管道自振頻率的分析，以防管道系統(tǒng)出現(xiàn)不良的共振。

②管道強(qiáng)迫振動的響應(yīng)分析，通過管道振動和應(yīng)力的

控制具體落實(shí)。 

③ 對往復(fù)式壓縮機(jī)的氣柱頻率實(shí)施分析，切勿出現(xiàn)氣柱共振的不良情況。 

④ 對往復(fù)式壓縮機(jī)的壓力脈動實(shí)施分析，以為相關(guān)處理的穩(wěn)定與高效提供切實(shí)的保障。

 

 

4  改善管系受力狀況方式分析

配管方面的設(shè)計(jì)應(yīng)符合既定的技術(shù)操作的標(biāo)準(zhǔn)，且應(yīng)保證設(shè)備和機(jī)泵以及管道等受力的穩(wěn)定，以為其穩(wěn)定安全地運(yùn)行提供基礎(chǔ)的保障。鑒于以上的基本情況，具體設(shè)計(jì)和施工的過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下問題。 

 

4.1  合理地選用和設(shè)置管道支吊架 

這方面的處理對一次應(yīng)力和二次應(yīng)力以及管系振動等都有著顯著的功效，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。具體設(shè)置的過程中，應(yīng)確保管道符合最大跨度的要求，支架應(yīng)布置在靠近荷載的部分，這樣即能有效地減少偏心荷載等不良的情況。此外在設(shè)計(jì)的過程中，考慮到管道應(yīng)力的要求還可以在設(shè)備管嘴位置安裝承重支架，從而能夠切實(shí)的消除管嘴的應(yīng)力。通道對于二次應(yīng)力來說，它的引起原因主要是在關(guān)系變形收到阻礙以后形成的。所以在設(shè)計(jì)上要考慮到二次應(yīng)力的范圍，正確的選擇支架，使其能夠滿足關(guān)系應(yīng)力變形的需求。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)按照實(shí)際需求，對管系的位移方向進(jìn)行預(yù)測，然后選擇特定的方式對管道進(jìn)行限位。比如，針對一些具備強(qiáng)烈振動的管系，則要選擇獨(dú)立支架進(jìn)行支撐，并且做好固定隔離，如此才能將振動力抵消。另外在相關(guān)參數(shù)選擇的時(shí)候，還需要按照受力點(diǎn)做好相關(guān)受力特征的分析，例如在管道轉(zhuǎn)角位置處，由于此類的沖擊壓力是比較大的，因此還可以采用比較堅(jiān)硬的固體在轉(zhuǎn)角位置進(jìn)行加固，減少壓力過大而出現(xiàn)的各種問題 。 

 

4.2  增加管道柔性 

管道柔性對管道變形的影響較大，相對來說其的作用比較突出。一般可通過以下方式增加管道的柔性: 

（1）改變管道的走向，以提升管道的自然補(bǔ)償能力。

這樣的處理更為便捷且運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)成本方面更易接受。 

（2）選用補(bǔ)償器。此類儀器的補(bǔ)償性較為突出，且制造比較簡便，但成本較高。 

（3）選用彈簧支吊架。在增加管道柔性的同時(shí)，還需要考慮到管道應(yīng)力的受力點(diǎn)及受力特征，在具體設(shè)計(jì)上除開采用相應(yīng)的支架之外，還需要對管道的材料規(guī)格進(jìn)行合理處理，確保管道自身的引力能夠從根本上消除。 

 

4.3 施工時(shí)采用冷緊方法 

具體操作的過程中應(yīng)通過冷緊法進(jìn)行，以降低初期管道對端點(diǎn)的推力和力矩。另外，這樣的處理在防止法蘭連接彎矩較大等產(chǎn)生的不良情況也極為有效。

 

在化工設(shè)計(jì)過程針對管道應(yīng)力的確定一定要滿足相關(guān)的規(guī)定要求。在計(jì)算管道壓力時(shí)需要綜合分析工況危險(xiǎn)因素，即是對管道的壓力惡劣環(huán)境之下產(chǎn)生的變化，同時(shí)還要對管道的溫度、壓力之間存在的相互關(guān)系進(jìn)行全面的分析；分析管道應(yīng)力時(shí)，一般按照需求合理的軟件綜合性測定管道應(yīng)力的動力特征、靜力等方面特征，并且以《壓力管道規(guī)范》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中為了減少管道受到應(yīng)力震落出現(xiàn)管道破損等情況，還要對管道的厚度及承壓計(jì)算，保證各方面的參數(shù)值均符合規(guī)范要求。

 

5  結(jié)  語

綜合以上論述，在化工設(shè)計(jì)當(dāng)中作為一個(gè)負(fù)載的過程管道應(yīng)力的設(shè)計(jì)需要通過精確性的參數(shù)計(jì)算才能滿足實(shí)際需求。所以在管道應(yīng)力分析時(shí)，需要借助科學(xué)的設(shè)計(jì)軟件對管道應(yīng)力參數(shù)設(shè)計(jì)，并且在設(shè)計(jì)時(shí)要從分考慮管道靜力機(jī)動力性能，從而在掌握限定值的基礎(chǔ)上，減少應(yīng)力過大出現(xiàn)的各種安全事故。在本文研究中，對管道應(yīng)力設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行了探討，提出了相關(guān)的設(shè)計(jì)措施，目的在于提升化工企業(yè)的發(fā)展水平。 

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