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化工設計中的管道應力分析
發(fā)布時(shí)間：
2025-05-14 09:42
1 化工設計中常見(jiàn)的應力類(lèi)型分析
對于管道來(lái)說(shuō)，通常其處在內壓和持續外載以及冷縮的條件下，相應的最大應力往往會(huì )超出材料的屈服限度，加之高溫管道出現的應力松弛，相應的管系的應力狀態(tài)也會(huì )出現極大的變化。針對不同種類(lèi)的應力，應做出與之相對應的處理，這樣所達到的限定效果才會(huì )更為理想。通常情況下，管道的應力主要分為一次應力、二次應力和峰值應力等三類(lèi)。
1.1 一次應力
所謂一次應力，主要是因外加荷載等形成的應力，例如壓力和重力等。具體來(lái)看，其并不能自我限制，且會(huì )隨著(zhù)荷載的增加而增加，在超過(guò)材料的極限時(shí)，管道即會(huì )出現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力，相應的處理可根據其具體的特征進(jìn)行。
1.2 二次應力
所謂二次應力，主要是因熱脹冷縮等因現實(shí)存在的約束形成的應力。因其有著(zhù)一定的自限性，因此并不與外力平衡，即便受到超過(guò)極限的荷載，也能在一段時(shí)間后使應力降低，相應的材料之前發(fā)生的形變也能恢復原樣。
1.3 峰值應力
此類(lèi)應力主要是在管道或附件局部結構不連續或是局部熱應力效應的條件下形成。具體來(lái)看，其的變形并不突出，但卻會(huì )在短期內出現根源性的衰減，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力也屬于這樣的情況。
2 管道應力分析要求
對于管道相關(guān)的處理來(lái)說(shuō)，不是所有的管道都應進(jìn)行精細的應力分析。由于管道都有著(zhù)較為突出的柔性特征，因此無(wú)須進(jìn)行精細的應力分析和計算，通常進(jìn)行簡(jiǎn)化處理即可。而只有以下的一些情況，需要落實(shí)好相應的應力分析:
（1）汽輪機進(jìn)出口的連接管道以及離心式壓力機進(jìn)出口的連接管道等，這些管道有著(zhù)特定的需求，且在應力上有著(zhù)一定的要求，因此應重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)的分析;
（2）泵進(jìn)出口的連接管道應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 ℃的情況都應進(jìn)行精細的分析;
（3）那些與爐子連接的管道，如果其公稱(chēng)直徑等于或大于150 mm，而相應的溫度處在等于或高于230℃的條件下，就應展開(kāi)應力方面的分析; 同時(shí)在化工設計階段中考慮到管道應力的存在需求，應綜合性的分析管道的實(shí)際長(cháng)度以及管道的承載能力，并且在應用的時(shí)候要考慮到管道應力的存在范圍，從而在實(shí)踐階段中能夠按照應力的需求將針對性的設計方案構建出來(lái)。
（4）對于與空冷器連接的管道，如果其公稱(chēng)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)，相應的也應進(jìn)行應力分析;
（5）如果是一般類(lèi)型的管道，存在以下情況其中一種的就應進(jìn)行應力分析:
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(chēng)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℃以下也應進(jìn)行應力分析;
④ 所有的襯里管道;
⑤ 技術(shù)要求應重點(diǎn)處理的管道或內部絕熱的管道。
3 管道應力分析的主要內容
對于管道的應力分析來(lái)說(shuō)，主要涉及靜力和動(dòng)力兩種。需要注意的是，一個(gè)管系對動(dòng)態(tài)荷載和對同等大小靜態(tài)荷載的響應并不相同。由于靜態(tài)荷載是緩慢地累積增加，管道系統內部能夠做出一定的反應和調整。而動(dòng)態(tài)荷載則會(huì )在短期內出現巨大的變化，這樣管系就很難及時(shí)地做出調整，而荷載不平衡的情況就會(huì )隨之出現。對于靜力分析來(lái)說(shuō)，應重點(diǎn)關(guān)注以下內容:
（1）對壓力荷載和持續荷載條件下的一次應力進(jìn)行計
算分析，其應力值沒(méi)有超過(guò)管材應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
次應力實(shí)施計算，操作時(shí)應防范疲勞破壞的不良情況。這方面處理的過(guò)程中，應重點(diǎn)關(guān)注熱脹許用應力，通常其的范圍應以如下公式所得到的結果為準:
σA= f(1.25σC+ 0.25σh)
式中L:σA-熱脹許用應力范圍;
σC,σh-等代表的是熱態(tài)和冷態(tài)管材的許用應力;
f-代表的是工作年限內管道應力降低的系數。
通常情況下，如果一次應力小于許用應力值，那么剩余部分一般可加到上式中的0.25σh項內，這樣的處理對于整體性的設計更為合理，在應力方面也會(huì )更為均衡。
（3）對于管道對設備作用力的計算來(lái)說(shuō)，應謹防作用力較大的情況，以切實(shí)地保障設備的正常運行。需要注意的是，設備的管嘴應力應控制在出廠(chǎng)的既定標準內，離心泵和加熱爐等也應符合國家相關(guān)的技術(shù)標準，相應的計算也應符合行業(yè)的相關(guān)要求。
（4）對管道支吊架實(shí)施計算，以為后續相關(guān)的設計提供有利的條件。
（5）對管道上的法蘭受力進(jìn)行計算，以確保這方面處理的規范嚴謹。通常來(lái)看，管道上的法蘭應力應保持在70 MPa以下。精確地來(lái)講，法蘭的外力和力矩可作為當量壓力分析的基礎，通過(guò)其與管道設計壓力相加，即可得到法蘭的設計壓力。所涉及動(dòng)力分析，一般包括以下幾個(gè)方面的內容:
①管道自振頻率的分析，以防管道系統出現不良的共振。
②管道強迫振動(dòng)的響應分析，通過(guò)管道振動(dòng)和應力的
控制具體落實(shí)。
③ 對往復式壓縮機的氣柱頻率實(shí)施分析，切勿出現氣柱共振的不良情況。
④ 對往復式壓縮機的壓力脈動(dòng)實(shí)施分析，以為相關(guān)處理的穩定與高效提供切實(shí)的保障。
4 改善管系受力狀況方式分析
配管方面的設計應符合既定的技術(shù)操作的標準，且應保證設備和機泵以及管道等受力的穩定，以為其穩定安全地運行提供基礎的保障。鑒于以上的基本情況，具體設計和施工的過(guò)程中，應重點(diǎn)關(guān)注以下問(wèn)題。
4.1 合理地選用和設置管道支吊架
這方面的處理對一次應力和二次應力以及管系振動(dòng)等都有著(zhù)顯著(zhù)的功效，因此應重點(diǎn)關(guān)注。具體設置的過(guò)程中，應確保管道符合最大跨度的要求，支架應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。此外在設計的過(guò)程中，考慮到管道應力的要求還可以在設備管嘴位置安裝承重支架，從而能夠切實(shí)的消除管嘴的應力。通道對于二次應力來(lái)說(shuō)，它的引起原因主要是在關(guān)系變形收到阻礙以后形成的。所以在設計上要考慮到二次應力的范圍，正確的選擇支架，使其能夠滿(mǎn)足關(guān)系應力變形的需求。同時(shí)在設計時(shí)按照實(shí)際需求，對管系的位移方向進(jìn)行預測，然后選擇特定的方式對管道進(jìn)行限位。比如，針對一些具備強烈振動(dòng)的管系，則要選擇獨立支架進(jìn)行支撐，并且做好固定隔離，如此才能將振動(dòng)力抵消。另外在相關(guān)參數選擇的時(shí)候，還需要按照受力點(diǎn)做好相關(guān)受力特征的分析，例如在管道轉角位置處，由于此類(lèi)的沖擊壓力是比較大的，因此還可以采用比較堅硬的固體在轉角位置進(jìn)行加固，減少壓力過(guò)大而出現的各種問(wèn)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(lái)說(shuō)其的作用比較突出。一般可通過(guò)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償能力。
這樣的處理更為便捷且運行穩定，同時(shí)成本方面更易接受。
（2）選用補償器。此類(lèi)儀器的補償性較為突出，且制造比較簡(jiǎn)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力的受力點(diǎn)及受力特征，在具體設計上除開(kāi)采用相應的支架之外，還需要對管道的材料規格進(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(guò)程中應通過(guò)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。
在化工設計過(guò)程針對管道應力的確定一定要滿(mǎn)足相關(guān)的規定要求。在計算管道壓力時(shí)需要綜合分析工況危險因素，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；分析管道應力時(shí)，一般按照需求合理的軟件綜合性測定管道應力的動(dòng)力特征、靜力等方面特征，并且以《壓力管道規范》相關(guān)標準作為基礎進(jìn)行設計。最后在設計環(huán)節中為了減少管道受到應力震落出現管道破損等情況，還要對管道的厚度及承壓計算，保證各方面的參數值均符合規范要求。
5 結 語(yǔ)
綜合以上論述，在化工設計當中作為一個(gè)負載的過(guò)程管道應力的設計需要通過(guò)精確性的參數計算才能滿(mǎn)足實(shí)際需求。所以在管道應力分析時(shí)，需要借助科學(xué)的設計軟件對管道應力參數設計，并且在設計時(shí)要從分考慮管道靜力機動(dòng)力性能，從而在掌握限定值的基礎上，減少應力過(guò)大出現的各種安全事故。在本文研究中，對管道應力設計的思路進(jìn)行了探討，提出了相關(guān)的設計措施，目的在于提升化工企業(yè)的發(fā)展水平。
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