王先建（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330000）

工業(yè)管道應(yīng)力分析概述

王先建（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330000）

為了能夠?qū)I(yè)管道設(shè)計中的應(yīng)力分析進行較好的研究，本文就工業(yè)管道的應(yīng)力分類、應(yīng)力分析的主要目的和內(nèi)容、應(yīng)力分析方法及分析流程等方面進行了論述，并結(jié)合具體的實例進行了分析。

管道應(yīng)力；管道柔性；應(yīng)力計算

1 前言

工業(yè)管道設(shè)計主要包括裝置設(shè)備的布置、管道布置、管道材料設(shè)計和管道應(yīng)力分析四項工作，其中工業(yè)管道應(yīng)力分析是工業(yè)管道設(shè)計安全、經(jīng)濟和合理的保障和重要方式。

當(dāng)管道在外力作用下不能產(chǎn)生位移時，管道的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變稱之為應(yīng)變。管道變形的基本形式可分為拉伸（壓縮）、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲四種，受多種荷載作用的管道變形都可視為這四種基本變形的組合。管道的基本變形形式是解決復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)問題的基礎(chǔ)。本文主要針對工業(yè)管道應(yīng)力分析作簡要說明。

2 應(yīng)力概念及特點

管道及其元件能夠承受的最大荷載除與材料本身的物理性能（如材料的剛度和強度）有關(guān)外，還與其規(guī)格尺寸、壁厚、結(jié)構(gòu)形狀、空間布置等有關(guān)。管道及其元件的破壞實質(zhì)上反映了材料物理性能的破壞，即受力超出了材料性能指標(biāo)。將管道元件的受力與材料物理性能指標(biāo)掛鉤，消除管道元件的規(guī)格尺寸、壁厚、結(jié)構(gòu)形狀等因素的影響而直接以材料的性能指標(biāo)作為設(shè)計判據(jù)。

應(yīng)力一般隨外力的增加而增長，但對任一管道材料，當(dāng)應(yīng)力超過管道材料能承受的限度時，材料就會破壞，此時這個極限稱為該材料的極限應(yīng)力。極限應(yīng)力通過材料的力學(xué)實驗來測定。將測定的極限應(yīng)力作適當(dāng)?shù)慕档停?guī)定出材料能安全工作的應(yīng)力最大值，這就是許用應(yīng)力。材料若要安全使用，則在使用時其內(nèi)應(yīng)力應(yīng)低于其極限應(yīng)力，否則在使用時材料會發(fā)生破壞。

材料在工作時，其內(nèi)部的應(yīng)力可分為靜應(yīng)力、交變應(yīng)力和應(yīng)力集中三種。材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞破壞，材料所能承受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)低于其靜載下的強度極限。另外，材料由于截面形狀的改變而引起應(yīng)力局部增大，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。對于組織均勻的脆性材料，應(yīng)力集中將大大降低構(gòu)件的強度，設(shè)計時應(yīng)特別注意。

3 管道應(yīng)力分類

管道在壓力荷載、機械荷載及熱負(fù)荷等作用下，在整個管道或某些局部區(qū)域產(chǎn)生不同性質(zhì)的應(yīng)力。

3.1 按應(yīng)力方向

按管道應(yīng)力方向分為：環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力、剪切應(yīng)力。

3.1.1 管道環(huán)向應(yīng)力

管道環(huán)向應(yīng)力又稱為切向應(yīng)力、周向應(yīng)力，簡寫為SP。管道環(huán)向應(yīng)力是由管道內(nèi)壓或外壓產(chǎn)生的。

3.1.2 管道軸向應(yīng)力

管道軸向應(yīng)力又稱為縱向應(yīng)力，簡寫SL。管道軸向應(yīng)力主要包括：內(nèi)壓或外壓所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力、活動支架的摩擦力所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力、管道自重和熱膨脹所產(chǎn)生的力和力矩作用在管道上的軸向應(yīng)力以及其他力和力矩作用在管道上的軸向應(yīng)力。

現(xiàn)重點討論管道運行和安裝時因溫度不同而產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。常溫下安裝的管道，當(dāng)運行時，管道內(nèi)溫度與環(huán)境溫度不一致時，管道會發(fā)生熱脹冷縮。根據(jù)胡克定律，當(dāng)構(gòu)件橫截面上的正應(yīng)力未超過材料屈服極限時，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即SL=E×ε，其中E為材料的彈性模量，表示材料抵抗變形的能力，E越大則抵抗變形的能力越強。ε為管道軸向長度相對變化率，即ε=，其中△L為管道因運行時與環(huán)境的溫差引起的膨脹量，△L=α·△t·L，其中α為管材的線膨脹系數(shù)。

經(jīng)上述推導(dǎo)后，因溫度引起的軸向應(yīng)力計算公式為：SL= E·α·△t。

3.1.3 管道徑向應(yīng)力

管道徑向應(yīng)力簡寫為Sr，是由管道的內(nèi)壓或者外壓產(chǎn)生，當(dāng)管道承受內(nèi)壓時，內(nèi)壁的徑向應(yīng)力最大，外壁的徑向應(yīng)力為零。與管道環(huán)向或軸向應(yīng)力相比，管道的徑向應(yīng)力較小，可忽略不計，但管道外徑與內(nèi)徑的比值大于1.1的高壓管道除外。

3.1.4 管道剪切應(yīng)力

管道剪切應(yīng)力，簡寫為τ，主要由管系的熱脹、自重作用于管道的扭矩和剪力所產(chǎn)生。

3.2 按應(yīng)力對管道的破壞作用

按應(yīng)力對管道的破壞作用，將應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力。

3.2.1 一次應(yīng)力

一次應(yīng)力是指外加荷載，如壓力、重力等作用產(chǎn)生的力。一次應(yīng)力隨外加荷載的增加而增加，且無自限性，當(dāng)其值超過材料的屈服極限時，管道將產(chǎn)生塑性變形而破壞。因此在管系的應(yīng)力分析中首先應(yīng)使一次應(yīng)力滿足許用應(yīng)力值。

3.2.2 二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是指由于管道變形受到約束而產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它本身不直接與外力相平衡，二次應(yīng)力主要特征有：

（1）管道內(nèi)的二次應(yīng)力通常是由位移荷載引起的，如熱膨脹、附加位移、安裝誤差、振動荷載。

（2）二次應(yīng)力有自限性，當(dāng)局部屈服和產(chǎn)生少量塑性變形時，能通過變形協(xié)調(diào)使應(yīng)力降下來。

（3）二次應(yīng)力是周期性的（除去安裝引起的二次應(yīng)力）。

（4）二次應(yīng)力的許用極限是基于周期性和疲勞斷裂模式，不取決于一個時期的應(yīng)力水平，而是取決于交變的應(yīng)力范圍和交變的循環(huán)次數(shù)。

3.2.3 峰值應(yīng)力

峰值應(yīng)力是由于荷載、結(jié)構(gòu)形狀的局部突變而引起的局部應(yīng)力集中的應(yīng)力最高值。峰值應(yīng)力的特征是整個結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何顯著的變形，它是疲勞破壞和脆性斷裂的可能根源，如管道中的轉(zhuǎn)彎半徑處、焊縫咬邊處等處的應(yīng)力。對峰值應(yīng)力的評定，在工程上一般采用應(yīng)力集中系數(shù)進行簡化求解。

4 工業(yè)管道應(yīng)力分析的主要目的和內(nèi)容

4.1 工業(yè)管道應(yīng)力分析主要目的

管道應(yīng)力分析主要解決管道的強度、剛度、振動等問題，為管道的布置、安裝提供科學(xué)依據(jù)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

4.1.1 保證裝置運行的安全性

管道布置不合理，將會使整個裝置運行存在隱患，如管道因熱應(yīng)力而導(dǎo)致管架被推倒、設(shè)備管口撕裂或頂壞、彎頭和三通等焊縫處裂縫、法蘭泄露等；若管道或管系的固有頻率與振源頻率相同則還會產(chǎn)生共振。這些現(xiàn)象都屬于應(yīng)力分析范疇，通過對管道或管系進行應(yīng)力分析，可保證其具有較好的柔性，避免共振產(chǎn)生，保證裝置穩(wěn)定安全運行。

4.1.2 保證管道系統(tǒng)設(shè)計安全的要求

管道安全性能的總體要求包括耐壓強度、密封性和耐腐蝕性。

4.1.3 保證管道的柔性

管道的柔性反映管道變形難易程度。在操作工況下，因熱脹冷縮、端點附加位移、支承位置設(shè)置不當(dāng)?shù)仍蚨构艿喇a(chǎn)生應(yīng)力過大、變形、泄露或破壞，影響管道的正常運行。管道的柔性指管道通過自身變形吸收因溫度變化引起的位移，降低管道的應(yīng)力，保證管道上的應(yīng)力在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

4.1.4 減少工程投資

通過應(yīng)力分析可合理的布置管架，準(zhǔn)確計算管架的個數(shù)及承重，從而減少不必要的土建投資。另外通過應(yīng)力分析可獲得彈簧、管件、補償器等元件的準(zhǔn)確設(shè)計參數(shù)，從而使投資更加合理化。

4.2 工業(yè)管道應(yīng)力分析主要內(nèi)容

管道應(yīng)力分析最主要內(nèi)容就是對工業(yè)管道進行載荷、應(yīng)力、變形等各類力學(xué)分析，并以此最大程度上避免工業(yè)管道出現(xiàn)變形、位移以及破壞等問題，管道應(yīng)力分析分為靜力分析與動力分析兩類［3］。

4.2.1 靜力分析

靜力分析指在靜力荷載的作用下對管道進行力學(xué)分析，并進行相應(yīng)的安全評定，使之滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，見表1。

表1 靜力分析內(nèi)容

4.2.2 動力分析

動力分析指往復(fù)壓縮機和往復(fù)泵管道的振動分析、地震分析、水錘和沖擊荷載下管道的振動分析，其目的是使地震和振動的影響得到有效控制，見表2。

表2 動力分析內(nèi)容

5 管道柔性計算的范圍和方法規(guī)定

管道是否需要進行詳細(xì)的應(yīng)力分析，一般與管徑、溫度和所連接的設(shè)備有關(guān)，不同國家、不同行業(yè)、不同公司、不同工程經(jīng)?；ハ鄥⒖己徒梃b。實際設(shè)計中，并非所有的管道都需進行詳細(xì)的應(yīng)力計算，也并非所有的計算都必須通過計算軟件進行。

一般管道應(yīng)力分析方法有：目測法、簡單計算法、計算軟件分析法。

5.1 目測法

目測法適用范圍：

（1）與運行良好的管道柔性相同或沒有重要變動的管道（2）和已分析的管道比較，確認(rèn)有足夠柔性的管道

（3）分析人員具有一定的相關(guān)經(jīng)驗。

5.2 簡單計算法

簡單計算法適用于具有同一直徑、同一壁厚、無支管、兩端固定、無中間約束的非劇毒或非高度危害的介質(zhì)管道。

其柔性計算經(jīng)驗公式為：

式中：D0為管道的外徑，L為管道的伸展長度，U為管道兩端的連線長度，δ為管道總熱位移量，

由于上述公式為簡化計算，有其局限性，不適用于下列管道：

（1）在劇烈循環(huán)條件下運行、有疲勞危險的管道；

（2）大直徑薄壁管道（管件應(yīng)力增強系數(shù)i≥5）；

（3）與端點連線不在同一個方向的端點附加位移量占總位移量大部分的管道；

（4）L/U＞2.5的不等腿U型彎管道，或近似直線的鋸齒狀管道。

管道的柔性計算方法除上式外，還有Grinnell法、Tube Turns法、M.W.KelloggCo.法等。這些方法一般是利用數(shù)據(jù)表或線圖來計算兩端固定的簡單管道柔性，包括作用力和應(yīng)力范圍，其計算結(jié)果有一些差異。

5.3 計算軟件分析法

當(dāng)目測法和簡單計算法都不能判定管道的柔性，或者規(guī)范要求必須進行詳細(xì)應(yīng)力分析的管道，則需采用計算軟件來進行詳細(xì)的應(yīng)力分析。

目前適用較多的管道應(yīng)力分析軟件有：CaesarⅡ、Atuo Pipe、Triflex等。其中CARSARⅡ適用較為普遍，該程序是進行管道靜力分析和動力分析的專用程序，功能比較齊全，可考慮管道的非線性約束，如管道與支架之間的摩擦力、限位支架的間隙等，通過計算可得出設(shè)備管口受力、管架受力、管道的一二次應(yīng)力、法蘭受力、彈簧規(guī)格、各節(jié)點位移和管道振動頻率等。

6 應(yīng)力分析流程

對于需要進行詳細(xì)應(yīng)力分析的管道，需要利用應(yīng)力計算程序進行分析，使用計算機軟件3D模型做管道布置設(shè)計的詳細(xì)應(yīng)力分析流程見圖1。

圖1 應(yīng)力分析流程圖

使用應(yīng)力計算軟件分析管道應(yīng)力的流程見圖2。

7 結(jié)論

管道應(yīng)力分析是管道設(shè)計中不可或缺的環(huán)節(jié)，管道應(yīng)力計算為管道布置、安裝提供了科學(xué)依據(jù)，可保證管道及裝置的安全運行，同時也為優(yōu)化管道布置和節(jié)約項目投資提供了思路。

圖2 計算程序流程圖

［1］梁軍.工業(yè)管道設(shè)計中的應(yīng)力分析［J］.山西化工，2005，04：78～80.

［2］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.

［3］王洛春.管道應(yīng)力分析軟件在石化工程設(shè)計中的應(yīng)用［J］.化學(xué)工程與裝備，2009，05：121～122.

［4］袁立方.熱力管道設(shè)計中的應(yīng)力分析［J］.廣西輕工業(yè)，2009，07：57～58.

［5］吳震，德泊亭.工業(yè)管道設(shè)計中管道柔性分析的研究［J］.化工管理，2014，05：120～121.

TQ05

A

2095-2066（2016）30-0253-03

2016-10-11