張致遠(yuǎn)，于 浩，紀(jì)新強(qiáng)，錢明軒

（1.上海齊耀熱能工程有限公司，上海 201108；2.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所，上海 201108）

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，化工裝置規(guī)模越來越大，工藝流程越來越復(fù)雜，對(duì)安全生產(chǎn)的重視程度也越來越高。管道應(yīng)力分析一般針對(duì)高溫高壓，介質(zhì)易燃易爆易腐蝕管線，此類管道如果發(fā)生泄漏或者破壞，將造成不可挽回的財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)污染環(huán)境。管道應(yīng)力分析作為一種力學(xué)分析，是通過計(jì)算得到物體內(nèi)的應(yīng)力分布和數(shù)值。其中既包括管道內(nèi)壓、自重以及其他外在作用下的一次應(yīng)力，也包括在熱膨脹、冷縮以及位移約束時(shí)所產(chǎn)生的二次應(yīng)力。需要根據(jù)管道輸送介質(zhì)類型、管道工作的溫度壓力環(huán)境以及所連接的設(shè)備類型等指標(biāo)綜合選取合理的方法進(jìn)行分析，如目測法、圖表法、公式法以及計(jì)算機(jī)分析法等。通過科學(xué)有效的管道應(yīng)力分析，不僅能夠?qū)艿浪嬖诘陌踩[患進(jìn)行識(shí)別，保證管道應(yīng)力在規(guī)范的許用范圍內(nèi)從而維持管道系統(tǒng)的整體安全，又能夠解決管道機(jī)械振動(dòng)、脈動(dòng)、安全閥排放等振動(dòng)問題，進(jìn)而為管道的優(yōu)化提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析

1.1 管道應(yīng)力分析校驗(yàn)

管道設(shè)計(jì)中既要保證管道有足夠的剛度又要有一定的柔性，因?yàn)楣艿涝诠ぷ鬟^程中由于環(huán)境以及與運(yùn)行工況的不同會(huì)受到不同的作用力，一旦某種作用力超出管道本身所承載的范圍便會(huì)導(dǎo)致管道出現(xiàn)一定程度的破壞或者位移。按照壓力的表現(xiàn)形式，管道應(yīng)力包含一次應(yīng)力、二次應(yīng)力以及峰值應(yīng)力3個(gè)部分，其中一次應(yīng)力是指由重力、壓力或其他外力載荷作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力，一次應(yīng)力具備非自限性，也就是其并不能夠?qū)崿F(xiàn)自我限制[1]。該種應(yīng)力會(huì)隨著外部荷載數(shù)值的增加而增加，一旦應(yīng)力數(shù)值達(dá)到某一承載范圍的臨界值管道便會(huì)發(fā)生塑性變形或者損壞。研究表明，一次應(yīng)力中縱向應(yīng)力為重力、壓力和其他外力產(chǎn)生的持續(xù)荷載總和，該縱向應(yīng)力應(yīng)小于材料在操作工況最高溫度下的許用應(yīng)力，應(yīng)力校核條件如下。

式中：SL為管道自身以及其組件的縱向應(yīng)力；Sh為操作工況下最高溫度管道材料基本許用應(yīng)力。

而二次應(yīng)力指由于熱脹冷縮或者端點(diǎn)位移等位移載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，該種應(yīng)力受環(huán)境影響較大，其本身具備一定的自限性，也就是其可以通過自身張力的衡量與外力產(chǎn)生平衡，即便是發(fā)生塑性變形也會(huì)一段時(shí)間后恢復(fù)。應(yīng)力校核條件如下。

SE≤SA；此時(shí)：SA=f[1.25Sc+0.25Sh]

倘若SL小于Sh，則管道材料本身的基本許用應(yīng)力最高溫度和最低溫度的差值可以加在0.25Sh上，則有：

SE≤SA；此時(shí)：SA=f[1.25(Sc+Sh)-SL]

式中：SE為管道熱脹冷縮位移范圍；SA為管道材料本身的許用位移應(yīng)力范圍；Sc為操作工況下最低溫度管道材料基本許用應(yīng)力。

峰值壓力作為一次應(yīng)力以及二次應(yīng)力的附加應(yīng)力，受管道部件松動(dòng)以及熱力效應(yīng)影響較為明顯，峰值應(yīng)力所產(chǎn)生的塑性變形并不明顯，但會(huì)導(dǎo)致根源性衰減的出現(xiàn)，甚至在不斷地累積下實(shí)現(xiàn)量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)變。

因此在進(jìn)行管道應(yīng)力分析時(shí)首先要完成的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值的確認(rèn)，進(jìn)而以此為基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)模型的建立。管道設(shè)計(jì)應(yīng)力分析過程中通常需要在計(jì)算機(jī)軟件的輔助下完成，常見的管道應(yīng)力分析軟件包含CAESAR Ⅱ、PipePak、PV Elite 以及AutoPIPE 等，以CAESAR Ⅱ?yàn)槔?，該軟件作為一款功能?qiáng)大的管道應(yīng)力分析軟件，采用有限元分析法將形狀復(fù)雜的連續(xù)體劃分為有限個(gè)單元，對(duì)這些單元進(jìn)行深入研究，得到規(guī)律后再將這些單元集合起來，從而能夠完成復(fù)雜管道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析。且該軟件具備靈活的建模功能，可以為多種管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。在完成模型建立后，通過軟件計(jì)算得到應(yīng)力校核結(jié)果，分析各點(diǎn)處載荷以及位移情況，可以對(duì)現(xiàn)有管道設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)以及優(yōu)化，如圖1所示。

圖1 山東某火炬項(xiàng)目CAESAR Ⅱ 管道模型

1.2 管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析內(nèi)容

管道所承受的外加載荷包含動(dòng)態(tài)載荷以及靜態(tài)載荷，不同的載荷對(duì)管道應(yīng)力影響不同，即便是相同的動(dòng)態(tài)載荷和靜態(tài)載荷也會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力對(duì)抗。靜態(tài)載荷是一種累計(jì)，是載荷的緩慢增加，這樣的過程能夠給予管道系統(tǒng)本身足夠的時(shí)間進(jìn)行響應(yīng)，響應(yīng)過程中的管道系統(tǒng)處于一種平衡狀態(tài)，且該種狀態(tài)下的管道系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，所有的力以及力矩也會(huì)被平衡力消除[2]；而動(dòng)態(tài)載荷恰好相反，其在累積的過程中會(huì)迅速地產(chǎn)生變化，對(duì)于管道系統(tǒng)本身并沒有足夠的時(shí)間去進(jìn)行內(nèi)部載荷的分配，也就難以保證管道系統(tǒng)的平衡，所以此時(shí)的管道系統(tǒng)會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，而此時(shí)的力以及力矩?zé)o法被消除。因此管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面的內(nèi)容，分析內(nèi)容以及目的如表1所示。

表1 管道應(yīng)力分析內(nèi)容以及目的

常見的需要軟件分析的管道系統(tǒng)包括各類火炬氣管道（管徑大，壁厚薄，溫度高），蒸汽管道（管徑大，溫度高）。此類型管道承受靜力載荷，往往通過靜力分析對(duì)管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力進(jìn)行校核，同時(shí)得到設(shè)備管口受力條件，反饋設(shè)備專業(yè)進(jìn)行管口校核；有時(shí)還會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)分析，通過計(jì)算使管道振動(dòng)得到有效控制。

2 管道設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

2.1 合理安排管道走向

管道設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮最大限度地減少二次應(yīng)力的產(chǎn)生，同時(shí)也要結(jié)合整個(gè)設(shè)備、機(jī)泵以及其他組件的受力情況進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)其剛度、強(qiáng)度以及振動(dòng)等問題的解決，進(jìn)而為科學(xué)規(guī)劃布置以及安裝提供依據(jù)。對(duì)于管道走向，若未能結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行合理設(shè)置，很可能會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的應(yīng)力問題。其中表現(xiàn)最為突出的就是轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備管道在使用的過程中一旦管道系統(tǒng)的頻率同振源的頻率相同則會(huì)導(dǎo)致共振現(xiàn)象的發(fā)生。這樣一來無論是管道設(shè)備本身，還是與其相連的建筑系統(tǒng)，均會(huì)發(fā)生一定程度的損壞。因此，想要實(shí)現(xiàn)管道設(shè)計(jì)的優(yōu)化，要綜合對(duì)管道的尺寸以及位置分配進(jìn)行考量，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際中多方因素限制完成走向的優(yōu)化。優(yōu)化過程中可以通過計(jì)算機(jī)軟件的輔助，結(jié)合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行走向優(yōu)化完成超標(biāo)應(yīng)力的調(diào)整，以保證調(diào)整后的管道系統(tǒng)所承受的二次應(yīng)力的大小在整個(gè)管道系統(tǒng)規(guī)范應(yīng)力的范圍內(nèi)[3]。設(shè)計(jì)中考慮到實(shí)際生產(chǎn)、制造、安裝等過程中存在誤差，一般以管線二次應(yīng)力低于許用應(yīng)力的70%作為判斷二次應(yīng)力合規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 科學(xué)分配管口載荷

管口是設(shè)備與管道之間的連接部位，整個(gè)管道系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生彎曲振動(dòng)以及徑向振動(dòng)。其中的彎曲振動(dòng)既包括管道本身的彎曲應(yīng)力，又包括管道系統(tǒng)內(nèi)部的流體脈動(dòng)。而徑向振動(dòng)的主要影響因素為管道系統(tǒng)內(nèi)部的流體壓力以及管道系統(tǒng)運(yùn)輸過程中所產(chǎn)生的周期性變化。因此管道彎曲率較大時(shí)，管道系統(tǒng)與設(shè)備連接管口處振動(dòng)較為明顯。一旦管口流通面積發(fā)生變化或者流動(dòng)走向發(fā)生變化，整個(gè)管道所承受的振動(dòng)也會(huì)發(fā)生變化。尤其隨著管道內(nèi)運(yùn)輸流體轉(zhuǎn)向的影響必然會(huì)有強(qiáng)大的激勵(lì)產(chǎn)生，這在管道系統(tǒng)突然啟動(dòng)停機(jī)或者管道系統(tǒng)方向發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)異常明顯，該過程會(huì)在短時(shí)間內(nèi)形成峰值壓力。盡管峰值壓力在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，但其作為一次應(yīng)力以及二次應(yīng)力的附加應(yīng)力，會(huì)在不斷積累下產(chǎn)生不可逆的影響。因此，在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中需綜合對(duì)管口以及轉(zhuǎn)彎處的載荷開展優(yōu)化。優(yōu)化過程中可以通過固定支架或者卡箍等設(shè)備的輔助設(shè)置通過應(yīng)力的抑制來保證滿足整體需求。例如在火炬項(xiàng)目中通常在火炬氣分液罐入口前管道上最靠近入口的支撐點(diǎn)處設(shè)置軸向止推支架，可以有效地減少分液罐入口管口載荷，在保護(hù)設(shè)備的同時(shí)優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)。

2.3 實(shí)現(xiàn)管道柔性設(shè)計(jì)

管道柔性作為一個(gè)物理概念表達(dá)的是管道在自身變形過程中的吸收熱脹、冷縮以及其他位移變形的能力，因此，通過合理的柔性設(shè)計(jì)，能夠保證管道具備一定的柔性，有效防止各種變形的產(chǎn)生。這樣一來管道本身能夠通過自身的變形來吸收其他因素對(duì)管道系統(tǒng)產(chǎn)生影響而發(fā)生的位移[4]。想要實(shí)現(xiàn)管道柔性的增加可采取以下措施。

（1）可以對(duì)管道的走向進(jìn)行合理的改變和布置，因?yàn)檫@樣的過程能夠?qū)崿F(xiàn)管道能力的自然補(bǔ)償。例如將管道走向設(shè)置為L 型或者是π 型。在整個(gè)管道系統(tǒng)中管道長度越長其產(chǎn)生的位移越大。而改變走向的設(shè)計(jì)以管道兩端固定頂點(diǎn)為前提，通過增加管道長度以及彎頭數(shù)量改變管道走向，這樣便能夠保證位移吸收力的提升，避免金屬疲勞或者力矩過大現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（2）可以通過各種自然補(bǔ)償能力的提升，以避免在集中應(yīng)力下迫使管道發(fā)生形變。自然補(bǔ)償能力提升過程中需要通過補(bǔ)償器進(jìn)行輔助。除此之外，也可以通過彈簧支架進(jìn)行補(bǔ)償，彈簧支架在使用的過程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)豎直方向的力，這樣一來，便能夠?qū)χ吸c(diǎn)所產(chǎn)生的豎直位移的約束進(jìn)行有效釋放，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)管道柔性的增加。但值得注意的是，若在管道設(shè)計(jì)的過程中連續(xù)地使用彈簧支架必定會(huì)對(duì)整個(gè)管道的穩(wěn)定性造成影響。

（3）如果管道口徑過大，則可以通過波紋管膨脹節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，該種補(bǔ)償能夠有效地避免較大應(yīng)力作用下管道形變的產(chǎn)生。

2.4 高效增加管道支架

增加管道支架、吊架的目的在于實(shí)現(xiàn)一次應(yīng)力以及二次應(yīng)力的緩解，同時(shí)有效地對(duì)整個(gè)管道體系的塑變進(jìn)行把控，以減輕二次應(yīng)力同系統(tǒng)管網(wǎng)所承受壓力，進(jìn)而保證整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。該過程中首先要保證在管道最大允許跨度需求之下一次應(yīng)力能夠完全通過。這樣一來，即便是有集中的荷載產(chǎn)生也可以通過支架布置，減少偏心荷載以及彎曲應(yīng)力。該過程中可以將支架設(shè)置在距離荷載較近的地方或者是設(shè)備管嘴較近。

對(duì)于整個(gè)管道系統(tǒng)而言，整個(gè)二次應(yīng)力的產(chǎn)生由于管道系統(tǒng)形變受阻而引起，所以經(jīng)過合理計(jì)算在支架或者是吊架的輔助下能夠最大限度地保證管道系統(tǒng)適應(yīng)形變的需求[5]。值得注意的是，整個(gè)支架或者吊架選取的過程中應(yīng)綜合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行考量，否則會(huì)因其難以承擔(dān)管道系統(tǒng)的重力負(fù)荷而進(jìn)一步導(dǎo)致一元應(yīng)力超標(biāo)情況發(fā)生。尤其對(duì)安裝有往復(fù)式壓縮機(jī)的管道系統(tǒng)而言，應(yīng)通過獨(dú)立的支架或者吊架的安裝，以保證其與其他建筑物相分隔，這樣能夠有效地降低管網(wǎng)振動(dòng)。

3 結(jié)束語

管道應(yīng)力分析直接關(guān)系到管道自身與其相連設(shè)備、機(jī)械、土建結(jié)構(gòu)的安全。通過管道靜力分析可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)定，在滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下合理的選擇自然補(bǔ)償類型及長度，支吊架位置及類型。通過管道動(dòng)力分析可以有效控制管道在各類沖擊載荷下的振動(dòng)。該過程中需結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際需求同時(shí)在各類管道應(yīng)力分析軟件的輔助之下可以進(jìn)行科學(xué)合理地計(jì)算，通過分析計(jì)算結(jié)果采取合理的優(yōu)化措施，保證管道裝置的安全運(yùn)行同時(shí)節(jié)省成本。