夏志強(qiáng)

【摘 要】 壓力管道的應(yīng)力影響著壓力管道在安裝后的安全使用，所以進(jìn)行應(yīng)力分析是很有必要的，但壓力管道應(yīng)力分析究竟涉及到哪些內(nèi)容，其應(yīng)力具有哪些特征，都是管道應(yīng)力分析工程師一直要探討的課題，著重探討了壓力管道應(yīng)力分析的內(nèi)容、特點(diǎn)及所遵循的規(guī)范。

【關(guān)鍵詞】 壓力管道；應(yīng)力分析；措施

管道應(yīng)力分析主要解決管道的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)等問題，為管道布置、安裝、配置提供科學(xué)依據(jù)。管道力學(xué)分析是證明管系在承受與每類工況相關(guān)的荷載時(shí)不發(fā)生某種形式失效的主要途徑之一。管道應(yīng)力分析計(jì)算的任務(wù)：驗(yàn)算管道在內(nèi)壓、自重及其他外載作用下所產(chǎn)生的一次應(yīng)力和在熱脹、冷縮及位移受約束時(shí)所產(chǎn)生的二次應(yīng)力，以判明所計(jì)算的管道是否安全、經(jīng)濟(jì)、合理以及管道對設(shè)備的推力和力矩是否在設(shè)備所能承載的安全范圍內(nèi)。管道應(yīng)力分析與計(jì)算是對管道強(qiáng)度與安全性評估的重要依據(jù)。下文以石油化工業(yè)為例，對石油化工生產(chǎn)中可能會(huì)應(yīng)用到的壓力管道可靠性問題進(jìn)行分析。

一、應(yīng)力的分類

管道上產(chǎn)生的應(yīng)力，按其性質(zhì)和對設(shè)備破壞影響的不同，可分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力指管道承受內(nèi)壓和持續(xù)外載（管道自重和因此產(chǎn)生的支吊架反力）產(chǎn)生的應(yīng)力。二次應(yīng)力指管道由于熱脹冷縮和其他位移受約束產(chǎn)生的應(yīng)力，可見熱應(yīng)力屬于二次應(yīng)力。峰值應(yīng)力指管道或附件由于應(yīng)力集中或結(jié)構(gòu)局部不連續(xù)（如三通的內(nèi)轉(zhuǎn)角和焊縫未焊透處）以及由于局部熱應(yīng)力效應(yīng)（管道由于溫度分布不均，產(chǎn)生不同的膨脹而被限制時(shí)）附加到一次或二次應(yīng)力的增加。

二、壓力管道應(yīng)力分析的特征

壓力管道在應(yīng)力分析過程中還不夠嚴(yán)謹(jǐn)，其中還存在著一些缺陷，其主要原因是因?yàn)閴毫艿缿?yīng)力由歷史根源所造成的校核準(zhǔn)則存在不足，但壓力管道應(yīng)力分析有著自身的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）在壓力管道的應(yīng)力分析之中，沒有考慮管道的薄膜應(yīng)力和局部彎曲應(yīng)力，從而導(dǎo)致一次應(yīng)力中沒有對一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力進(jìn)行細(xì)分；在一次應(yīng)力校核準(zhǔn)則中往往忽視了對一次彎曲應(yīng)力和一次局部薄膜應(yīng)力進(jìn)行校核，而只對一次總體薄膜應(yīng)力進(jìn)行了校核。（2）計(jì)算一次應(yīng)力主要是為了避免管道在安裝的時(shí)候承受不住壓力而塌下來。計(jì)算二次應(yīng)力是為了防止管道在發(fā)生熱變形之后是否會(huì)出現(xiàn)問題，通過二次應(yīng)力計(jì)算管道是否發(fā)生偏移、移位，并防止并排管道所產(chǎn)生的相互影響。（3）二次應(yīng)力校核具有著自身的操作方式，最主要是針對其結(jié)構(gòu)的安定性，只需滿足結(jié)構(gòu)安定性條件，就可以避免壓力管道產(chǎn)生低周疲勞。（4）一次應(yīng)力校核主要是校核壓力管道的縱向應(yīng)力，其最主要的特點(diǎn)是不遵循剪應(yīng)力理論，二次應(yīng)力校核雖然遵循的是最大剪應(yīng)力，但其計(jì)算應(yīng)力過程中不會(huì)計(jì)算管道軸向立，只考慮管道彎矩和扭矩的作用。

三、管道應(yīng)力分析的對象與內(nèi)容

石油化工產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用到的壓力管道體系的走向呈三維空間型，基本構(gòu)成是一條或多條管線相互交叉，分析管道應(yīng)力或計(jì)算管道所受應(yīng)力時(shí)，要建立一個(gè)有限元計(jì)算模型，然后再通過現(xiàn)場勘測、計(jì)算等方式獲得數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算。壓力管道應(yīng)力分析中，合理構(gòu)建模型與準(zhǔn)確或缺結(jié)構(gòu)參數(shù)是確保計(jì)算精度的基本前提。壓力管道應(yīng)力分析和計(jì)算內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：1、對管系所受荷載進(jìn)行分類

壓力管道體系在實(shí)際運(yùn)行中所承受的荷載總共有四類：（1）壓力荷載。壓力荷載的確定要結(jié)合管道運(yùn)行實(shí)際進(jìn)行計(jì)算，有的管道可能處在同時(shí)承受幾種壓力，在幾種組合溫度下運(yùn)行，對于這種情況，壓力荷載的計(jì)算一定要選擇最不利的溫度組與壓力組來計(jì)算壓力荷載，也就是說，管道壓力荷載的計(jì)算對象要選擇條件最不好，工況最危險(xiǎn)的一組管道作壓力荷載計(jì)算對象。（2）持續(xù)外載。壓力管道在運(yùn)行中所承受的持續(xù)外載那包括三個(gè)部分，一是壓力管帶的基本荷載，如管道自身重量、管道附件重量等；二是支吊架的反力；三是其他集中或分散作用在壓力管道上的外載力。持續(xù)外載在計(jì)算時(shí)同樣要結(jié)合壓力管道的運(yùn)行實(shí)況，要綜合考慮所有情況，保證將所有有效的持續(xù)外載都計(jì)算到壓力管道所受應(yīng)力中。（3）熱脹和端點(diǎn)的位移應(yīng)力。管道安裝是管道運(yùn)行的前期工作，在管道安裝到管道運(yùn)行這一過渡階段中，管道內(nèi)部的介質(zhì)溫度可能會(huì)發(fā)生變化，從而造成管道隨著介質(zhì)溫度的變化而產(chǎn)生變形；除此之外，與設(shè)備相連接的壓力管道也有可能會(huì)因?yàn)樵O(shè)備運(yùn)作發(fā)熱而發(fā)生溫度變化，最終導(dǎo)致管道端點(diǎn)發(fā)生位移，最終造成壓力管道變形。（4）偶然性荷載。偶然性荷載主要指自然因素對管道所產(chǎn)生的荷載影響。比如風(fēng)雪對管道的荷載影響，地震作用力對管道的荷載影響等等。這些荷載都是在自然條件下產(chǎn)生的，并且具有一定的偶然性和突出性?？紤]到偶然性荷載只是暫時(shí)或臨時(shí)性的，并不會(huì)長期存在，所以該類荷載一般不計(jì)入壓力管道應(yīng)力分析范圍。

2、壓力管道的載荷工況

通常來說，相關(guān)研究者在考慮、計(jì)算與分析壓力管道的應(yīng)力時(shí)，所需考慮的工況主要有兩種：（1）考慮管道的內(nèi)部壓力、重力荷載以及管道的最低溫度限值；（2）考慮管道的內(nèi)部壓力、管道重力荷載以及管道可使用的最高溫度。

四、壓力管道應(yīng)力分析的方法

1、計(jì)算軟件的選擇

管道應(yīng)力計(jì)算軟件按照來源可以分為自編的軟件和購買的商品化軟件。按其功能劃分不外乎兩種：通用性軟件和專用性軟件。自編的軟件往往針對性和目的性較強(qiáng)，效率較高但功能單一，應(yīng)用范圍有限。相對而言，自編軟件的造價(jià)更加便宜，但商品化軟件在開發(fā)時(shí)會(huì)耗費(fèi)更多的人力和財(cái)力，所以一般由大型公司開發(fā)。雖然商品化軟件的耗材很大，造價(jià)成本也更高，但該軟件的非線性力學(xué)分析功能壁自編軟件要強(qiáng)很多，應(yīng)用優(yōu)勢也更大。

2、單元?jiǎng)澐?/p>

計(jì)算中選擇好所用管單元后，要對空間管網(wǎng)劃分單元。各管線中管道單元的劃分接點(diǎn)主要選取在支架處、直管與彎管的焊縫處、變徑段兩端焊縫處、彎頭的中間若干部位。這樣如評定焊縫位于直管與彎頭或變徑段連接處，則該焊縫就是管單元的接點(diǎn)，該焊縫的應(yīng)力偏保守可取為兩端單元應(yīng)力的最大值。

3、材料不同的管道組成的管系

管網(wǎng)中各條不同的管道可能由于介質(zhì)、壓力等的不同，選用的材質(zhì)不同。管道應(yīng)力計(jì)算中常見的材料參數(shù)如表1?？梢娖鋸椥阅Ａ縀及熱膨脹系數(shù)A有時(shí)相差較大，在有溫差熱應(yīng)力的情況下，會(huì)帶來熱力耦合問題：密度Q的不同也會(huì)帶來重力載荷的不均勻，尤其在考慮慣性力的場合，差別不可忽略。

4、邊界條件和約束的處理

施加的邊界條件和約束對管道的計(jì)算至關(guān)重要，其作用與影響有時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓力載荷，因而必須仔細(xì)考慮現(xiàn)場參數(shù)，力求給出的約束與現(xiàn)場情況一致。

一般壓力管道的管網(wǎng)中有多種形式的支架：固定式、滑動(dòng)式和間隙式等。閥門和變徑段的特殊處理閥門的處理：在計(jì)算中將閥門及與之相連的法蘭處理成與相連接的管道相匹配的一段管道，且認(rèn)為近似剛性體，輸入其幾何長度，彈性模量可取為比相連管道的模量高若干個(gè)數(shù)量級，熱膨脹系數(shù)取為比相連管道的系數(shù)低若干個(gè)數(shù)量級，密度由實(shí)際重量與模型中體積的比值確定。

5、計(jì)算結(jié)果

通常計(jì)算的輸出文件一般比較大，可有選擇地輸出關(guān)鍵部位的結(jié)果。而且，首先根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行判斷，對于有疑問處應(yīng)仔細(xì)分析，必要時(shí)需多次計(jì)算與驗(yàn)證。

結(jié)語：

壓力管道應(yīng)力分析涉及的內(nèi)容較為廣泛，這也說明了管道應(yīng)力分析的復(fù)雜性。為保證管道自身及與其相連的機(jī)器、設(shè)備及結(jié)構(gòu)的安全，就必須使管道的布置滿足相應(yīng)的安全評定條件。壓力管道應(yīng)力分析是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作，對管道運(yùn)行安全有一定的影響，因此強(qiáng)調(diào)在壓力管道安裝與使用過程中，一定要做好管道的應(yīng)力分析，確保管道應(yīng)力分析的有效性。

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