摘要：压力管道是化工装置的基本组成部分，是连接各种设备、确保装置正常运行的基础。在化工装置的设计过程中，为了防止管道因热胀冷缩等原因导致管道应力过大引起金属疲劳，造成管道形变，连接处泄露、分支断裂、支架破坏等问题，进行管道的应力计算和分析，确保装置的安全生产是十分必要的。
关键词：化工装置；压力管道；应力分析；应对措施
引言
在许多项目的工艺管线中，经常存在着温度较低或温度较高的管线，这些管线或者因为热胀冷缩而产生位移，或者在受到外力的作用后产生形变，导致金属管道内部原子间的相对位置也随之发生改变，这种力的改变量称之为内力。内力是沿着管道的整个断面连续分布的，单位面积上的内力强度，即称之为应力。管道工程师在设计管道走向时，既需要满足工艺的要求，也需要考虑管道应力可能造成的影响。
1管道分类
管道在压力荷载、机械荷载与热负荷等影响下，整个管路或某些区域会形成不同的应力，鉴于此，管道上的应力，通常包括下面三类：（1）一次应力：因为外加荷载的影响为形成的应力，其本身和外力处于平衡状态。（2）二次应力：因为变形被约束，进而形成的正应力或是剪应力，并不会直接和外力处于平衡状态。（3）峰值应力：因为荷载或是结构形状所产生的局部突变，进而形成的局部应力集中的最高应力值。
2需要进行详细应力分析管道的确定方法
确定哪些管道需要进行详细的应力分析，是管道应力分析的重要内容。所有管道都进行应力分析显然没有必要。但如果进行详细应力分析的管道过少，可能漏掉某些重要管道，造成安全隐患。因此恰到好处的确定需要进行详细应力分析的管道非常有必要。管道是否进行应力分析与管径、温度和所连接的设备有关。一般来讲，管径较大、温度较高以及与重要机器设备相连的管道需要进行详细的应力分析。由于管内介质的危害程度、配管标准规范的完善程度和配管设计人员的经验水平也对管道是否需要进行详细应力分析具有重要影响，因此不同行业、不同工程公司以至于不同设计项目对哪类管道需要进行详细应力分析也有不同的规定。
3化工管道应力优化措施
3.1合理设置管道支架
管道的设计也是管架的设计，正确的设置管道支架对减轻管道一次应力和管道二次应力有着重要的作用，两个相邻管架的距离应在管道最大跨距内，用固定架限制管道各向线位移及角位移，吸收因管道热膨胀受阻或压力脉动而产生的力及力矩，用导向架限制管道的径向位移，用限位架限制管道的轴向位移等。合理的管架设计可以控制管道形变，降低管道震动。
3.2采用管道冷紧法缓解管道应力
管道的冷紧是让管道在冷状态下的拉力去抵消热状态下的位移，从而降低热胀应力下管道端点产生的推力和力矩，并不改变应力范围，同时也可以防止法兰连接处发生泄漏。但是与转动设备相连接的管线，不允许使用冷紧的方法。
3.3管道柔性设计分析
管道柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移、管道支承设置不当等原因造成下列问题。（1）管道应力过大引起金属疲劳和（或）管道推力过大造成支架破坏；（2）管道连接处泄露；（3）管道推力或力矩过大，使与其连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行。在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑下列管道端点的附加位移。（1）静设备热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；（2）转动设备热胀冷缩在连接管口处产生的附加位移；（3）加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移；（4）储罐等设备基础沉降在连接管口处产生的附加位移；（5）不与主管一起分析的支管，应将分支点处主管的位移作为支管端点的附加位移。
3.4合理设置管道支架
管道的设计也是管架的设计，正确的设置管道支架对减轻管道一次应力和管道二次应力有着重要的作用，两个相邻管架的距离应在管道最大跨距内，用固定架限制管道各向线位移及角位移，吸收因管道热膨胀受阻或压力脉动而产生的力及力矩，用导向架限制管道的径向位移，用限位架限制管道的轴向位移等。合理的管架设计可以控制管道形变，降低管道震动。
4化工管道的应力分析
随着石油化工装置规模的不断扩大，工艺复杂程度越来越高，管线的温度、压力、壁厚等也随之增大。原则上，所有的管线均应做应力分析，并根据管线的类别（温度、压力、口径、壁厚、所连接的设备的荷载要求等）确定应力分析的方法和详细程度。如果项目中没有具体规定，则可以将应力分析管线分为Ⅰ类管线、Ⅱ类管线、Ⅲ类管线，见图1。
图1应力分析管线分类
常用的管线应力分析方法有：目测法、简单分析发、计算辅助应力分析法（CAESAＲⅡ）等。对于Ⅰ类管线采用目测检验或者简化分析法即可，Ⅱ类管线可采用简化计算方法进行分析计算，适用于高压管线、锅炉水管线、天然气及液化气管线、工艺管线等，Ⅲ类管线应该严格的进行计算机辅助计算分析。对与具有对载荷敏感的转动机械相连的管线，与往复式、离心式压缩机、透平相连接的温度高于120℃管线，与空冷器相连接的温度高于120℃管线等也需利用计算机辅助进行严格的计算分析。（1）目测法：根据以往的经验或与已分析过的管线的比较相类似，则采用目测的方法已经足够，不需要进行更详细的应力分析。此时，需目测者具有相当的工程经验。（2）简单分析法：简单分析将确保管线有足够的柔性，以吸收位移（热膨胀）。尽管简单分析不能提供准确的载荷和应力，但这种分析简单而快速，它要求管线具有同一直径，两端固定，无中间约束。 式中：D－管子外径，mm；Y－管子吸收的总位移，mm；L－两固定点间管子总长度，m；U－两固定点间的直线距离，m。（3）计算机辅助应力分析法：使用专门的管道应力分析软件（CAESAＲⅡ）对管道进行详细的应力计算和结果分析。计算并分析评定管道各分支点的应力、约束点和端点（设备管口）的力和力矩等。管道应力分析分为静力分析和动力分析。对一般管道，通常只做静力分析即可。但对一些特殊工况的管线则应做动力分析（如往复泵、往复式压缩机的进出口管线）。静力分析包括：1）管道在持续外载（压力、自重、集中力等）作用下的一次应力计算及评定；2）管道在温度荷载及端点附加位移载荷作用下的二次应力计算及评定；3）管道对设备管口的作用力计算；4）管道支吊架的受力计算；5）管道上的法兰和分支点受力计算。动力分析包括：1）管道固有频率分析；2）管道强迫振动响应分析；3）往复式压缩机（泵）气柱频率分析；4）往复式压缩机（泵）压力脉动分析。
结语
现代石油化工类企业发展速度在不断提升，这也更需要石油化工企业当中管道结构的设计质量能有所提升，从而使石油化工企业能有更快速的发展。
参考文献：
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［4］韦征．顾顺超．如何正确分析化工管道设计中的管道应力［J］．化工管理，2015（16）：180．
论文作者:陈晔
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/13
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