化工管道设计中的管道应力分析

  化工管道设计中的管道应力分析

曹赫

一重集团大连工程建设有限公司

    摘要：化工管道设计过程中，管道应力是指在管道设计中由于外力影响，引起管道和设备产生变形，从而可能导致管道和设备损坏的作用力。所以为了避免和减小管道在使用过程中受到应力破坏，就要对应力进行分析，以确保在工程设计中可全面把握影响因素，考虑到所有可能发生的应力情况。据此，本文对化工管道设计中管道的应力和应力分析内容分别进行了简要研究。

    关键词：化工管道；管道应力；塑性形变

    管道应力分析是在计算管道应力时，将管系所承受的内压或外压施加到管道上，使管系在作用力影响下产生一定的变形。如果在设计和施工中不能保证管道的强度和刚度，则会发生管道破裂、断裂、泄露等事故。所以在设计时，对管道应力分析要考虑充分。这样才能结合分析结果，提高管道设计的标准性，强化管道自身的耐压性、耐腐蚀性等，最终保障化工管道在实际应用时可安全顺利运行。

    1.化工管道具备的应力种类

    1.1一次应力

    针对化工管道而言，当遭受到外部环境中作用力施加产生的荷载影响时，就会导致管道形成一次应力。这种一次应力由于不具备限制性，所以便不能发挥化学管网的抗压功能来对所受到的外部压力进行抵御，这便大大增加了化工管道所承受的负担。也就是说，外部额外形成的荷载量和形成的一次应力之间存在着正向关系，且表现出的平衡性较高。然而，若是承受压力大小存在区别，那么最终对化工管道形成的作用程度也就会发生变化，即当外部环境给予施工管道的压力大于自身所具备的承重力时，化工管道便会出现塑性形变或是损毁情况。所以，在具体分析的时候，应结合实际管道形成的压力程度，再来对相应的压力大小进行评估，以制定出有效应对方案。

    1.2二次应力

    所谓的化工管道二次应力，主要是指受到不稳定因素作用后产生的应力，该应力会造成管道发生塑性形变现象。而这种不稳定因素通常是指位移、温度等。例如，化工管道会因为热胀冷缩的作用而产生二次应力，这同时也表明了管道材质性能与应力产生也具有某种程度的关系。并且，若是超负荷现象发生在管道运输阶段，那么就会导致化工管道关键位置处的负荷程度大幅提升，进而使得管道表层开始升温，发生塑性形变。可见，二次应力相比较于一次应力来说，会具有良好的限制功能，这种功能主要表现在，如果外部环境产生的荷载强度逐渐增大，以至于超过管道自身的承载界限，虽然会使得出现塑性形变，但经过一段时间后，便会利用自身张力来缓解承受的应力，甚至会对应力进行转移，这样就能有效防止化工管道受到较大程度的损毁。

    1.3峰值应力

    峰值应力即是指在一次和二次应力的基础上形成的增量应力，这种应力能够达到最高数值，而之所以会产生这种应力主要是因为化工管道结构中的部分零部件紧实度降低发生脱落情况或是管道出现过热情况，当化工管道受到这种应力影响时，不同于一次和二次应力，不会出现较大的塑性形变，所以往往不能在第一时间察觉到产生的问题。而峰值产生后若是不能及时解决，就会大大增加管道运输的危险性，造成较大规模的损失。例如，会使得管道出现较大的裂缝或是出现脆性破坏等。另外，当峰值应力发展到一定程度后，会造成管道内部开裂，并以较快的速度增加裂痕数量和严重性。因而，对于化工管道的设计和施工工作来说，均要加强对零件质量、性能、安装紧实度等的重视，以尽量防止出现峰值应力。

    2.化工管道设计中管道应力的分析内容

    2.1静力分析

    首先，在化工管道对介质进行运输期间，常常会受到外部条件的影响，加之化工管道自身具备的应力，就会因和化学装置连接而产生某种反作用力，此时，便应结合具体情况，来对化工管道进行准确的压力值核算，之后才能根据最终结果对装置和化工管道的应力大小进行合理调节，以尽可能降低静力所致的塑性形变的发生几率。其次，当化工管道产生位移后，就会对使自身出现较大的约束性，加之外部条件的作用，就会快速形成二次应力，因此，在设计化工管道阶段，便需要对该种应力加大关注度，通过相关理论公式将之调节到合理范围内。最后，如果化工管道正在承受外部条件作用，就要联系静力载荷来对形成的应力大小进行分析计算，而在这一过程中还会不可避免存在反作用力，这时就需严格对化工管道的应力数据予以规定，唯有如此才能保证管道受力大小可控，从而降低管道受静力影响发生塑性形变，提高运输的安全性。

    2.2动力分析

    首先，在化工管道中，可以针对输送介质的不同，将之与管道的实际运输状态相结合，来展开深入分析，这样就可以得到输送介质中管线的自振频率，从而有效防止管线在运输时发生共振。其次，复式压缩机一般会对化工管道造成较大的压力，而该装置的作用形式也为共振活动，所以，有必要分别对之进行力学分析，如复式压缩机的气柱运作频率、压力动脉等，并据此提出针对性的防治对策，以高效高质减小共振运动造成的危害。最后，当化工管道处于输送介质阶段的时候，会由于各种外界因素的共同作用，而造成压力效应，引起化工管道遭受到强迫振动，故需结合现场情况，对被动状态下出现的振动现象成因进行仔细研究，以更好理解并发现振动规律，进而为化工管道的优化设计提供科学真实的数据支持。

    结语：化工管道是化工企业生产和运输过程中必不可少的关键设备，在长时间的荷载作用下，易发生变形、弯曲甚至断裂，对作业人员的人身安全和周围的生态环境造成重大的危害。因此，为克服上述难题，就需要相关设计人员在管道设计策划过程中加强对实际应用时各种影响因素的重视程度，在全面了解和研究后，再进一步通过观察化工管道的静力、动力作用变化，来开展应力分析工作，最后联系相关理论公式和计算数据，来完善设计方案，提升化工管道在服役期间的适应性。

参考文献：

[1]肖豪,王金苹.化工设计中的管道应力分析[J].化工设计通讯,2019,45(05):180-181.

[2]刘一峰,唐强.浅论化工管道设计中的管道应力分析[J].当代化工研究,2018(05):57-58.

作者简介：曹赫（1995.04—），男，锡伯族，辽宁铁岭人，本科，助理工程师，研究方向：管道应力分析（化工专业）。