工艺管道一次应力校核方法分析析及优化改进

工艺管道一次应力校核方法分析析及优化改进
摘要：管道应力分析主要是为防止管道内应力过大造成管道自身的破坏。

压力、重力、风、地震、；中击等不同载荷将引起管道内不同类型的应力。

根据产生应
力载荷的不同，将应力划分为一次应力和二次应力。

目前，国内外工程公司按照ASME B31．3校核工艺管道的一次应力，但由于对ASME B31．3和CAESAR I管道
应力分析软件的理解和应用不同，一般仅校核冷态一次应力，忽略了热态一次应力。

关键词：工艺管道；应力分析；一次应力；热态；冷态；工况；
目前对ASME B31．3标准和CAESAR Il管道应力分析软件的理解和应用不同，国内外工程公司按照ASME B31．3校核工艺管道一次应力通常考虑冷态一次应力，而忽略了热态一次应力。

通过解读冷态一次应力和热态一次应力的定义，根据ASME B31．3—201 4规定的校核准则，讨论了热态一次应力的四种计算方法，并
编制了相应的管道应力分析工况。

一、一次应力的定义与校核准则
1.一次应力的定义。

一次应力：工艺管道由于压力、重量等持续载荷而产生
的纵向应力。

它是外部载荷的实际承担者，随外力载荷的增加而增加。

当管道内
的塑性区扩展到极限状态，即使外力载荷不再增加，管道仍将产生不可限制的塑
性流动，直至破坏。

冷态一次应力：工艺管道在安装状态，由于压力、重量等持
续载荷而产生的纵向应力。

热态一次应力：工艺管道在操作状态，由于压力、重
量等持续载荷而产生的纵向应力。

2.一次应力的校核准则。

ASME B31.3-2014标准302.
3.5节定义：一次应力是
管道系统任一组件由于如压力、重量等持续载荷而产生的纵向应力的总和SL，应
不超过所考虑操作条件相应温度对应的许用应力Sh，即满足SL＜Sh。

ASEM
B31.3-2014标准还对一次应力校核增加了说明，SL的计算需要考虑支架起作用或
者支架不起作用的所有工况，并选择不同工况的最大值作为SL的计算值。

而在ASME B31.3-2014版之前的标准中并未对SL的计算工况做出规定。

ASME B31.3-2010标准320.2节首次提出持续应力计算公式如下：
式中：Sl为持续应力；sa为持续纵向力引起的应力；sb为持续弯矩引起的应力；St为持
续扭矩引起的应力。

二、管道应力分析概述
1.管道应力分类。

一次应力，是指在受到外在重力、压力、外加荷载与介质内压等等外
力作用下所相应产生的内力应力。

该一次应力的基本特征就是没有自限性，当外加荷载不断
增加过程中，一次应力也会相应增加，但它始终满足与外加荷载间的应力平衡关系。

但当压
力超过管道材料承受能力范围时，管道就会发生塑性形变最终被破坏。

所以说，一次应力的
产生主要以持续外荷载应力为主。

而一般管道所承受的持续外荷载则主要以管道自重、介质
内压及介质重量为主。

二次应力，化工设计管道会受到一些外界不确定因素影响，进而导致
形变现象发生，用来对抗这种形变所产生的管道应力就是二次应力。

比如比较常见的热胀冷
缩现象，管道位移形变现象等等。

二次应力其自身是存在一定自限性的，这种自限性并不能
像一次应力那样可以保证外加荷载平衡，换言之二次应力不能随外加荷载的增加而相应增大，但管道能通过自身局部变化来有效降低管道应力。

如果外加荷载超出管道自身承受荷载极限，管道依然还能保持完好不被破坏，然后再对应力进行二次分布。

峰值应力，属于前两种应力
的增量表现。

如果管道附近出现局部结构不连续问题或局部热应力效应问题，就要在管道的
一次及二次应力层面上增加新应力增量，即增加峰值应力，一般会体现在管道焊缝位置或未
焊透问题，但整体上峰值应力的作用不甚明显，它是在长时间中慢节奏逐渐积累形成的，对
管道的破坏也是日积月累效果。

2.管道应力分析的方法。

与运行良好的管道(或已分析的管道)的柔性相同或基本相当的管道，通过以往的经验或与已分析的管线的比较相类似，可以采用经验判断法。

经验判断法的
运用者，通常要求要具有丰富的工程经验。

简单分析法，通常是利用图、表等方法对几何形
状相对简单的管系进行近似解析计算。

简单分析法可以确保管道有足够的柔性，尽管载荷和
应力不能准确提供，但这种分析方法快速，甚至可非专职应力分析工程师都能完成。

在对管
道应力进行分析时，要根据实际情况进行分析方法的选择，确保分析结果的准确性、实用性。

3.管道应力分析的意义和目的。

管道应力较为容易引发的问题以安全问题为主，管道在
实际应用过程中，对管道设计的安全性能要求有如下三方面，分别为耐压强度、耐腐蚀性以
及密封程度。

针对管道耐压强度以及耐腐蚀性，设计人员选用达到标准要求的管道材料，便
能有效避免管道内介质由于环境问题的影响而导致管道发生问题。

若管道布置设计存在不合
理问题，或是管道柔性较低难以承载一定应力和形变，便有可能导致化工企业在实际运行过
程中存在安全隐患。

如外界稳固在变化过程中，热销量较大进而令管道的关口出现破损，管
架损坏的问题。

若本身便为动力设备，便需要考虑设备所具有的振动频率与管道本身具备的
固体频率是否一致，以免出现共振问题，进而造成管道本身被破坏。

三、一次应力的计算方法
工艺管道热态一次应力和冷态一次应力校核需考虑载荷如下：重量载荷W，包括管道、
保温、介质及刚性元件的重量；压力载荷P；弹簧载荷H；温度载荷T。

管道应力分析工况类型定义如下：SUS为持续工况；Alt-SUS为关联持续工况；OPE为操作工况；EXP为热膨胀工况。

1.冷态一次应力的计算方法。

根据冷态一次应力的定义，冷态一次应力校核工况为
W+P+H（SUS）。

2.热态一次应力的计算方法。

（1）删除支架法.删除操作状态脱空的支架，重新分析管道
模型，计算热态一次应力。

（2）工况相减法。

操作工况W+T+P+H（OPE）减去温度工况T （EXP）计算热态一次应力。

（3）ASME B31.3附录P法。

ASME B31.3附录P提供评价管道系统应力范围的另一种规则。

附录P考虑操作条件下的
应力，包括位移和持续载荷产生的应力，而不仅是位移应力范围。

该方法考虑管道离开支架
时的非线性影响。

通过激活CAESARII软件配置中附录P选项，即可计算热态一次应力。

（4）关联传递法.CAESARII-2016版软件提供Alt-SUS工况类型，每一个操作工况关联一个持续载荷
工况，通过将操作工况的刚度矩阵传递到持续载荷工况，计算操作工况对应的热态一次应力。

四、结果分析
1.由于计算冷态一次应力仅考虑安装状态的重力和压力，因此，四种方法计算结果相同，最大冷态一次应力比均为60.7%。

2.工况相减法计算得到热态一次应力比为9
3.3%；删除支架法和关联传递法计算得到热态
一次应力比相同，最大值均为79.8%；ASEM B31.3附录P法计算得到的热态一次应力最小，
最大应力比为34.9%。

从计算结果分析，工况相减法计算结果最保守，其次是删除支架法和
关联传递法，ASME B31.3附录P法计算结果最不保守。

3.删除支架法需要核实所有操作工况对应的支架脱空情况，然后手动删除所有脱空支架，才能计算热态一次应力。

如果计算模型大，工况复杂，需要删除脱空支架数量多，容易产生
漏删和错删等问题。

因此，删除支架法不是计算热态一次应力的最佳方法。

4.工况相减法不需要删除脱空支架，但需要定义温度工况T，通过操作工况W+T+P减去
温度工况T计算得到热态一次应力，比删除支架法简单实用。

但是，由于温度工况T的不真
实性（管道操作工况不存在，仅考虑温度而不考虑重力等载荷的情况），造成热态一次应力
计算结果比较保守，因此，工况相减法是计算热态一次应力的备选方法。

随着化工产业的迅猛发展，提升化工装置的安全性能极为重要，而管道应力分析对管道
设计而言也是至关重要的，它间接帮助工业生产效益提升，因此在化工工程设计时应该重视
对化工管道应力的深层次研究分析，在分析的基础上进行合理的柔性设计，以保证管道的安
全性，推动化工产业向前安全健康地发展。

参考文献
[1]王永进.压力管道应力分析.2016.
[2]唐春梅，工艺管道应力分析中对偶然载荷的静态处理.2016.。