压力管道应力分析的内容及特点

压力管道应力分析的内容及特点

压力管道的应用范围非常广并且应用场所都比较重要，压力管道主要扮演着运输介质物料的角色，主要应用在石油化工、天然气体、电力工程、冶金工程等重要大型建设工程中，运输或供给原料满足某种需求。压力管道在整个管道系统和外界环境因素的影响下应具有足够的柔性来克服管道因热胀冷缩、端点位移、管道支承设置不当等原因造成的问题，也会受到流体的流动因素影响，这就增加了应力分析的复杂度，压力管道的应力分析必须将管道实际运行的情况尽可能的模拟准确才能得到接近实际的正确的分析结果。

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一、管道应力分类

（一）一次应力

所谓一次应力过大是指由于外力荷载，如重力或压力等持续性荷载所引起的危害，它与外加载荷有一个平衡关系，会随着外加载荷的递增而递增，且不会由于达到相应材料的屈服点而自身实施限制，所以有一定的非自限性，除此之外，若是一次应力大于屈服点时其所产生管道的变形也非常明显，因此，需加强一次应力的控制，使一次应力小于许用应力值，以防止过度的塑性变形导致管道的破裂垮塌。一次总体薄膜应力、一次弯曲应力和一次局部薄膜应力都属于一次应力的分类。一次总体薄膜应力是指由于内压所引起的管道环向应力和轴向应力，拉伸或者压缩杆件所产生的应力。一次弯曲应力是指沿厚度线性分布的应力，它在内表面和外表面上大小一样且方向相反。一次弯曲应力的许用应力可以比总体薄膜应力高。在管道支撑处或者管道与支管连接处由于外载所产生的薄膜应力可划分为一次局部薄膜应力。

（二）二次应力

二次应力由热胀、冷缩和端点位移引起的，是指由于变形和其他相邻部件受到约束所引起的正应力或剪应力。二次应力的效果通常不是平衡外荷载，而是在结构中受到相应荷载时变形所使得应力获得一定的缓解，因为二次应力自限性的特点，使它比一次应力更危险，受到更严格的限制。

（三）峰值应力

峰值应力主要是因为荷载以及结构产生突然变化使得局部应力较为集中的最高值，其主要特点就是不会产生较明显的变形，并且在很短的距离之内其根源衰减，是一种引起疲劳破坏或脆性断裂的可能根源。峰值应力主要体现在管道中小的转弯半径处和焊缝咬边处等。

二、压力管道应力分析的特征及应用

（1）计算一次应力主要是为了避免管道在安装工况时承受不住压力、重力而被破坏，支架不够管道长期以来也会形成疲劳破坏。计算二次应力是为了防止管道在设计参数下发生热变形之后是否会发生偏移、移位，并防止并排管道间距是否足够是否会产生相互影响。

（2）一次应力超标可以增加支架，减小跨距，水平90°弯管两端支吊架间展开的长度应小于等于水平直管段上支吊架最大允許间距的0.73倍。

（3）二次应力超标是因为压力管道柔性不够或三通处需加强，一般与直管比，应力比较大体现在三通和弯管处，因为其应力增大系数比较大。

（4）热态状态下水平位移过大，是因为管线上缺少固定点或“π”型补偿器、管托应加长或偏装。

（5）固定、限位支架水平受力过大，是因为其设置位置不恰当或管道柔性不够。

（6）支吊点垂直力过大或支吊点脱空，可考虑采用弹簧支吊架。一般情况下是支吊点垂直位移大于3mm时需用弹簧支吊架。

（7）在应力分析计算中，只考虑正常操作温度的参数并不安全，不仅要考虑正常操作条件下的温度，还得考虑开车、停车、除焦、再生等工况。

（8）一次应力主要校核的是压力管道的纵向应力，不遵循剪应力理论是其最主要特点，二次应力校核虽然遵循的是最大剪应力，但是其计算应力过程中不会计算管道轴向应力，只考虑管道弯矩和扭矩的作用。

三、管道应力校核

（一）管道应力分析中的薄壁假设

对薄壁圆筒与厚壁圆筒的划分以管道的外径、管道的内径的比值为界，在比值小于等于1.2的情况下为薄壁圆筒，在比值大于1.2的情况下为厚壁圆筒。因此，对于薄壁圆筒的理论假设：在管壁很薄的情况下，薄壁圆筒的径向应力小于环向应力与轴向应力，这时管道应力沿壁均匀分布，因此将薄壁作为内压圆筒的假设，是在误差允许的范围内的。

（二）压力管道应力校核准则

一次应力的校核准则是由压力、重力、持续荷载在管道中所产生的热态许用应力高于纵向应力之和，由内压产生的一次应力中的环向应力低于管道运行时材料的许用应力，由内压、自重和外载产生的一次应力中的轴向应力之和低于管道运行时材料的许用应力；二次应力的校核准则是由热膨胀、冷缩或端点位移所引

起的许用值应高于位移应力；由压力、重量等持续载荷所产生的纵向应力以及诸如风或地震等偶然载荷所产生的应力之总和可以取许用值的1.33倍，GB50316和ASME B31.3均规定不需要考虑风荷载和地震荷载同时发生，对于较长的水平或者垂直管道，管道中间应设有足够数量的导向支架。

四、结语

在工程建设的设计阶段，管道设计是非常重要的工作，而管道设计中的应力分析会关系到管道的质量安全，作为介质物料运输的载体，管道的质量安全非常的重要，针对压力管道的应力进行分析是非常关键的，分析清楚了应力产生原因以及分布情况，可以在解决处理管道应力问题的时候更加有效。

参考文献

[1]张其莘，赵静，崔志伟.压力管道的应力分析及计算[J].石化技术，2016，23（01）：148，204.