工业管道应力设计研究

工业管道应力设计研究

牛田瑛 1 张频 2 张智 3

1中钢集团工程设计研究院有限公司 北京 海淀 100080

2北京航天石化技术装备公司 北京 大兴 100162

3中国特种设备检测研究院 北京 朝阳 100026

摘要：近年来，我国工业领域取得了快速发展，人们对于工业管道设计领域提出了的更高要求，以满足管道输送流体介质温度和压力越来越高的要求。因此在工业管道长期运行中，为避免受到管道应力的不良影响造成较多灾害事故发生，要求在前期工业管道设计中进行优化控制，尽量弱化后续应力带来的影响，进行管道的应力分析和长输服役管道应力监测，确保工业管道能够得以安全可靠运行。

关键词：工业管道；管道设计；应力分析；长输管道；应力监测

引言

近年来，我国加大对于工业的发展力度，为我国基础建设的不断完善贡献力量，加速我国整体经济建设的发展进程，工业需要的各种原材料，一般都是通过管道进行输送的，因此，管道是工业生产中不可缺少的辅助对象。管道应力的设计是管网规划的基础，它对管网规划的完善和生产安全具有决定性作用。

1工业管道应力设计的必要性

一方面，工业管道应力设计可以较好确保其安全性，有效降低相应安全事故发生几率。工业管道在运行中存在着较高的风险，其中应力就是不容忽视的威胁因素，如果能够提前做好应力设计，必然也就可以有效实现该方面事故的防控。另外一方面，工业管道应力设计还能够有效提高介质传输效率，这同样也是优化工业体系运行效果的重要目的。在工业管道应力设计中，其在规避应力不良影响和危害的同时，也能够有效规避介质在运输过程中承受的不良阻碍机制，例如降低汽锤的影响带来的管道晃动，如此也就可以更好确保介质高效稳定运输，满足预期要求。

2工业管道应力设计分析

2.1管道参数设计

工业行业在物料的运输方面，管道作为重要的载体，对于管道的运行标准有着严格的把关。为了保证管道使用中产生中的各种危险因素不会发生，保证管道的稳定运行，要在设计中进行多方面的考虑。首先要考虑管道的受压极限和可承受的温度范围来选择合适管道材料。其次要严格地把控管道设计系数，如直径、壁厚、温度、压力、许用应力、弹性模量等，将其各项示数控制到可控范围内，同时考虑到环境条件，温度、风速、地震影响等，以保障管适应道工作环境以及工业生产的需要，否则管道破裂，工业生产不能正常进行，给工业企业带来严重的经济损失。

2.2管道柔性设计方案的确定

管系在运行工况下的由于热膨胀量及设备端点附加位移量等因素的影响，产生的二次应力及对设备的推力，其应力的大小跟管系的柔性相关。管系柔性小，这种应力和推力就大；管系柔性大，这种应力和推力就小。如果管系柔性小，无法通过改变管段自身的柔性来吸收管段热伸长产生的组合位移，将导致管系中应力过大或设备推力过大使管系失效。这种情况下，为了减小位移载荷在管系中产生的应力以及对设备的推力，并使其满足标准规范或设备制造商的要求，需要通过在管系中设置适宜的膨胀节来增加管系的柔性。

2.3动力分析

1.管道在进行相应的物质流体运输过程之中，针对不同流体以及相应介质中不同的性质，根据性质之间的差异性将实际管道的设计过程之中融入介质自身的因素，使得管道在实际使用过程之中避免出现共振等现象，使得相应的预应力变大，影响到管道的使用寿命以及使用效果。2.往复式压缩机等动设备对于工业管道的应力要求很高。在实际使用与生产过程之中必须将往复式压缩机条件干扰考虑到实际预应力分析过程之中。往复式压缩机等动设备在实际使用过程之中对于管道带来的影响也来自于共振现象的发生。例如往复式压缩机气柱的频率以及相应压力脉动等使得整个振动的频率与管道的固有频率接近时，管道在使用过程之中就很可能出现共振现象，对于管道造成较大的损伤。3.管道的预应力考虑过程中需将相应的外在联合作用力也要考虑到实际的设计过程中，相比较于管道自身设计过程中受到的影响，外在预应力也会产生较大的影响，且外在综合动力来源随着实际情况的工作环境不同也会产生较大的差异。因此考虑到管道实际使用过程，将相应的外在综合力根据实际情况考虑到最终预应力的影响中，对于加强整个管系的环境适应性都有着十分重要的意义。

2.4应力监测报警

管道应力监测软件系统服务器常年运行，监测端实时记录并分析管道应力与应变值，尤其是重要的长输管道，管道应力监测不可缺少。当应力与应变值超过预警值范围时，管道应力监测软件系统服务器将触发报警。报警时，结构在线监测系统软件在报警标志中显示红色数字，提示被监测部位出现问题；该结构在线监测系统软件还可以通过添加用户号码的方式实现应力与应变报警信息的短信发送。在线监测系统软件的功能模块中，有统计报表模块，该模块包含了报警信息报表，用户可以远程登录服务器在报警信息报表中查看实时的报警信息和历史的监测报警信息，并对该报警信息进行处置。如果该软件发现管道应力与应变过大并进行报警后，管道管理方应尽快对该监测点及其周围管道进行目视检测、开挖、无损检测以及安全状态评估。目视检测主要是对该段管道沿线山体进行地质勘查，并检查山体是否出现明显的滑坡迹象，同时检查山体的挡土墙、排水渠等部件是否存在损坏。开挖检测是将管道监测点及周围管道进行开挖处理，开挖之后需将管道整体暴露出，并采用多种无损检测方法（金属磁记忆、超声波测厚、X射线和相控阵等）进行全面无损检测，通过综合的检测结果确定管道的应力状态。

2.5合理使用支吊架

管道应力设计还应该注重支吊架的合理运用，避免在管道支撑部位出现较为严重的损伤隐患，确保支吊架的应用更为稳定可靠。对于工业管道体系中支吊架的应用还需要高度关注安装位置，设计人员首先应该立足于整个工业管道体系进行综合分析，以便更好设置好各个支吊架的位置，促使最终形成的整个工业管道体系更为稳定可靠。在管道支吊架的选用中，设计人员需要考虑到支吊架自身的柔性特点，确保所用支吊架能够具备理想的刚度和稳定性，适应于后续管道运行中出现的热胀冷缩、振动等问题。对于工业管道中的一些特殊位置，往往还可以借助于弹簧支吊架予以优化处理，更好增强其应力处理效果，提升其耐久性。对与动设备相连接的管道还需要考虑其抗振动效果，选择具有抗振功能的支吊架。

结语

为了保障管道的正常运行，管道设计时必须进行管道的应力分析。通过采取合理的应对措施，可以有效避免由于应力的存在出现的一系列安全问题。

参考文献

[1]骆恺.工业压力管道柔性设计探讨[J].时代农机,2020,47(04):66-67，70.

[2]陈玲玲.工业管道应力设计探究[J].中国石油和化工标准与质量,2019,39(21):124-125.

[3]李国永.工业管道设计中基于应力分析的柔性设计分析[J].化工管理,2019(25):74-75.