摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，工业管道设计主要包括装置设备的布置、管道布置、管道材料设计和管道应力分析四项工作，其中工业管道应力分析是工业管道设计安全、经济和合理的保障和重要方式。当管道在外力作用下不能产生位移时，管道的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称之为应变。管道变形的基本形式可分为拉伸（压缩）、剪切、扭转和弯曲四种，受多种荷载作用的管道变形都可视为这四种基本变形的组合。管道的基本变形形式是解决复杂应力状态问题的基础。本文主要针对工业管道应力分析作简要说明。
关键词：管道应力；管道柔性；应力计算
1工业管道应力分析的主要目的
一般情况下，管道设计工程师在管道配管完成后，需要将临界管系提给管道机械工程师对管道进行柔性分析与应力计算，对管道进行应力分析主要解决以下几项问题：(1)计算后需要保证管道各点的应力结果控制在规范标准允许的安全数值内；(2)保证与管道相连接的设备管口载荷符合制造商或者标准规范的要求；(3)使设计管道及其连接部分的安全性保持在规范允许的范围内；(4)计算管道在约束条件下的不同位置处的载荷；(5)分析不同工况条件下的管道位移从而保证管架选择的合理性；(6)为了解决管道机械振动、声频振动、压力脉动等问题；(7)使管道设计更加合理化。
2在用工业管道应力分析
2.1一次应力的校核
工业管道一般均架空敷设，而管廊又是全厂管道的“高速公路”，管廊一般由钢结构或钢筋混凝土结构的立柱、横梁等组成，一般均为多层结构，管廊上的管道种类繁多，管道之间水平或者上下层平行敷设，而且管道均长距离敷设，因此当管道从冷状态到工作状态温度发生变化时，管道会发生热膨胀。如图1所示，假如管道端点A固定,B端由于受热后沿着轴向膨胀，其膨胀后由“B点”膨胀至“B’点”，其膨胀后的长度为△t可以通过以下公式1计算.当B点也被固定而受到限制，无法伸长时，管壁就会产生巨大的内应力，内应力可以由公式2计算：其中△t为管系的热膨胀量，cm；为热胀内应力，Mpa；△T为管系的安装温度与工作温度之间的差值，℃，为管道材料在安装温度与计算温度间的平均线膨胀系数，mm/mmg℃，E为管道的弹性模量，Mpa。管道应力分析可以分为动力分析和静力分析两大部分，静力分析是指在静力载荷的作用下对管道进行力学分析。动力分析是指泵、压缩机震动分析，以及地震分析，水击冲击等作用下的应力分析。本文针对的是静力分析，主要包含一次应力计算、二次应力计算、管道热位移计算、管道约束反力计算等。目前管道应力分析所依据的标准主要是ASMEB31系列，对于本工程中的管道进行校核的标准为ASMEB31.3。在ASMEB31.3中虽然没有直接提到“一次应力”、“二次应力”这两个术语，但其应力校核准则实际按照一次应力和二次应力进行，这个一次应力和二次应力的概念与压力容器分析中的定义基本相同。
2.2增加管道的柔性
常用的方法有:1)改变管道走向;2)选用补偿器;3)选用弹性支吊架。以上方法需要注意的是:首先改变管道走向时,应符合新的管道易于安装,不影响装置正常的运行,所增加的材料用量尽量少。其次在选用补偿器的时候一定要慎重,要注意补偿器的特点及使用条件。例如“II”型补偿器结构简单、运行可靠、投资少,在石油化工管道设计中广泛采用,但要求安装空间较大,有时还需增加管架;波形补偿器优点是补偿能力大、占地小,但其不足之处为制造较为复杂,价格较高,并且如采用无约束波形补偿器还需考虑内压推力的作用,因此适用于低压大直径管道;套管式或球形补偿器因填料容易松弛,发生泄漏,在石化企业中很少采用,在剧毒及易燃易爆介质中更是严禁采用。再则选用弹簧支吊架改变管道柔性是针对刚性管架而言的,如果管系无需管架支撑,也就不用考虑增加弹簧支吊架,因此,在管架设计时应首先考虑刚性管架,当其不能满足要求时,再采用弹簧支吊架。
2.3二次应力
二次应力是指由于管道变形受到约束而产生的正应力或剪应力，它本身不直接与外力相平衡，二次应力主要特征有：（1）管道内的二次应力通常是由位移荷载引起的，如热膨胀、附加位移、安装误差、振动荷载。（2）二次应力有自限性，当局部屈服和产生少量塑性变形时，能通过变形协调使应力降下来。（3）二次应力是周期性的（除去安装引起的二次应力）。（4）二次应力的许用极限是基于周期性和疲劳断裂模式，不取决于一个时期的应力水平，而是取决于交变的应力范围和交变的循环次数。
2.4管道热应力和柔性调整
管道柔性是管道通过自身变形吸收热膨胀、冷缩和其他位移变形的能力。作为设计人员，应在管道图纸设计初期，充分考虑工业管道柔性应力，对影响工业管道质量因素逐一归纳。对管道铺设进行合理设计，降低相关问题发生几率，杜绝管道断裂、支撑松散等不良事故的发生。此外，设计管理人员还应从成本因素环节，考虑如何缩短管道长度，降低成本。在考虑管道柔性应力的因素中，除考虑外界环境问题对管道影响外，还可根据实际情况对管道支撑端点进行调整。例如，如外界环境允许，可利用管道柔性的特点，在不加外界管径的情况下，对管道进行自然转向，或采用各类补偿器增强管道柔性，以此降低管道施工难易程度。
2.5保证装置运行的安全性
管道布置不合理，将会使整个装置运行存在隐患，如管道因热应力而导致管架被推倒、设备管口撕裂或顶坏、弯头和三通等焊缝处裂缝、法兰泄露等；若管道或管系的固有频率与振源频率相同则还会产生共振。这些现象都属于应力分析范畴，通过对管道或管系进行应力分析，可保证其具有较好的柔性，避免共振产生，保证装置稳定安全运行。
2.6支吊架的合理设置
管道应力分析过程中正确的设置管道支吊架也是至关重要的。如果安装位置不合理会使得管道在运行中破坏管道的组成件，使生产无法稳定运行。对于保证支架的合理设置应符合以下几点要求：(1)承重架需要控制一定间距保证管道挠度；(2)充分利用管道的自然补偿满足管道的柔性要求；(3)管道位移不允许超出管托的宽度；(4)不同场合选择不同型式的支吊架。
结语
传统检验方法中，采用的是一种随机抽查的模式，因此不具备正对性，存在过检、漏检的风险，对管道系统的整体应力状况进行分析，以此来确定出个工况下应力载荷较大值以及管道热位移量较大值所对应的位置，提前识别风险，并根据以有相关数据资料分析和确定风险等级，利用管道完整性，针对风险如针对位移量较大的部位重点进行宏观检测，管道支架是否出现卡涩、倾斜、大范围移位、甚至出现滑落管廊的情况，以及与周边管道发生挤压、膨胀等情况。采用相适应的检测手段，对风险有一个针对的解决方案，从而将风险等级将至最小程度，促进工业管道检验检测技术的进步。本文利用介绍了ASMEB31.3的判别准则，并对某工业管道进行了分析，建议将应力分析作为某些特殊管道定期检验方案编制前的一项检验技术。通过提前对管道建模分析，得到可靠的理论计算数据，将该数据来指导检验方案中相对应技术应用。逐步将计算数据纳入数据库管理系统，可以加强对管道各检验周期的数据对比分析，实现管道完整性管理。希望该方法可以对管道定期检验提供一些借鉴意义。
参考文献
[1]嘉兴市富欣热电有限公司蒸汽管道爆裂事故调查组.嘉兴市富欣热电有限公司“1223”蒸汽管道爆裂较大事故调查报告[R].2018.
[2]国家质量监督检验检疫总局，压力管道定期检验规则—工业管道：TSGD7005-2018[S].北京：新华出版社：8-9.
[3]邹梅芳.论压力管道应力分析的内容和特点[J].冶金动力，2014(8)：45-46.