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摘要：在进行管道设计时，首先要考虑满足工艺要求，还应使管道的设计既经济合理又安全可靠，管道应力分析是实现这一目标的手段和方法。针对相关规范的理解和支架设计技巧，结合长期的设计经验和应力分析理论，提出了管道应力分析需要注意的几个问题。
关键词：管道应力，应力计算安装温度定义，简化计算，应力补偿，计算机计算方法
1管道应力分析中如何定义安装温度
二次应力是由热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用所产生的应力，是个位移应力变化范围。B31．3明确，在进行位移应力范围计算时应基于在分析的热循环内的金属最高温度与金属最低温度；在进行约束反力计算时指出，应基于金属最高（或最低）温度与预期安装温度。
举个例子，如某管道有两种操作工况，T1=+300℃，T2=-50℃，安装环境温度21℃，CAESARⅡ软件默认会建立以下工况：
L1：W+T1+P1（OPE）
L2：W+T2+P1（OPE）
L3：W+P1（SUS）
L4：L1-L3（EXP）
L5：L2-L3（EXP）
显然，以上L4及L5都没有代表温度循环内极限的位移应力范围，不是规范上定义的二次应力，为了校核规范应力，设计者需要另外增加一个工况：
L6：L1–L2（EXP）
根据规范，应以L6来校核二次应力，L1及L2来提热态的约束反力条件。
安装好的管道受环境温度影响，上述例子中的T1也可能是冷管停车期间管道的环境温度，T2也可能是热管停车期间管道的环境温度。设计者修改软件模型中的安装环境温度，结果主要对操作工况下的约束反力、操作工况与安装工况之间的应力变化范围产生影响。如按照热管以最冷月平均气温为基准，冷管以最热月平均气温为基准来修改安装环境温度，位移应力范围的校核将变得更加准确和安全，但约束反力会变得比较保守而偏大，这样对敏感设备管口受力校核往往很不利，增加了设计难度。
2管道应力分析
管道上的应力一般分为一次应力、二次应力和偶然应力。一次应力是指由管道所受外力荷载。它满足与外加荷载的平衡关系，且无自限性，当其值超过材料的屈服极限时，管道将产生塑性变形而破坏。二次应力是由于管道变形受约束所产生的正应力和剪应力。偶然应力类似于垮塌性荷载，不持续发生，偶尔会作用。一次应力和偶然应力在确定的管道和管道环境中是不会变化的，这里主要谈谈管道的二次应力。
由定义可知，二次应力是由于管道变形受阻而产生的，它不直接与外力相平衡，而是由管道各部分变形来适应的。在热胀推力的作用下，管道局部屈服而产生少量塑性变形时，就会使推力不再增加，塑性变形不再发展，即有自限性。只有塑性变形在多次交变的情况下，才会引起管道的疲劳破坏。当热力管道启动时，热力由内壁向外壁传递，内外壁管道有温差，管道温度不均匀，而产生温度应力，一般计算中不考虑。不同材料的管道和管件焊接时，由于膨胀系数和弹性模量不同，当温度升高时，相连处存在热应力，此应力也属二次应力。在管道中，二次应力一般由热胀、冷缩和端点位移引起。
3管道的补偿
在诸多因素中，温度的变化对管道应力的影响最大，而温度升高，又会降低管道的许用应力，只有当管道在工作状态下的应力小于许用应力，管道才是安全的。那么我们怎样才能解决管道由于各种环境变化而形变带来的二次应力呢？简单的说就是“膨胀多少，补偿多少”。管道在热胀或冷紧时不受阻，或在安全应力内受阻是我们补偿的最终目的。首先我们来明确几个重要参数：
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上图是一“L”型管道，A、B分别为管道的两个固定点，L1+L2=L是管道的长度，U是两个固定点间的距离，Δ是管道的膨胀量。这里需要对Δ详细说明一下，它是管道的线性膨胀量和管道位移的矢量加和。我们假定打开B点，让B点自由膨胀，在线膨胀方向上同向取正，反向取负，加合后便可以得到管道的线性膨胀量；如果A、B点为设备的管口，我们还要考虑因设备热胀或基础下沉产生的位移，两者矢量加合才是我们的Δ值。
4简化计算--图解法
通常我们设计的管道，多数情况下是“L”型，“Z”型或“Π”型的，或可以通过支架的巧妙设置，把一些复杂管系简化为上述三中形式中的“L”型，“Z”型或“Π”的，也可以在一些“直”管道上设置补偿器来柔化管道。目前已经有不少设计手册和规范列出了补偿器的线算图，常见的有“L”型，“Z”型和“Π”型线算图。下面就以“Π”型补偿器为例，简要介绍下线算图解方法。
假设管廊上有一68米长的中压蒸汽管道Φ168X5，温度为210℃，材质为无缝钢管，现在设一个“Π”型补偿器来减少管道二次应力增加柔性。
第一步：设置管道固定点
管道的固定点设置要依据管道长度、补偿量、固定支架所能生根的点等因素综合考虑，灵活把握。对于此根管道我们先假定两固定点间的距离为60m（按管廊正常跨距6m，选择跨距的整数倍便于设置固定架）。
第二步：计算膨胀量
此60m的管道膨胀量是我们科学设置补偿器大小的依据。查钢材单位线膨胀量et=0.22cm/m，则Δ=et*L=0.22X60cm=13.2cm。根据此膨胀量，预设膨胀补偿器。其大小要根据所能设置补偿器的空间和支撑点来确定。
第三步：设置补偿器
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补偿器我们一般都是先预设，设置好后，通过补偿量来验算是否满足补偿要求。假定我们做右图所示膨胀补偿器L2=2m，L3=3m。查“Π”型线算图知该补偿器的补偿量为6.25cm，小于Δ=13.2cm，结果是不能满足补偿要求，这个时候我们可以通过三种方法来进行调整，第一是缩短两固定点间的距离以减少膨胀量，第二是增大L2或L3的长度以增加补偿量，第三是安装中采用冷拉或冷紧，具体采用那种方法要根据经验去综合考虑。对于前两种方法我们只需要按上面所说的三步试演算到满足要求即可。对于采用冷紧或冷拉，通常会采用安装条件下50%的冷拉要求来做，如上面的管道型式及补偿器不变，用50%的冷拉比来处理，就相当于补偿量增加了一倍，这样就满足补偿要求了。
5判断式法
对一般非输送有毒介质的管道可采用美国标准ANSI/ASMEB31.1和B31.3的判断式进行判断。满足判断式的规定，说明管道有足够的柔性。
判断式：DN*Δ/（L-U）2≤2.083
DN：管道的公称直径，cm；Δ：管道的补偿量，cm；
L：管道的长度，m；U：两固定点间的距离，m。
但是这种判断是偏于安全的，对价格昂贵的合金钢管道可能还需要计算，使其在确保安全的前提下设计出最经济的管道。
6计算机分析方法
下面就CAESARⅡ软件使用的基本流程及心得做如下简要说明。
首先：建立分析模型
使用此软件首先要对所要分析的管系进行离散化，简化为程序所要求的数学模型，这样才能方便进行计算机分析建模。管道中的阀门、法兰可以用钢性件代替；管道材质可以在软件附带的材质库中选取；节点号应留有一定的间隔，为今后插入留有余地。
其次：真实的描述边界条件
边界条件有以下几种类型：Restraints（约束）、Displacements（位移）、
Hangers（支吊架）、Nozzles（管口）。边界条件的描述是比较困难的，这里需要我们长期的经验积累和尝试，尤其是支吊架的设置，很多设计者往往忽视支吊架的重要性，其实这是一个误区，灵活的应用支吊架，能够解决很多应力问题，这需要我们在设计计算中慢慢去体会。
再次：正确的分析计算结果
计算结果中列出了相应的各项应力数据，如果超出许用应力范围，程序会用红色显示相应点的各项数据，此时我们需要调整边界条件和管道布局来进行重新计算，直到满足应力要求为止。
总之，管道的应力处理是我们设计中经常碰到的内容，面对如何处理这一问题，我总结一句话：用简单的方法去处理复杂的问题。
7结语
随着工艺技术的发展、装置规模逐渐大型化、海外项目比例增加，给管道设计人员带来诸多挑战，也对管道应力分析专业提出了更高的要求。正确的理解相关规范，使用合适的管道应力分析方法，才能设计既经济合理又安全可靠的管道布置方案。
参考文献：
[1]刘丹.弹簧支吊架在应力分析中的功能及应用[J].化工管理，2017（13）：89-90.
[2]吴一轩.弹簧支吊架在化工管道设计中的应用[J].化工管理，2016（02）：82.