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摘要：在化工领域中，管道设计是重中之重的工作，而管道应力分析是化工管道设计当中的最为关键的部分。本文对于化工管道的应力分析实行探讨，分析管道应力的种类、方法和关键作用，并结合其特征分析了应力的具体处理方法。
关键词：化工管道；管道设计；应力分析
前言
面对社会的快速发展与进步，如今我国的化工领域得到了飞速的发展，与之对应的是，人民对化工生产提出了越来越高的要求。为了保障化工系统足够可靠、安全，就需从化工系统的特征着手，分析其设计要点、设计要素，确保其高效、合理。化工管道应力分析作为管道设计的根本，已渐渐被设计人员所重视。在进行管道应力分析时，设计人员需要考虑各种因素，如压力、温度、地震、风、蒸汽吹扫、震动等。化工管道的设计工作是非常严谨的，目前管道应力分析在安全生产、优化设计、节约材料等方面起到了很大的作用，在化工管道中占有特别重要的地位。
1 管道应力的目的
进行管道应力分析的目的，根据工程上的要求，主要有以下几个方面：（1）为了使管道应力在规范的许用范围内；（2）为了使设备管口荷载符合制造商或公认的标准；（3）为了使与管道连接的容器应力保持在其规定的许用范围内；（4）为了计算出各种支撑及约束的设计载荷；（5）为了确定因各种冲击所导致的管道位移；（6）解决管道动力学问题，如管道的机械振动，流体锤等；（7）帮助配管优化设计。
2 应力的分类
为确保在设计化工管道过程中能够有效处理其中的应力因素，减少应力带来的负面影响、威胁，就需要掌握应力设计要点和应力主要表现。管道在内压、持续外载以及热胀、冷缩和其它位移等载荷作用下，其最大应力往往超过材料的屈服极限，使材料在工作状态下发生塑性变形，另外高温管道的蠕变和应力松弛，也将使管系上的应力状态发生变化。对于不同种类的应力应当区别对待，根据它可能产生的效应和对于破坏所起的作用不同，给与不同的限定。管道上的应力通常分为三类：一次应力、二次应力和峰值应力。
一次应力：指的是由于压力，重力和其它外力荷载的作用而产生的应力。它是平衡外力荷载所需的应力，随着外力荷载的增加而增加。一次应力的特点是：满足与外力荷载的平衡关系，随外力荷载的增加而增加，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。管道承受的介质内压、自重、介质重量等持续外荷载而产生的应力属于一次应力。通常情况下，一次应力只能通过按要求选取管道来承担。从目前的石化管道使用情况可以看出，这种应力属于最常见类型。一次应力包括管道本身的外载应力、内压力与自
重因素。这些应力都会直接影响到石化管道自身。如果这类应力处理没有考虑好平衡要求，协调好应力关系，将无法保障其平衡性得到保障，甚至有可能会出现管道破损的情况。该类型的破坏难以顺利控制，根据一次应力本身机制，可以分成一次弯曲应力与一次膜态应力。
二次应力：指的是由于热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必须的应力。二次应力的特点就是具有自限性，即当管道局部屈服和产生小量变形就可以使位移约束条件或是变形连续要求得到满足，从而使变形不在继续增大，使二次应力就能降下来。一般来说，只要不反复加载，二次应力不会导致管道的破坏。也就是说，二次应力引起的主要是疲劳破坏。应该指出的是当位移荷载极大，局部屈服或小量变形不足以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足时，管道也可能在一次加载过程中就发生破坏。化工管道运行中很容易受到各种外界因素的干扰出现变形问题，变形通常会引起阻碍作用力、正应力与剪应力。也就是说二次应力为外界因素引起的一种应力，并非自然存在的应力。化工管道形变以后就会出现这种形态、状态。例如热应力，在化工管道中，热应力非常常见，热应力看似十分自然，实际上同样也属于二次应力，即在外在因素作用下引起的应力。管道材料在运行中出现温度变化，进而引起形变，这种形变就是二次应力。
峰值应力：是指管道运行中因自身结构缺陷，在一次应力、二次应力的作用下发生总应力变化。峰值应力通常发生在焊接没焊透的地方或结构不连续的地方。经常会对管道形成裂纹继而导致脆性破坏，是在日积月累中形成的，但作用不明显。峰值应力和上面两种应力是不一样的，它是在一次应力和二次应力的基础上的另外一种力，是技术人员依据管道中的一些零件出现脱落和松弛、以及部分的热胀冷缩基础上发现的。与前两种应力相对比，峰值应力不会导致管道变形，随着时间的流逝，管道内部会出现裂纹，持续的积累下，就会导致管道内部破裂。
3 管道应力分析的方法
3.1 表算法
表算法的原理是管道柔性分析和应力计算的一般方法，即将管系中的一个端点固定，求其余端点释放，运用卡氏定理建立变形协调方程组，解此方程组后求出管端复原力，求出管系各计算点端点作用力和力矩，在求出管系各计算点的应力值。对于分支管的空间管系，并向协调方程组为：
al1Fx+a12FY+a13Fz+a14Mx+a15MY+al6Mz=EJσx
a21Fx+a22FY+a23Fz+a24Mx+a25MY+a26Mz=EJσY
a3lFx+a32FY+a33Fz+a34Mx+a35MY+a36Mz=EJσz
a41Fx+a42FY+a43Fz+a44Mx+a45MY+a46Mz=EJ△θ X
a5lFx+a52FY+a53Fz+a54Mx+a55MY+a56Mz=EJ△θY
a61Fx+a62FY+a63Fz+a64Mx+a65MY+a66Mz=EJ△θz
式中：a为形状系数并以主对角线对称，如：a21= a12，a24= a42；F、M为各方向的力（N）及力矩（N.m）；σ、△θ为各方向的线位移（cm）及角位移（°/s）；E为管材的弹性模数（N／cm2）；J为管子截面惯性矩（cm4）。
表算法是把管系柔性分析的一般方法经过周密的组织和巧妙的安排，将此过程变为一系列统一形式的表格，对各种管系，只需填写和计算事先准备好的表格就行了。运用表格来分析管系柔性和计算管道应力，就使整个过程大大简化，而且计算者也比较容易掌握这种方法，表算法可不依赖计算机进行管系应力分析，尤其很多需要在现场进行计算的情况下，显的尤为实用。它可以计算各种形式的管系，这是下述的弹性中心法所不能比拟的。表算法的局限性是，它只能在弹性范围内对管系进行计算，只计算承受静荷载的管系的作用力、应力和位移，而且表算法毕竟是一种手算法，它随然可以计算无限分支的管系，但如果分支过多，工作量大，很繁琐，对于单分支的空间管系，要解六元线性方程组，两分支的空间管系要解十二元线性方程组。所以，通常只用表算法解二分支以下的管系。
3.2 弹性中心法
弹性中心法是假定管系为一根无重量的弹性线，也不考虑中间支架对管系的影响，同时假定端点的角位移必须是零。在使用弹性中心法计算管系上各断面的所受的作用力及力矩时，首先选定一个坐标系，根据管系的各项特性包括管系的刚度、相当长度、管系中个元件的对坐标轴的静力矩等可求出该管系的弹性中心点的坐标，并将计算管系投向三个坐标面，把一个整体的管系视为三个投影管系的合成，分别列出三个投影面上的作用力矩，可求出管道上各元件对弹性中心的线惯性矩及线惯性积，进而可求出管系末端的复原力及管系上各断面的弯曲力矩。这样，我们可以在计算图中绘制通过弹性中心的零力矩线，此管系中最大的弯矩即产生与此零力矩线最远的一点，同时可求得管系的最大力矩。弹性中心法的优点是计算简单，不须考虑中间支吊架的约束对管系的影响，可进行手算而不必依赖计算机计算程序，但由于计算时对管系作了一些假设，给计算结果带来一定的误差，而且弹性中心法只能计算无分支管系，对稍微复杂一些的管系就不能采用此方法。所以，此方法在大的工程公司采用并不多。
3.3 等值刚度法
上述两种方法在涉及方程组的细节，如计算管系中各元件的形状系数时非常复杂，尤其在考虑自重荷载和支吊架影响时更是如此，等值刚度法则解决了这个问题，它可以计算树枝状的管系，管系可以有热膨帐冷缩、端点附加位移、冷紧等位移荷载以及管道及绝热层的自重荷载，还考虑了不同类型支吊架的作用，因此计算是全面的。等值刚度法是一种机算方法，CAESARII即采用的此法。此法的优点是计算时考虑的因素全面、计算速度快，并考虑了约束的影响，使其更实用。但它只能计算树枝状管系，而不能计算环状管系，对计算单元的复杂程度也有所限制，如管系的分支数、元件数、有附加位移的管端数、约束分支数等，不过可以满足工程设计的要求。等值刚度法的计算内容包括：
（1）、管道在工作状态下，由内压和持续外载（自重）的作用下的一次应力验算，并给出工作状态下各支吊架的荷重。
（2）、道由于热胀冷缩和其它位移受约束而产生的二次应力验算，按管道的全补偿值和钢材在20℃时的弹性模数计算，并考虑弹簧附加力的影响。
（3）、管道在工作状态下对设备（或端点）的推力以及力矩的计算，考虑热胀冷缩、端点附加位移、有效冷紧和自重，按钢材在计算温度下的弹性模数计算。
（4）、管道在冷状态下对设备（或端点）的推力以及力矩的计算，考虑冷紧、自重和弹簧附加力，按钢材在20℃时的弹性模数计算。对于工作状态和冷状态的推力，均需比较运行初期的和管系应变达到自均衡的力和力矩，取其大者作为评定设备（或厂房结构）是否允许的依据。
（5）、管道由冷状态到工作状态的热位移值的计算。按管道的全补偿值和钢材在20℃时的弹性模数计算，并考虑弹簧附加力的影响。根据此热位移值和支吊架的工作荷重，选择弹簧规格。
（6）、管道由于冷紧和弹簧附加了作用的冷位移值的计算。作为管道支吊架设计和安装调整的一个依据。按冷紧值、自重和钢材在20℃时的弹性模数计算，并考虑冷紧口的位置和弹簧附加力的影响。
综上所述，三种计算方法各有优劣。由于计算机的普及，目前管道应力分析最为流行和简捷的处理方法是使用运用了等值刚度法的CAESARII应力分析软件去模拟计算。便捷之余，更要强调的是对整个应力管系运用应力理论去分析并合理的处理管系分支去模拟计算，得以最优化的配管设计满足安全生产、节约材料、节省投资的优质工程要求。
4 管道受力情况的改善方法
在工厂设计的过程中，管道的设计有很重要的地位，为保证工厂的运行质量，这就要求化工管道设计不只要符合流程的标准，同时还要保证设备、管道、机泵和配件都保持在最佳状态，这样，才可以长时间的安全使用，除此之外，还需要充分考虑各种应力问题，采用有效方法改善管道的应力情况，在设计时可以从以下几个方面着手：
4.1 管道的柔性改变
一般情况下，在管道设计的时候，管道的柔性可以反应变形的程度，通过改变管道的走向、选取弹簧支吊架或者波纹管补偿器来加强管道的柔性。在两个固定点中间的管道可以依据管道的长短来决定改变管道方向以此来增加管道的柔性。若管系的任一个方向发生刚度过大的问题，都会通过增加与它垂直方向管道的长度，来增大管系的柔性。改变管道方向具备有投资少、运行可靠、操作简单等优点。可以使用弹簧支吊架，通过支吊架的垂直位移来放宽约束，来增加管系的柔性。若管径比较大，受场地限制，可以选取波纹管补偿器，尤其是低压大口径管道更加的合适。通常情况下，管道的长度越长，它的柔性越大，但不能无限的增加管道的长度，要在满足管道自身稳定性的要求。
4.2 合理使用支吊架
对于化工行业来说，管道设计过程中，对于应力方面的考虑需要将重心放在支吊架合理使用，其效果十分突出，意义十分重大，能够有效调节应力状态、应力效果，为管材稳定运行提供稳定、高效的保障，减少外界因素对管材带来的负面影响。管道在系统设计过程中，支吊架应提前做好应力方面的计算与分析，保障其足够合理、足够可靠，形成稳定性十足的平衡结构、平衡效果。支吊架应用过程中，限位吊架与刚性吊架都要详细分析，保障所有种类的吊架都能够发挥其自身定位应有的显现效果。通常来说，石化管道系统最合理的吊架种类就是刚性支架，刚性支架能够很好地支撑管材，保障管材稳定。并且刚性支架抗振动效果十分突出。不过同样需要注意的是，刚性支架需要保障支架位置足够合理，体现稳定性追求与要求。要减少位置因素带给支架稳定性的负面干扰，以防杠杆效应发生。
5 管道应力的设计
管道柔性设计中除了要将热胀冷缩考虑在内，还要将下面的端点附加位移列入其中，具体包括静设备在热胀冷缩过程中发生的连接管道位置位移；转动设备在热胀冷缩的作用下连接管道发生位移；加热炉管过程中加热炉出口部位发生位移；储罐设备在沉降后发生连接部位位移；支管端点发生位移。
管道应力分析结果要满足一次应力、二次应力在规范允许的范围内，对机器设备管口的推力和力矩需符合制造商或公认的标准，对支吊架的作用力应控制在合理的范围内。连接往复机泵管道的固有频率应避免共振区域，最大程度的把管道最大位移控制在管道允许范围内，保证管道的稳定性和刚度并满足标准规范的技术要求。
加热炉、蒸汽发生器、汽轮机蒸汽管道、离心压缩机等设备连接的管道，因高温、高压、管径大且设备允许的接口荷载较苛刻，在管道设计时，需借助专业的应力分析软件对管道、设备管口的受力进行详细的应力分析。除了化工管道设计的常规标准，设计人员在设计过程中，还需要依据现场实际开工情况对管道设计进行优化和完善，保障管道设计的安全性和合理性，提高工作效率。
6 结束语
设计化工装置管道的过程中，需要做好应力因素的慎重分析，其对管道系统安全性有着重要意义。只有了解了管道应力详细因素，才能够更好地设计需要规避与考虑的问题，保障管道安全性与稳定性。以管道应力类型为出发点，简单介绍了不同种类的管道应力，希望设计人员能够通过了解与区分不同应力现象与需要控制的要点。结合本文所提出的应力控制、应力设计思路，选用最佳的解决方案，保障应力问题能够得到有效处理。
参考文献：
[1]唐永进.压力管道应力分析.中国石化出版社，2010.
[2]李晓亮.化工装置中安全阀工艺设计和附属管道应力分析【D】大连理工大学，2018.