压力管道应力分析的内容及特点

张 亮，张 明，刘军平

（陕西延长中煤榆林能源化工股份有限公司，陕西 延长 718500）

摘  要：压力管道是指输送流体的钢管，具有承压能力高、安全性能好等优点。最高压力大于100MPa，最大允许流速小于0.1m/s，介质为气体和液化气体，通常用在石油化工、电力、冶金以及其他工业领域中。由于经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求量也不断增加，从某种程度上促进高压管网建设规模不断扩大。由于压力管道工程施工过程复杂且质量控制要求严格，因此有必要建立一套适合于该行业特点的施工管理办法确保工程质量。

关键词：压力管道应力分析；内容特点；路径探析

引言：

压力管道作为工业设备中的重要组成部分，在工业生产过程中起着非常关键的作用。然而，从当前我国压力管道检测技术现状来看，仍然存在诸多问题与不足，需要进一步优化和改进。故而，基于此背景下，技术人员与管理人员应重视对压力管道缺陷检测工作，不断提升其质量水平，完善管理规章制度，建立长效管理机制，以此保证压力管道的功能性，促进国民经济健康发展。

1 压力管道应力分析概述

1.1 压力管道的工作原理

压力管道工作原理较为复杂，需内外压力同时进行。在实际的安装过程中，由于受到外界环境以及施工质量等因素的影响，很容易导致压力管道出现泄漏问题。压力管道输送功能不仅限于流体，还具有一定的储油能力和储存空间，通过科学合理的流量设置能有效保证压力管道运行稳定，从而避免因压力管道泄漏所引发的安全事故。总的来说，压力管道工作原理为利用外压作用于管内介质，使其发生形变或者流动状态发生变化，进而实现对管系内部液体或气体物质的运输与控制。流通过程中，需保证每个环节之间相互协调配合，并不断调整参数，以达到理想效果。压力管道作为一种系统化的生产线，管道的连接性、密封性及安全性是保障整个系统正常运作的基础条件。无论哪个节点出现故障，都会直接影响到整体生产活动。之所以会出现风险，究其根本源于压力管道的特殊结构，它是一个封闭且结构复杂的容器，承受着巨大的外载荷和内应力作用。大部分压力管道材质为金属材料，虽具备较好的抗疲劳性能，但若长时间在高温高湿的工况下使用，极易产生裂纹甚至断裂，造成设备损坏和人身伤亡事故。另外，管道还要承受自然的侵袭，如雷电冲击、地震袭击、冻雨侵蚀等自然灾害。故而，要想确保压力管道安全运行，就必须从材料选择、设计制造工艺方面入手，加强日常维护管理，降低各种不确定因素对压力管道使用寿命的不利影响。设计初期应考虑到管道使用可能存在的隐患，制定完善的设计方案，防止日后因为安全隐患而引起严重后果。根据现场情况，合理布置管道敷设位置，尽量将危险区域消除在萌芽阶段，提高压力管道建设效率。最后，还应做好管道泄漏检测处理，及时排除潜在威胁。

1.2 压力管道应有作用概念

压力管道受到外力作用后，往往会产生应力集中现象，造成局部或整个管壁的破坏。通过调节管道内部各部件之间的相互位置关系，可以使其处于不同受力状态，达到对应力分布进行调整的目的，有效消除由于缺陷引起的不均匀应力和变形。运用应力作用前，也应考虑到其副作用。应力作用是指在工作中发生的变化过程 。而副作用则是与施加载荷有关的因素（如介质、温度等）所形成的附加效应，它可分为两种类型：一种为物理性后果，即改变了管道本身的力学性能，另一种为化学性后果，即降低了管道自身的强度。为此，设计人员必须根据实际情况合理地选择结构形式及材料，对于容易出现裂缝的受力点应予以特别重视，采用补强方式加固。同时要充分考虑环境条件、设备运行工况以及外界影响等因素对管道安全性的影响，避免因应力过大导致裂纹扩展或破裂事故的发生。

2 压力管道应力分析特征

压力管道应力作用内容分为以下两类：静力作用与动力作用。其中，静力作用指的是由于管道本身材料所具有的强度和刚度等特性而导致其在工作时发生位移或者变形，使管道内部产生一定的应力。而动力作用是指由外力（如地震），机械力以及温度变化等引起的结构或设备的破坏现象，这些外界因素都会对管道造成损伤甚至引发安全事故[1]。管道构建过程中，受力情况十分复杂，尤其对于一些特殊工况下的压力管道，例如：高温环境，低温环境等等，如果不能采取有效措施进行防护的话，将会严重影响到压力管道的使用寿命。因此，加强对管道腐蚀状态监测，及时掌握管道内部裂纹及缺陷位置信息，进而采取必要的维修对策。目前国内外研究人员已将振动检测技术应用于压力管道的无损检测领域当中，通过振动信号的时域分析可以有效判断出管道内是否存在泄露，并可实现故障点定位，同时还能为制定相应的处理方案提供依据。

3 应力分类及校核准则

3.1 应力分类

3.1.1 设备管口荷载评估

设备核校过程中，根据核校方法可将其分成静设备和动设备，对于静设备而言，通常通过测量静态特性的方式获得其核校值，而对于动设备而言，则需要借助相关软件对其进行相应处理。具体操作主要包括以下几方面内容，首先，静设备核校需依据所建模型参数，确定初始运行状态，即初始条件[2]。在此情况下，为实现对移动设备的精确控制，需对该系统的运动轨迹和姿态角等信息进行实时跟踪监测。其次，若为确保动态性能良好，还应对该系统的工作环境予以分析并做出判断，其中最关键的是对系统噪声水平加以评估。在满足一定精度要求前提下，应尽可能提高系统可靠性。最后，为了保证整个系统具有较好稳定性，还应制定一套完整且有效的管理方案以保证数据质量。其中包括对用户权限，操作流程以及数据处理流程等多个环节的严格管控。而动设备核校中，当管道反力过大时，会出现“越位”现象，因此，需采用合理措施及时消除“越位”问题，具体措施如下：其一，利用ANSYS有限元分析方法建立管系结构三维实体单元模型，模拟管道实际受力状况，计算出各部件应力分布及变形量。其二，通过改变管段直径与壁厚比，研究管径与管壁厚比值大小对管系抗内压能力的影响规律，发现随着管长增加或厚度减小，均能降低管系所受外压力。同时也表明了增大管材径厚比可以提升抗内压性能，但过大反而使管系失效风险升高，故宜选取适当尺寸。其三，考虑到管系间存在相互影响关系，如发生错开时，可能引起较大振动甚至引发安全事故，建议将阀芯设置在靠近阀座处，减少其产生共振[3]。

3.1.2 支架受力核校

压力管道支架受力要考虑全温差工况与极端操作工况，且其结构参数会随温度变化而改变。全温差工况对压力管道的应力分布和变形有重要影响，在设计过程中必须进行详细计算以确定最大允许应力值，当环境温度较高时（如-50℃），管道内介质具有一定的相变潜热。因此，采用传统计算方法时需要根据实际情况修正模型或简化计算结果满足工程应用要求，由于受材料本构关系、边界条件等因素影响，有限元分析结果存在较大误差，不能真实反映管道在各种工作状态下的力学特性。为保证管道安全运行需开展多方案对比研究，提出基于ANSYS/LS—DYNA的全温环境下变截面管道温度场分析方法。该方法通过建立管系三维瞬态传热数学模型并求解得到管段内外表面温度梯度场。然后将此温度场作为荷载施加到管道上，模拟管道在变温载荷作用下的应力场及位移场，获得不同工作温度下管道的应变、应力及位移响应规律。随着温度升高，各测点轴向力呈先增大后减小趋势，沿管壁方向径向力和切向力均逐渐降低，同一位置处的环向压应力随壁厚增加而增大，切向拉应力则相反[4]。同时，沿环向周向也呈现相同规律，靠近内壁处周向上各点轴向力都大于外壁，远离外壁区域内周向上各点径向力与切向力均小于外壁上部，从中心至边缘，圆周上径向力总体呈现出逐渐减小的变化趋势。当环向拉力达到最大值时，该处发生屈曲失稳破坏，此时管道出现了明显的塑性流动现象。反之，沿着管壁由内至外，环向力表现出线性递增的变化规律。

3.1.3 管道位移评估

管道位移有竖向和水平两个方向的位移，工程设计中通常采用以最大主应力为控制条件的设计方法。该设计方法原理为通过对管土作用分析得到相应的极限承载力及变形值，将其代入公式即可获得工程所需的内力与挠度。但是在实际情况下，由于受诸多因素影响，管道位移是一个具有不确定性的变量。为了更准确地计算出管道位移量，本文提出了一种新的计算方法：基于Monte Carlo模拟技术的非线性回归分析法（简称NLSA法）[5]。利用此分析方法可以确定管道轴向力、弯矩、剪力等主要受力参数之间的关系以及各主要参数随时间变化的规律。通过实例对比表明，在不考虑土质条件时，NLSA法较常规最小二乘法更能精确地反映出管-土相互作用机理，同时还能给出一些重要力学指标如弹性模量E_d、泊松比μ以及有效黏聚力c的变化规律。在此基础上，进一步建立了三维有限元模型来研究不同工况下大口径压力钢管道纵向位移特性。结果表明，E1=0时，随着管径增大，管壁径向位移逐渐减小，当E2>0时，径向位移基本不变或略有增加，但均小于规范规定。当管径变大时,E3>0时，管壁径向位移迅速增大且超过规范限值，E4>0时，则呈下降趋势。因此，应根据具体的结构形式选择合理的截面尺寸，避免发生局部失稳现象，并尽量使荷载分布均匀化。对于长径比较小的管线，若不能满足强度要求，可适当缩小壁厚，以降低施工难度。另外，从数值计算结果看，当外压一定时，随着埋深增加，管道内表面处出现拉应变。而内压达到某临界值后，拉伸应变会急剧升高，这说明在结构设计时应充分考虑埋深和埋设位置两个因素对管道稳定性的影响。

3.2 应力核校准则

3.2.1 压力检测

给管道进行压力检测目的在于对其运行状态和缺陷状况做出判断，进而为管道的维修提供依据[6]。管道压力检测过程中，需要使用多种传感器采集数据信息，其中包括各种不同类型的信号，这些信号之间相互耦合、相互影响，形成了复杂的非线性关系。如今，基于BP神经网络算法的管道压力检测方法被得到广泛应用，该方法具有良好的泛化能力、容错特性以及容错性能等优点。因此，在实际应用中，可以将这种新型的智能优化学习算法——遗传算法（GA）与传统的人工神经网络相结合，构建一种新的多参数组合预测模型，从而实现对管道压力的高精度预测。

3.2.2 无损检测

第一，磁粉检测技术在整个磁场环境中，其周围的介质都是一种电磁波。当被检材料处于这种电磁场环境之中时，它就会受到电磁信号和电场强度变化所产生的电磁力作用而发生变形或移动，并以各种不同形式表现出来。根据这些现象可以对被检件进行定性与定量的判断，从而达到无损探伤目的[7]。磁记忆是利用铁磁性物质表面上存在着一定数量的磁化点或缺陷后，在外加交变电流激励下，该部分磁化点会随时间发生变化而引起相应值变化的原理来测量应力集中部位，通过分析记录到的特征曲线来确定裂纹及内部是否有损伤等信息。第二，管道在使用中难免会出现裂缝，一般情况下，裂缝处由于承受了较大的压力，容易使管壁破裂。因此需要对管内流体流动过程中因外力造成的管外液体泄漏量进行实时监测，以便及时发现隐患并采取相应措施，保障设备安全运行。目前常用的方法主要有漏液法（漏液传感器），涡流法以及超声波法等几种方法。漏液法具有不受外界环境影响，操作简单方便，可实现连续在线监测等优点。涡流法是基于感应电动势理论基础之上的新型检测仪表，具有抗干扰能力强，精度高，响应速度快，安装维护简便等特点[8]。另外，电磁超声检测技术还具有非接触检测的优势，能够有效避免被测对象直接与探头相接触，消除干扰因素影响，提高探测精度，扩大应用范围等一系列优点。

4 结束语

应力在化工装置中的压力管道运行中是一个非常重要的环节，它影响着整个系统的安全稳定。因此在设计过程中应该对其进行分析和计算，以保证其安全性。但是由于各种因素的干扰，使得实际计算结果与理论结果之间存在一定差距，从而造成了巨大的经济损失。为此，有必要找出引起偏差的原因并加以改进，以此推动我国化工行业健康发展。

参考文献：

[1] 唐萍,陈永贵,颜孙挺,金南辉,凌张伟,李锋.高温浓硫酸压力管道应力分析及柔性设计优化研究[J].化工设备与管道,2021,58(03):77-82.

[2] 扎西平措,次仁欧珠,阿旺顿珠.压力管道应力分析[J].设备管理与维修,2021(02):91-92.

[3] 陈立晖.压力管道应力分析的内容及特点研究[J].四川建材,2020,46(01):217-218.

[4] 严哲钦.压力管道的弯管与直管连接结构应力分析[J].化学工程与装备,2018(12):203-205.

[5] 李靖.压力管道应力分析[J].中国石油和化工标准与质量,2018,38(10):151-152.

[6] 李剑.压力管道应力分析的内容及特点[J].化工管理,2018(14):93.

[7] 梁业隆.特种设备—压力管道应力分析的内容及特点[J].居舍,2017(26):149-150.

[8] 孔权.压力管道应力分析的内容及特点[J].城市建设理论研究(电子版),2017(13):232-233.