化工设计中的管道应力分析
对于管道来说，通常其处在内压和持续外载以及冷缩的条件下，相应的最大应力往往会超出材料的屈服限度，加之高温管道出现的应力松弛，相应的管系的应力状态也会出现极大的变化。针对不同种类的应力，应做出与之相对应的处理，这样所达到的限定效果才会更为理想。通常情况下，管道的应力主要分为一次应力、二次应力和峰值应力等三类。
1.1 一次应力
所谓一次应力，主要是因外加荷载等形成的应力，例如压力和重力等。具体来看，其并不能自我限制，且会随着荷载的增加而增加，在超过材料的极限时，管道即会出现塑性变形甚至是破坏的情况。另外，管道所受到的风载荷以及地震载荷同样属于一次应力，相应的处理可根据其具体的特征进行。
1.2 二次应力
所谓二次应力，主要是因热胀冷缩等因现实存在的约束形成的应力。因其有着一定的自限性，因此并不与外力平衡，即便受到超过极限的荷载，也能在一段时间后使应力降低，相应的材料之前发生的形变也能恢复原样。
1.3 峰值应力
此类应力主要是在管道或附件局部结构不连续或是局部热应力效应的条件下形成。具体来看，其的变形并不突出，但却会在短期内出现根源性的衰减，疲劳裂纹或是脆性破坏多与其有关。另外，管道附件上小半径圆角以及焊缝不佳所形成的应力也属于这样的情况。
（1）汽轮机进出口的连接管道以及离心式压力机进出口的连接管道等，这些管道有着特定的需求，且在应力上有着一定的要求，因此应重点关注相关的分析;
（2）泵进出口的连接管道应注意直径或是温度方面的具体情况，直径较小或是温度高于230℃或低于- 20 ℃的情况都应进行精细的分析;
（3）那些与炉子连接的管道，如果其公称直径等于或大于150 mm，而相应的温度处在等于或高于230℃的条件下，就应展开应力方面的分析; 同时在化工设计阶段中考虑到管道应力的存在需求，应综合性的分析管道的实际长度以及管道的承载能力，并且在应用的时候要考虑到管道应力的存在范围，从而在实践阶段中能够按照应力的需求将针对性的设计方案构建出来。
（4）对于与空冷器连接的管道，如果其公称直径等于或大于150 mm,而温度则处在等于或高于120℃的条件时，相应的也应进行应力分析;
（5）如果是一般类型的管道，存在以下情况其中一种的就应进行应力分析:
① 温度处在大于或等于340℃的管道;
② 冷箱或存在冷装置的管道;
③ 公称直径等于或大于150 mm且温度处在大于或等
于230℃的条件时，极低的温度一般处在- 20℃以下也应进行应力分析;
④ 所有的衬里管道;
⑤ 技术要求应重点处理的管道或内部绝热的管道。
对于管道的应力分析来说，主要涉及静力和动力两种。需要注意的是，一个管系对动态荷载和对同等大小静态荷载的响应并不相同。由于静态荷载是缓慢地累积增加，管道系统内部能够做出一定的反应和调整。而动态荷载则会在短期内出现巨大的变化，这样管系就很难及时地做出调整，而荷载不平衡的情况就会随之出现。对于静力分析来说，应重点关注以下内容:
（1）对压力荷载和持续荷载条件下的一次应力进行计
算分析，其应力值没有超过管材应力限制的即代表合格。
（2）对管道热胀冷缩和端点附近位移载荷条件下的
次应力实施计算，操作时应防范疲劳破坏的不良情况。这方面处理的过程中，应重点关注热胀许用应力，通常其的范围应以如下公式所得到的结果为准:
σA= f(1.25σC+ 0.25σh)
式中L:σA-热胀许用应力范围;
σC,σh-等代表的是热态和冷态管材的许用应力;
f-代表的是工作年限内管道应力降低的系数。
通常情况下，如果一次应力小于许用应力值，那么剩余部分一般可加到上式中的0.25σh项内，这样的处理对于整体性的设计更为合理，在应力方面也会更为均衡。
（3）对于管道对设备作用力的计算来说，应谨防作用力较大的情况，以切实地保障设备的正常运行。需要注意的是，设备的管嘴应力应控制在出厂的既定标准内，离心泵和加热炉等也应符合国家相关的技术标准，相应的计算也应符合行业的相关要求。
（4）对管道支吊架实施计算，以为后续相关的设计提供有利的条件。
（5）对管道上的法兰受力进行计算，以确保这方面处理的规范严谨。通常来看，管道上的法兰应力应保持在70 MPa以下。精确地来讲，法兰的外力和力矩可作为当量压力分析的基础，通过其与管道设计压力相加，即可得到法兰的设计压力。所涉及动力分析，一般包括以下几个方面的内容:
①管道自振频率的分析，以防管道系统出现不良的共振。
②管道强迫振动的响应分析，通过管道振动和应力的
控制具体落实。
③ 对往复式压缩机的气柱频率实施分析，切勿出现气柱共振的不良情况。
④ 对往复式压缩机的压力脉动实施分析，以为相关处理的稳定与高效提供切实的保障。
配管方面的设计应符合既定的技术操作的标准，且应保证设备和机泵以及管道等受力的稳定，以为其稳定安全地运行提供基础的保障。鉴于以上的基本情况，具体设计和施工的过程中，应重点关注以下问题。
4.1 合理地选用和设置管道支吊架
这方面的处理对一次应力和二次应力以及管系振动等都有着显著的功效，因此应重点关注。具体设置的过程中，应确保管道符合最大跨度的要求，支架应布置在靠近荷载的部分，这样即能有效地减少偏心荷载等不良的情况。此外在设计的过程中，考虑到管道应力的要求还可以在设备管嘴位置安装承重支架，从而能够切实的消除管嘴的应力。通道对于二次应力来说，它的引起原因主要是在关系变形收到阻碍以后形成的。所以在设计上要考虑到二次应力的范围，正确的选择支架，使其能够满足关系应力变形的需求。同时在设计时按照实际需求，对管系的位移方向进行预测，然后选择特定的方式对管道进行限位。比如，针对一些具备强烈振动的管系，则要选择独立支架进行支撑，并且做好固定隔离，如此才能将振动力抵消。另外在相关参数选择的时候，还需要按照受力点做好相关受力特征的分析，例如在管道转角位置处，由于此类的冲击压力是比较大的，因此还可以采用比较坚硬的固体在转角位置进行加固，减少压力过大而出现的各种问题 。
4.2 增加管道柔性
管道柔性对管道变形的影响较大，相对来说其的作用比较突出。一般可通过以下方式增加管道的柔性:
（1）改变管道的走向，以提升管道的自然补偿能力。
这样的处理更为便捷且运行稳定，同时成本方面更易接受。
（2）选用补偿器。此类仪器的补偿性较为突出，且制造比较简便，但成本较高。
（3）选用弹簧支吊架。在增加管道柔性的同时，还需要考虑到管道应力的受力点及受力特征，在具体设计上除开采用相应的支架之外，还需要对管道的材料规格进行合理处理，确保管道自身的引力能够从根本上消除。
4.3 施工时采用冷紧方法
具体操作的过程中应通过冷紧法进行，以降低初期管道对端点的推力和力矩。另外，这样的处理在防止法兰连接弯矩较大等产生的不良情况也极为有效。
在化工设计过程针对管道应力的确定一定要满足相关的规定要求。在计算管道压力时需要综合分析工况危险因素，即是对管道的压力恶劣环境之下产生的变化，同时还要对管道的温度、压力之间存在的相互关系进行全面的分析；分析管道应力时，一般按照需求合理的软件综合性测定管道应力的动力特征、静力等方面特征，并且以《压力管道规范》相关标准作为基础进行设计。最后在设计环节中为了减少管道受到应力震落出现管道破损等情况，还要对管道的厚度及承压计算，保证各方面的参数值均符合规范要求。
综合以上论述，在化工设计当中作为一个负载的过程管道应力的设计需要通过精确性的参数计算才能满足实际需求。所以在管道应力分析时，需要借助科学的设计软件对管道应力参数设计，并且在设计时要从分考虑管道静力机动力性能，从而在掌握限定值的基础上，减少应力过大出现的各种安全事故。在本文研究中，对管道应力设计的思路进行了探讨，提出了相关的设计措施，目的在于提升化工企业的发展水平。
