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关于化工管道应力分析和柔性设计探讨摘要：在化工管道的设计工作中，设计人员需要对管道材料和应力进行全面分析，保证管道的使用效果。
因此，相关设计人员要注重对管道进行应力分析，强化管道的柔性设计，保证管道的结构质量，为化工企业的生产经营提供根本保障。
本文主要关于化工管道应力分析，并探讨柔性设计。
关键词：化工企业；管道应力；管道柔性设计；结构质量在化工企业中，管道应力分析是化工管道设计过程中尤为关键的一环，而就其中的化工管道设计而言，也是整个化工工厂设计中非常重要的组成部分。
一、化工管道应力的基本分类第一，管道一次应力是指管道外加载荷，如在管道设计工作中，经常遇到的重力和压力是常见的一次应力。
由于这种应力作用不会受到限制，使得一次应力成为管道无法抵制的外力和压力。
所以，无论管线如何变形，都需要承担非自限性的一次应力。
管道在设计过程中，需要充分考虑一次应力的影响，通过合理的设计来保证管系受力能够满足一次应力外载负荷的要求。
此外，管道材料的选择会影响管道的设计质量和使用效果，因为管道在实际使用过程中，容易发生塑性变化，导致管道出现破损和震动等问题，使得管道承受不同负荷，加大了管道的一次应力。
第二，管道二次应力是由于管道变形受约束而产生的正应力或剪应力。
二次应力的特点是具有自限性，随着管线的变形而减小。
管道在受到温度影响，热胀冷缩导致管道变形产生的应力为二次应力。
二次应力产生的原因还有管道相连的设备沉降不均匀等。
第三，管道峰值应力主要是因为在设计过程中，其结构中的某些零部件会出现松动现象或者脱落问题，导致管道的一次应力和二次应力出现迅速增加的现象。
虽然管道的峰值应力不会导致管道结构出现塑性变形，但是，管道的整体结构会慢慢损坏，从而导致管道在使用过程中出现裂缝、裂痕等现象，直接瓦解管道整体结构，失去使用价值。
图1 化工管道二、化工管道应力的分析方法第一，经验判断法主要针对运行状态良好，且柔性相当或相同的管道。
利用以往的工作经验或者已经完成分析的管道进行新管道的类比分析。
管道设计中的应力分析和处理技巧刘进辉摘要从管道应力产生的原理和处理方法出发，明确的阐述了应力处理的原则。
分步叙述了管道的补偿、管道柔性分析方法的选择，图解简化计算、判断式、计算机分析中的一些技巧和方法。
主题词应力补偿管道上的应力一般分为一次应力、二次应力和峰值应力。
一次应力是指由管道所受外力荷载引起的正应力和剪应力。
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。
峰值应力是管件的局部结构不连续，有应力集中，或有局部热应力，附加到一次应力和二次应力的总合。
一次应力和峰值应力在确定的管道和管道环境中是不会变化的，这里我想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，就会使推力不在增加，塑性变形不在发展，即有自限性。
对于塑性良好的材料，一次伸缩即使产生较大的变形也不会破坏。
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。
一、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界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：右图是一“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。
基于应力分析的化工管道柔性设计分析摘要：伴随着我国社会经济的不断发展，化工行业也蒸蒸日上，在百姓的生活经济中扮演者重要角色，因此对于化工管道的安装要求也逐渐增高。
本文主要对基于应力分析的化工管道柔性设计进行分析。
关键词：应力分析；化工管道；柔性设计引言化工工艺管道的伴热设计可防止管道内部的介质凝固、分离、冷凝，还能使管道内部长期保持一个温度。
简言之，伴热设计能优化管道内部的性能，从而实现热量有效传输。
1柔性设计的目的及要求化工管道的特殊性相对较强，除了介质具有很强的危险性以外，在管道沿线位置处存在大量的机械设备，当管道内的介质升温或者降温的过程中，管道将会产生热胀冷缩反应，进而对周围的设备和其它类型设施产生作用力，设备或者其它类型设施会对管道产生反作用力，此时，管道所承受的应力将会大幅提升，对于部分管道而言，其刚度相对较高，在对设备或者其它设施施加作用力的情况下，可能会对设备或者其它设施产生一定的破坏，因此，在对管道进行设计研究的过程中，需要尽可能提高管道的柔性。
2基于应力分析的化工管道柔性设计分析2.1化工工艺管道伴热设计基于应力分析的化工管道柔性设计分析之一是化工工艺管道伴热设计。
在化工工艺管道伴热设计中，应采取套夹伴热的方式，以免出现化工热量消散过多的现象。
实际上，使用管道输送化工介质期间应考虑到介质终端温度、管道内部温度，确保二者温度相同，如二者温度不一致，就要考虑温差问题。
与其他伴热管道方式相比，该方式更有利于保护热能和补充热能。
工作人员应注意管道内部凝点，确保凝点不超过50 ℃。
此时，在根据管道材料选择伴热方式。
在工程中，工作人员应用管道进行气体输送时，应用伴管伴热这一方式的次数较多。
相关工作人员可根据实际情况选择伴管种类，现阶段，常用的伴管种类有两种，分别是蒸汽伴管、夹套伴管。
当装置工况下管道内部积累大量凝固蒸汽，此时，工作人员可考虑选择套夹伴管进行输送。
实际安装期间，工作人员需考虑到伴热设计基本要求选择伴管安装。
管道应力分析和计算
目次
1 概述
1.1 管道应力计算的主要工作
1.2 管道应力计算常用的规范、标准1.3 管道应力分析方法
1.4 管道荷载
1.5 变形与应力
1.6 强度指标与塑性指标
1.7 强度理论
1.8 蠕变与应力松弛
1.9 应力分类
1.10 应力分析
2 管道的柔性分析与计算
2.1 管道的柔性
2.2 管道的热膨胀补偿
2.3 管道柔性分析与计算的主要工作2.4 管道柔性分析与计算的基本假定2.5 补偿值的计算
2.6 冷紧
2.7 柔性系数与应力增加系数
2.8 作用力和力矩计算的基本方法2.9 管道对设备的推力和力矩的计算
3 管道的应力验算
3.1 管道的设计参数
3.2 钢材的许用应力
3.3 管道在内压下的应力验算
3.4 管道在持续荷载下的应力验算
3.5 管道在有偶然荷载作用时的应力验算3.6 管系热胀应力范围的验算
3.7 力矩和截面抗弯矩的计算
3.8 应力增加系数
3.9 应力分析和计算软件。
1 范围本标准规定了：（1）管道在内压、持续外载作用下的一次应力和由于热胀、冷缩及其它位移受约束产生的热胀二次应力的验算方法，以判断所计算的管道是否安全、经济、合理；（2）管道由于热胀、冷缩及其它位移受约束和持续外载作用产生的对设备的推力和力矩核算方法，以判明是否在设备所能安全承受的范围内；（3）管道应力分析方法的选择依据；（4）支吊架的选用原则.执行本规定时，尚应符合现行有关标准规范的要求。
本规定适用于石油化工企业承受静力载荷的碳素钢、合金钢及不锈钢管道的柔性设计2 引用标准《石油化工企业管道柔性设计规范》SHJ41《石油化工企业管道设计器材选用通则》SH3059《石油化工钢制压力容器》SH3074《石油化工企业管道支吊架设计规范》SH3073《化工厂和炼油厂管道》ANSI/ASME B31.3《API－610/NEMA－SM23》上述标准所包含的条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。
在标准出版时，所示标准均为有效。
所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用上述标准最新版本的可能性。
3 一般规定3.1 管道柔性设计应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移和管道支撑设置不当等原因造成的下列问题：一.管道应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏；二.管道连接处产生泄漏;三.管道推力和力矩过大,使与其相连接的设备产生过大的应力和变形,影响设备正常运行。
3.2 在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑下列管道端点的附加位移：一.加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移;二.塔或其它立式设备产生热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；三.管壳式换热器及其它卧式设备滑动支座移动造成连接管道的附加位移；五.几台设备互为备用时，不操作管道对操作管道的影响；六.不和主管一起分析的支管，应将分支点处主管的位移作为支管端点的附加位移；七.根据需要，应考虑固定架和限位架的刚度影响。
化工管道设计中的管道应力与柔性设计策略分析摘要：本文将对化工管道管道应力的设计内容进行分析，探讨化工管道设计中的管道应力与柔性设计策略，为化工管道安全生产和生产效率提供有价值的参考，提高化工管道生产质量，促进化工产业的可持续发展。
关键词：化工管道设计；管道应力；柔性设计策略随着科技水平的不断发展，我国的化工产业也有了突飞猛进得进步，但是，虽然化工产业获得了很大的进步，但是这几年化学安全事故产生的次数也越来愈多，其中造成安全事故发生的主要原因就是化工管道的安全隐患。
化工生产本是一项复杂性的系统性工程，化工生产内容、生产条件、生产内容都具有特殊的要求，化工管道在化学生产中就是将生产物料进行输送、传导，这直接关系化学生产效率和施工人员的生命安全。
因此，为了切实保障化工生产工作的稳定进行，需要从根本上解决化工管道生产中存在的问题，全面掌控化工管道的设计工作，严格按照化工产业设计标准，分析、研究和论证对管道对应力。
针对我国目化工管道设计来说，化工管道设计中管道应力设计水平较高，出现问题的主要原因就是因为采取科学有效的措施发挥化工管道应力的作用，在设计管道应力实施措施的时候，管道柔性设计也具有相当重要的作用。
1化工管道管道应力概述管道用力的主要内容就是静力分析和动力分析。
其中静力分析的主要目的就是得到管道的应力值，然后在得到准确性的数据以后开展化工管道的设计工作，这样可以有效保障工业管道设计工作有效进行，切实提高工业生产安全稳定性，工业管道变形、震动等想象的发生以及降低工业安全事故发生频率，有效提升化工产业的生产效率，静力分析的应用方法就是利用计算机对工业管道的荷载力来判断工业管道可以承载的外界载力。
除此之外，管道应力静力分析的主要内容还包括了分析工业管道作用力，在分析工业管道作用分析的过程中，具有严格的标准约束分析过程，保证作用力分析的准确性和规范性。
动力分析的内容主要就是包括了管道震动与管道系统的震动频率，全面分析管道震动以及管道系统的振动频率，这样可以更好地控制管道应用，以此来提升工业管道的荷载力。
今天借这个机会和大家共同学习和探讨一下管道柔性分析与应力计算以及应力计算软件CAESARⅡ。
我们作为管道工程师，配管是我们的主要工作，占据了我们大部分工作时间。
一般情况下，管道工程师在配管完成后，应将临界管系提给管道机械工程师进行管道柔性分析与应力计算，通常也简称为应力分析。
我们在配管完成后，为什么要进行管道应力分析呢？主要有以下几个原因：第一个原因是为了使管道应力在规的许用围，保证所设计的管系及其连接部分的安全性。
第二个原因是为了使管口荷载符合标准规的要求。
第三个原因是为了计算支撑和约束的设计荷载。
第四个原因是为了计算管道位移，从而选择合适的管架。
第五个原因是为了解决管道动力学问题，比如说：机械振动，声频振动，流体锤，压力脉动，安全阀的排放等等。
最后一个原因是为了帮助配管优化设计。
这些原因呢也构成了管机工程师需要完成的工作任务，对这些容呢后面我们会作进一步学习。
今天我们学习的容包括以下五个部分:1.管道应力分析的相关理论和基础知识。
我们简单的学习一下与管道应力分析相关的一些理论和基础知识。
2.管道应力分析的理解和工作任务。
3.实际工作中的管道应力分析的工作过程。
4.管道的柔性设计。
5. CAESARⅡ管道应力计算程序。
我们首先一起学习一下应力分析的理论基础一管道应力分析的相关理论和基础知识。
应力分析的相关理论和基础知识涉及的容是非常广泛的，象是材料力学，结构力学，有限元，弹塑性力学等等。
今天我们只学习和它关系最为密切的一些容。
如果有兴趣的话，大家可以在以后时间里进一步学习其他相关知识。
我们学习的第一点是强度理论在管系上的任一受力点，往往受到多方向应力的作用，例如：轴向应力，环向应力，剪切应力的作用。
这些应力会对管道材料的力学性能产生影响，严重时将使管道材料失效或产生破坏。
这种影响程度通常用“当量应力强度”来衡量，而定量求解应力强度则要依据相应的强度理论。
涉及的强度理论主要有四种：第一种是最大主应力理论。
最大主应力理论指出材料发生断裂破坏时，其受力横截面上的最大主应力既是最危险的应力。
第二种是最大变形理论。
最大变形理论是指材料发生断裂破坏时，最大变形是受力横截面上最危险的情况。
第三种是最大剪切应力理论。
最大剪切应力理论是指材料的破坏或性能失效，仅取决于材料所受的最大剪切应力。
第四种是变形能理论。
变形能理论是指材料的破坏或性能失效，取决于材料单位体积变形所积累的位能（即变形能），当其达到临界值时，则视为最危险的情况。
目前，美国和我国的管道设计规均依照最大剪切应力强度理论编制和实施，也就是我们前面谈到的第三个理论，此理论认为：材料最危险的应力应是当其达到屈服点时的最大均匀剪切应力，而该值正好等于最大主应力与最小主应力之差。
我们学习的第二点是管道承受的荷载及其应力状态分析，这一点是我们作为管道工程师，在工作中经常遇到的。
管道上承受的荷载有很多种，常见的有以下几种：（1）压力荷载化工管道多承受压，也有管道在负压状态下运行，承受外压，如真空，减压装置中的一些管道。
压在管壁上产生环向拉应力和纵向拉应力。
而外压则在管壁上产生环向压应力和纵向压应力（2）重力荷载什么是重力荷载呢？比如象管道自重，保温重，介质重，管道上的积雪重等都属于重力荷载。
重力荷载可使管道产生弯曲应力，扭曲应力，纵向应力和剪切力。
刚才谈到的压力荷载和重力荷载在管道上产生的应力都属于一次应力。
那么什么是一次应力呢？所谓的一次应力，是指由于外加荷载，象刚才提到的压力和重力，他们的作用产生的应力。
一次应力的特点是：它满足与外加荷载的平衡关系，随外加荷载的增加而增加，没有自限性，{没有自限性就是说应力随着荷载的增加而增加。
当管道产生塑性变形时，荷载并不随之减少。
} 当应力值超过材料的屈服极限时，管道将产生塑性变形而破坏。
（3）位移荷载管道由安装状态过渡到运行状态时，由于管介质温度的升高或降低，管道产生热胀或冷缩使之变形。
与设备相连接的管道，由于设备温度的变化，从而热胀冷缩引起端点位移，端点位移也会使管道变形。
以上这些变形使管道承受弯曲，扭曲，拉伸，剪切等应力。
这种应力属于二次应力。
二次应力是由于管道变形受到约束而产生的应力，它不直接与外力平衡。
二次应力的特点是具有自限性。
就是说当管道局部超过屈服极限而产生少量塑性变形时，应力就能降低下来，不再成比例增加。
管道上的二次应力一般由热胀冷缩和端点位移引起。
(4) 偶然性荷载包括：风荷载，地震荷载，水锤冲击及安全阀动作产生的冲击荷载。
这些荷载都是偶然发生的临时性荷载，而且不致于同时发生。
在一般静力分析中，不考虑这些荷载。
如果是大直径高温管，高压剧毒，易燃易爆的管道应予以计算。
从上面的容我们可以看出：压力，重力，风，地震，冲击等外力荷载和热膨胀的存在，是管道产生应力问题的主要原因。
其中，热膨胀问题是管道应力分析所要解决的最常见和最主要的问题。
以上就是管道承受荷载及其应力状态分析的全部容。
下面我们共同学习一下应力计算方法的分类及应用围应力计算对于简单管系可采用人工计算，对于复杂管系则采用计算机计算。
下面我就介绍一些主要的计算方法：（1）表算法（人工手算）对管系特性要求：适用于一个端点固定，其余端点释放的简单管系。
能够计算出的结果：力矩，应力，位移（2）弹性中心法（人工手算）对管系特性要求：仅适用于无分支且两端点刚性连接，角位移为零的简单管系。
能够计算出的结果：力，力矩，应力。
没考虑管道自重，约束，集中荷载的影响，不能计算斜管，弧形管。
（3）应变能微分法对管系特性要求：适用于环状多分支且始端点固定，末端释放的简单管系。
能够计算出的结果：力，力矩，应力。
不考虑剪切变形和轴向拉压变形。
（4）等值刚度法（程序计算，属位移法）对管系特性要求：适用于非环状多分支复杂管系。
能够计算出的结果：力，力矩，应力，位移。
缺点是：不能计算环状闭合管系。
我国电力系统开发的管道应力计算程序的理论基础就是等值刚度法，此程序可计算管道压，自重，热膨胀，端点位移等荷载所产生的应力和各点位移，还可自动选择弹簧支架。
（5）追赶位移法和始参数位移法，这两种适用于环状多分支复杂管系。
（6）有限单元法（属位移法）对管系特性要求：适用于环状多分支复杂管系。
能够计算出的结果：力，力矩，应力，位移。
（计算结果考虑了剪切变形和轴向拉压变形）CAESARⅡ应力计算软件的理论基础就是有限单元法。
下面我给大家介绍一下有限单元法。
有限单元法的基本思想是，将形状复杂的连续体划分为有限个单元，这些单元形状相对简单，具有一定的规则，并在节点上互相连结，也就是用有限个单元的集合体来代替原来具有无限多个自由度的连续体。
把连续体划分为形状相对简单的单元后，首先对这些单元进行深入研究，得出规律，再将这些单元集合起来进行分析，得到整个连续体的解答。
由于单元的分割和节点的配置比较灵活，即使边界复杂，也可使边界节点落在实际边界上，较好的模拟边界。
在应力集中的区域可以设置较多的节点，这样可提高分析精度。
刚才介绍有限元的时候我们学到了节点，那么怎样设置节点才能合理有效地划分单元呢？通常管系中下列情况下需要设立节点：1）几何定义点，比如：管系的起点，终点，方向的改变点，相交点，管径壁厚改变点等。
2）操作条件变化处，比如：温度，压力变化处。
3）定义元素的刚度参数，比如：管子材料的改变，刚性元件或膨胀节4）定义边界条件，比如：约束或附加位移。
5）建立精确的动力模型。
6）定义节点的荷载条件，比如：保温材料重量，附加力，地震作用，风荷载，积雪荷载等等。
7）需要从应力分析中得到计算结果处。
以上这些地方一般情况下需设立节点。
在进入下面容前，我们先学习几个名词解释：1．共振何谓共振？什么是共振？共振是指当作用在系统上的激振力频率等于或接近于系统的固有频率时，振动系统的振幅会急剧增大，这种现象称为共振。
2．气体的压力脉动往复压缩机的活塞在气缸中进行周期性的往复运动，引起吸排气呈间歇性和周期性，管气体压力不但随位置变化，而且随时间作周期性变化，这种现象称为气体压力脉动。
3．疲劳破坏疲劳破坏是指，在循环荷载的作用下，发生在构件某点处局部的，永久的损伤积累过程，经过足够多的循环后，损伤积累可使材料产生裂纹，或是裂纹进一步扩展直到完全断裂。
疲劳损伤一般发生在应力集中处，例如管道的三通，弯头。
这几个名词在下面的容中要用到，所以我们在这里先学习一下。
下面我们进入第二大部分学习容。
二管道应力分析的理解和工作任务1.管道应力分析的理解管道应力分析的直接理解，应该是通过计算得到管道及其附件的应力分布及数值。
但是，通常我们所说的管道应力分析工作却不仅仅是简单计算一下管道的应力，它是一个扩展的概念，管道应力分析的任务，实际上是指对管道进行包括应力计算在的力学分析，并使分析结果满足标准规的要求，从而保证管道自身和与其相连的机器设备和土建结构的安全，这是一个连续的，系统的工作。
2．管道应力分析的工作任务可分为静力分析和动力分析静力分析是指在静力荷载的作用下对管道进行力学分析，并进行相应的安全评定，使之满足标准规的要求。
管道静力分析的任务主要有四项：第一项：计算管道中的应力并使之满足标准规的要求，保证管道自身的安全。
第二项：计算管道对与之相连的机器设备的作用力，并使之满足标准规的要求，保证机器设备的安全。
第三项：计算管道对支吊架和土建结构的作用力，为支吊架和土建结构的设计提供依据，保证支吊架和土建结构的安全。
第四项：计算管道位移，防止位移过大造成支架脱落或管道碰撞，并为弹簧支吊架的选用提供依据。
动力分析主要指压缩机和泵进出口管道的振动分析，管道的地震分析，水锤和冲击荷载作用下管道的振动分析。
目的是为了使振动和地震的影响得到控制。
管道动力分析的任务主要有五项：第一项任务：管道的地震分析，防止管道在地震中发生破坏。
第二项任务：压缩机和泵连结管道的固有频率和振型分析，防止管道发生机械共振。
第三项任务：压缩机连结管道的强迫振动分析，控制管道的振动应力，防止管道因振动发生疲劳破坏。
第四项任务：往复压缩机连结管道气体压力脉动分析，计算管气体的压力脉动，避免压力脉动值过大。
第五项任务：往复压缩机连接管道气柱频率分析，计算管气体的气柱固有频率，防止气柱共振。
三实际工作中的管道应力分析的工作过程管道应力分析的工作过程和步骤，因项目的大小和复杂程度，以及业主的要求而有所不同，但一般来讲包括以下容：首先要编制专业统一规定其次是确定需要进行应力分析的管道，也称为临界管系的判定。
确定哪些管道需要进行应力分析，是管道应力分析的一项重要容。
所有管道都进行应力分析，即不现实，也没必要。
但如果进行应力分析的管道过少，则可能漏掉某些重要管道，造成安全隐患。
所以合理的确定需要进行应力分析的管道是非常必要的。
在国外许多标准规中都对管道应力分析的围和方法作了规定。
