超详细！一文详讲管道应力分析内容、原则和方法

管道应力分析指在工程设计领域，进行管道设计时，为了判定其布置安全、合理，支吊架设计正确，而对管道进行的受力情况分析。

应力分类
应力分析通常包含一次应力和二次应力两类，一次应力引起的断裂破坏和二次应力引起的疲劳破坏。
一次应力：由机械外荷载引起的正应力和剪切应力，它必须满足外部荷内部的力和力矩的平衡法则。
特征：一次应力是非自限性，它始终随所加载荷的增加而增加，超过材料的屈服极限或持久强度时，将使管道发生塑性破坏或总体变形，因此在管系的应力分析中，首先应使一次应力满足许用应力值。

二次应力：由于变形受到约束所产生的正应力或剪应力，它本身不直接与外力相平衡。
特征：1.管道内二次应力通常是由位移载荷引起的（如热膨胀、附加位移，安装误差，振动载荷）；
2.二次应力是自限性的，当局部屈服和产生少量塑性变形时，通过变形协调就能使应力降低下来；
3.二次应力是周期性的（除去安装引起的二次应力）；
4.二次应力的许用极限是基于周期性和疲劳断裂模式，不取决于一个时期的应力水平，而是取决于交变的应力范围和交变的循环次数。

分析原则
管道应力分析的原则：管道应力分析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、管道支承或端点附加位移造成应力问题。

1.管道柔性
管道柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念，表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其它位移变形的能力。
进行管道设计时，应在保证管道具有足够的柔性来吸收位移应变的前提下，使管道的长度尽可能短或投资尽可能少。在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑管道端点的附加位移。设计时，一般采用下列一种或几种措施来增加管道的柔性：
1）改变管道的走向；
2）选用波形补偿器、套管式补偿器或球形补偿器；
3）选用弹性支吊架。

2.摩擦系数
除非另有规定，在进行管道柔性分析时摩擦系数应作如下考虑：
滑动支架：钢对钢 0.3、不锈钢对聚四氟乙烯 0.1、聚四氟乙烯对聚四氟乙烯 0.08、钢对混凝土 0.6
滚动支架：钢对钢（滚珠） 0.3、钢对钢（滚柱） 0.3
注：滚珠沿轴向运动时应采用滑动摩擦系数．

3.合格标准
管道柔性设计合格的标准：
1）管道上各点的二次应力值应小于许用应力范围；
2）管道对设备管口的推力和力矩应在允许的范围内；
3）管道的最大位移量应能满足管道布置的要求。

4.柔性设计管道
应进行柔性设计的管道：
1）进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道；
2）进出汽轮机的蒸汽管道；
3）进出离心压缩机，透平鼓风机的工艺管道；
4）进出离心分离机的工艺管道；
5）进出高温反应器的管道；
6）温度超过400℃的管道；
7）利用图表或其他简化法初步分析后，表明需要进一步详细分析的管道：
8）与有受力要求的其他设备相连的管道。

分析内容
管道应力分析主要包括静力分析和动力分析。
静力分析包括：
1.压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算，防止塑性变形破坏；
2.管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算，防止疲劳破坏；
3.管道对设备作用力的计算，防止作用力太大，保证设备正常运行；
4.管道支吊架的受力计算，为支吊架设计提供依据；
5.管道上法兰的受力计算，防止法兰泄漏；
6.管系位移计算，防止管道碰撞和支吊点位移过大。

动力分析包括：
1.管道自振频率分析，防止管道系统共振；
2.管道强迫振动响应分析，控制管道振动及应力；
3.往复压缩机气柱频率分析，防止气柱共振；
4.往复压缩机压力脉动分析，控制压力脉动值。

管道承受的荷载
下述是管道在运行中可能会承受的荷载：
1.重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等；
2.压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力；
3.位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；
4.风荷载；
5.地震荷载；
6.瞬变流冲击荷载：如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击；
7.两相流脉动荷载；
8.压力脉动荷载：如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动；
9.机械振动荷载：如回转设备的振动。

分析方法
管道应力分析的方法有：目测法、图表法、公式法、和计算机分析方法。选用什么分析方法，应根据管道输送的介质、管道操作温度、操作压力、公称直径和所连接的设备类型等设计条件确定。

此外，管道应力分析还可以利用管道设计软件AutoPIPE。AutoPIPE是专用于管道应力分析的高级综合软件工具。其直观的建模环境和高级分析功能有助于提高工作效率，改进质量控制效果。通过实现与领先的工厂设计应用程序的互用性，可以确保管道应力工程师、结构工程师和CAD设计师之间获得高效的工作流。

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