管道设计中关于管道应力的分析与考虑
石油化工设计中管道的应力分析
石油化工设计中管道的应力分析在石油化工设备和管道设计中，管道的应力分析是至关重要的一部分。
管道在输送化工产品、原油和天然气等流体过程中承受着巨大的压力和温度变化，因此对管道的应力进行准确的分析和评估是确保设备安全稳定运行的关键。
本文将就石油化工设计中管道的应力分析进行探讨，包括管道的应力来源、应力分析的方法以及如何通过应力分析来优化管道设计。
一、管道应力的来源管道在石油化工生产和运输中承受着各种不同类型的应力，主要包括以下几种：1. 内压力应力：当管道内输送流体时，流体对管道内壁产生压力，这种压力会导致管道内壁产生拉伸应力。
根据管道内部流体的压力大小和管道壁厚度，可以通过公式计算出内压力应力。
2. 外压力应力：当管道埋设在地下或者受到外部负荷作用时，管道外表面会受到外部压力的影响，产生外压力应力。
外压力应力的大小取决于埋深以及地下土壤或其他外部负荷的性质。
3. 温度应力：在石油化工生产中，管道内流体的温度会经常发生变化，管道壁由于温度变化而产生热应力。
当温度升高时，管道会受到膨胀，产生热膨胀应力；当温度降低时，管道会受到收缩，产生热收缩应力。
4. 惯性应力：当管道受到流体在流动中带来的冲击或者振动负荷时，管道会受到惯性应力的作用。
这种应力通常在管道系统启停或者调节流量时发生。
以上几种应力来源综合作用于管道中，会使得管道处于复杂的受力状态，因此需要进行系统的应力分析来保证管道的安全可靠运行。
二、管道应力分析的方法1. 弹性理论分析法：弹性理论分析法是管道应力分析常用的一种方法。
它基于弹性力学理论，通过有限元分析或者解析力学方法，对管道受力、应力分布和应力集中进行计算和分析。
这种方法可以较为准确地预测管道在各种受力情况下的应力状态，但需要复杂的数学计算和较高的专业知识。
2. 经验公式法：经验公式法是一种简化的应力分析方法，常用于一些简单的管道系统。
通过经验公式计算内压力应力、外压力应力和温度应力，并考虑到管道的材料性能和工作条件，可以得到初步的应力估计。
压力管道应力分析
压力管道应力分析压力管道是工业生产和生活中常见的工程结构，广泛用于输送水、油、气等介质。
管道内部由于介质压力的作用而产生应力，这些应力的分析对于管道的设计和使用安全至关重要。
本文将从压力管道的应力计算方法、应力分布特点以及应力分析的影响因素等方面进行探讨。
压力管道的应力计算方法主要有两种，即薄壁理论和薄壁理论的改进方法。
薄壁理论是指在管道内径与壁厚比较大的情况下，将管道近似看作薄壁圆筒，应力集中在内径和外径处，通过简化计算得出管道内壁和外壁的应力分布。
该方法适用于绝大部分工程中的压力管道计算。
薄壁理论的改进方法包括厚壁筒薄壁环假设、都笑横断面假设等，通过考虑管道截面的几何形状以及内外径比等因素，提高了应力计算的准确性。
压力管道的应力分布特点主要有三个方面，即轴向应力、周向应力和切向应力。
轴向应力指的是管道轴线方向上的应力，主要由管道内压力和温度差引起。
周向应力指的是管道截面圆周方向上的应力，主要由内压力引起。
切向应力指的是管道截面切线方向上的应力，主要由内压力和薄壁理论简化计算引起。
在传统理论中，管道的轴向应力和周向应力一般为正值，而切向应力为零。
压力管道的应力分析受到多个因素的影响。
首先是管道的材料特性，包括材料的弹性模量、屈服强度、塑性延伸率等。
管道的材料特性直接决定了管道的耐压能力和变形能力。
其次是管道的几何形状，包括内径、外径、壁厚等。
几何形状的不同会导致管道内外径比和界面摩擦等因素的改变，进而影响应力分布。
再次是管道的工作条件，包括温度、压力等。
不同工作条件下管道内部介质的物理性质会发生变化，进而影响管道的应力分布。
最后是管道的固定和支撑方式。
固定和支撑方式的不同会引起管道的应力集中，影响管道的安全性。
为了保证压力管道的正常运行和安全性，需要进行应力分析以及补强设计。
应力分析主要通过有限元分析和解析方法进行。
有限元分析是一种常用的计算机辅助工程分析方法，通过将管道模型离散化为有限个单元，计算每个单元的应力和变形，进而得到整个管道应力分布的方法。
热力管道设计中的应力分析
热力管道设计中的应力分析本文对热力管道应力分析的重要性进行了简要阐述，并在此基础上，提出了热力管道应力分析的一般模式以及对管道应力分析中可能遇到的问题进行了归纳，并对解决这些问题的方法进行了相关讨论。
标签：热力管道;应力分析;荷载1 引言随着火力发电机组容量的增大，主蒸汽管道、再热蒸汽管道、主给水管道等热力管道的设计参数不断提高，管径及壁厚也随之加大，管道应力分析也受到越来越多的重视，有些投资方对设计单位的应力计算提出明确要求。
热力管道的应力，主要是由管道承受的内压、外部荷载、偶然荷载以及热膨胀等因素引起的，管道在这些荷载作用下的应力状态十分复杂。
进行应力分析与计算，是研究管道在各种荷载作用下产生的力、力矩和应力，从而判断管道的安全性，进而满足所连接的设备对管道推力（矩）的限定，同时使管道设计尽可能经济合理。
管道应力分析是热力发电厂管道工程设计的基础，对整个工程而言，通过应力分析可以优化配管、合理布置管道支吊架，以使弹簧、补偿器等管道配件方面的投资及土建投资更加合理化。
2 管道应力分析一般而言，热力管道管系多为三维空间走向，由一条或多条主管及数条支管组成，有些管系甚至会含有一个或多个环行结构。
在进行应力分析之前需根据管道走向建立管道应力分析的三维立体图，从而确定应力分析的结构参数。
2.1管系荷载的确定管系所承受的荷载大致可以分为四类：（1）压力及温度荷载：热力管道可能在几种不同的压力和温度条件下运行，在计算时应根据实际情况确定最不利的一组压力和温度条件，以便计算管道在最危险工况下的能否满足条件。
（2）持续外载：包括管道基本载荷（管子及其附件的重量、管内介质重量、管外保温的重量等）、支吊架的反力、以及其它集中和均布的持续外载。
（3）热胀及端点附加位移：管道由安装状态过渡到运行状态，由于管内介质的温度变化，热胀冷缩使管道发生形变;与设备相连接的管道，由于设备的温度变化而出现端点附加位移，从而对管道产生约束，使管道发生形变。
管道设计中的应力分析和处理技巧
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。
【管道应力分析】管道设计-3
第四强度理论： e
1 2
[(
z )2
( z
r )2
( r
)2 ]25 [ ]
强度理论
第一强度理论（最大拉应力理论）： 认为最大拉应力是引起破裂的主要原因
σ1 [σ]
第二强度理论（最大伸长线应变理论）：
认为最大伸长线应变是引起破裂的主要原因
σ1 (σ2 σ3) [σ]
第三强度理论（最大剪应力理论）： 认为最大剪应力是引起屈服的主要原因
4
确定管径方法：
（1）首先设定平均流速,按下式初算内径：
式中 Di——D管子i 内=径0（.m0）1；88 W0/vρ
W0——质量流量（kg/h）； ν——平均流速（m/s）； ρ——流体密度（kg/m3）。
（2）根据工程设计规定的管子系列调整为实际内径。 （3）复核实际平均流速。 （4）以实际的管子内径Di与平均流速v核算管道压力损失，
一次应力安全性判据是： [ ]L [ ]t
极限载荷法认为：在某结构截面上一旦发生屈服，该结 构便达到极限状态，不能再承受任何附加载荷，结构在极 限状态下承受的外载荷称之为极限载荷。这是一个防止结 构过度变形的准则。
一次弯曲应力和一次局部薄膜应力可以比一次总体薄膜 应力有较高的许用应力值。
设计温度下基本许用应力
σ1 σ3 [σ]
第四强度理论（形状改变比能理论）： 认为形状改变比能是引起屈服的主要原因
R
σ3
1 2
[(σx
σy
)2
τ
2 xy
xC
1 2
(σ
x
σy )
R σ1
(xC , yC )
σ
1 2
[(σ1
σ2 )2
热力管道设计中的应力分析
热力管道设计中的应力分析摘要：在对热力管道的工程方案设计中，进行分析时要充分考虑管线中的应力变化，在对应力分析的过程中对可能存在的问题加以总结，最后给出了有关在热力管线工程设计中相应的处理对策，并对具体的对策进行了讨论与剖析。
关键词：热力管线；应力分析；压力引言热力管线工程设计中，主要的应力范围包括管线的内部和外面以及由于压力变化所导致的膨胀等，因此在热力管线工程设计中应力是相对地较为繁琐繁杂的，而在对应力分析进行参数测算时也需要充分考虑管线所遭受的不同外界环境产生的应力的影响，及其对热力管线的正常使用所产生的限定影响。
1管道应力分析在热管设计中，一般都会有很多分支结构，有些分支结构是由很多环形结构构成的，一般都是按照三维方向来设计的，所以在热管的应力分析中，首先要考虑到热管内部的走向，然后再根据三维设计来计算。
1.1管系荷载的确定管系所承担的荷载一般可分成四种：（1）第一类的热力管线工程设计中管网本身所承担的荷载与工作温度，热力管线在工作中所承担的压力与工作温度荷载是不同的，通过热力管线的参数测算后确定最不利的一组加以处理，避免以后由于上述问题妨碍了热力管线的正常工作[1]。
（2）第二类是管系的承载力，它的内容包括：管内承受的基本载荷，管自身的自重，管中的外力和内力，以及其它的载荷。
（3）第三类是管线内的温度应力膨胀和端点位置变化，热管线在架设和运营过程中受到管道的高温变化，从而使管线内热胀冷缩变化，由于在热力管线内受到高温荷载的状态下，管线边界和设备终端会因为高温的改变而产生偏移，所以需要对热力管线端点位置变化加以控制。
（4）第四类情况就是热管线设计中要避免产生偶然性负荷，当然还有由于气候因素，地质条件等各种因素的共同影响而对管线所形成的冲击力，但是这种负荷的产生一般都是偶然性的，而且概率也不会很大，所以一般情况下以上的这些问题都不会因为同时存在而对热力管线产生危害。
1.2荷载工况在计算热力管道的参数时，既要考虑到设备的安装和工作状况，又要在管道的安装中首先要考虑到在常温下进行。
石油化工设计中管道的应力分析
石油化工设计中管道的应力分析
管道是石油化工装置中重要的组成部分之一，承担着输送介质的重要任务。
在设计石化装置中的管道时，需要进行应力分析，以保证管道在使用过程中的安全可靠性。
管道的应力分析是指对管道在内外压力、温度变化以及外部荷载作用下的变形和应力状态进行计算和分析的过程。
应力分析的目的是确定管道的受力情况，找出可能存在的应力集中点，评估管道的安全性，并采取相应的措施进行改进，以保证管道在运行过程中不发生破裂、变形和泄漏。
管道的应力来源主要有三种：压力应力、热应力和力学应力。
压力应力是由于介质的内外压力作用产生的应力；热应力是由于介质的温度变化引起的热胀冷缩产生的应力；力学应力是由于管道受到外部荷载作用产生的应力。
在进行应力分析时，常用的方法有解析法和数值法两种。
解析法是指根据管道的几何形状和受力情况，采用力学理论和公式进行计算和分析；数值法是指通过数值模拟和计算机仿真，对管道的受力和变形进行数值计算和分析。
在实际工程应用中，根据具体情况选择合适的方法进行应力分析。
管道应力分析及计算
⑽ 安全阀、爆破膜泄放反力计算；
⑾ 结构、建筑荷载条件；
⑿ 设备管口荷载、预焊件条件；
⒀ 编制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据 表；
⒁ 编制柔性件(膨胀节、软管等)采购MR文件 及技术数据表；
、各文件应包含的内容：
⑴ 工程规定内容
A、适用范围；
B、概述；
C、设计中采用的标准规范；
D、计算程序(软件)；
E、设计温度、压力、安装温度(环境温度)、压力；
F、设计荷载 — 风压值； — 地震烈度； — 雪荷载； — 土壤的力学性质；
G、临界管线表的确定准则（哪些管线该做哪类的应力分 析）；
H、计算及安全性评定准则；
I、应力分析工作流程。
J、其它
⑵ 壁厚计算
六、工程设计阶段管机专业的任务
、初步设计、基础设计阶段 ⑴ 编制工程设计规定(应力分析、管架设计) (四级签 署)； (2) 参加设备布置工作；
(3) 对主要管线的走向进行应力分析和评定。
、详细设计阶段
⑴ 修订工程设计规定(应力分析、管架设计)
(四级签署)；
⑵ 重要管线的壁厚计算，特殊管件的应力分析；
⑶ 临界管线表
管线
应力分析 非应力分析
计算机计算(BY COMPUTER）
（350°C)
简单手算(公式法、图表法) (BY FORMULA)
目测法(BY VISUAL)
C
D(固定)
公式法：
D0 •Y (LU)2
208.3
D0 — 管外径(mm) Y — 管段总位移(mm)
Y=(ΔX2+ΔY2 +ΔZ2)1/2
⑶ 编制临界管线表(三级签署) — 应力分析管线表
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管道设计中关于管道应力的分析与考虑
摘要：管道应力分析应该保证在设计的条件下有足够的柔性，为的是防止管道因为过度膨胀冷缩、管道自振或者是端点附加位移造成应力问题，在管道设计的时候，一部分管道要求必须进行管道应力分析和相关计算，同时还有一部分管道是不需要进行应力分析的，这种的管道分为两个部分，一种是根据实际的经验或者是已经成功的工程案例，在管道的设计中加上相应的弯管、膨胀节等环节来避免，所以就不需要进行管道应力分析，另一种就是管道的管径比较小，管道比较短，常温常压，不连接设备或者是不会产生振动，所以就不需要进行应力分析，文章就对管道的应力分析进行了详细的介绍说明。
关键词：管道设计应力分析柔性标准
一、管道应力分析的主要内容
管道应力分析主要分为两个部分，动力分析和静力分析：
1、管道应力分析中的动力分析
动力分析主要包括了六个方面，第一是管道自振频率的分析，为的是有效的防止管道系统的共振现象；第二是管道强迫振动相应的分析，目的是能够有效的控制管道的振动和应力；第三是往复压缩机（泵）气（液）柱的频率分析，通过对压缩机（泵）气（液）柱的频率的相关分析有效的防止气（液）柱的共振现象发生；第四是往复压缩机（泵）压力脉动的分析，起到控制压力脉动值的作用；第五是冲击荷载作用下的管道应力分析，可以防止管道振动和应力过大；第六是管道地震分析，为防止管道地震应力过大。
2、管道应力分析中的静力分析
静力分析包括了六个方面的内容：第一是压力荷载以及持续荷载作用下的一次应力计算，为的是有效的防止塑性变形的破坏；第二是管道热胀冷缩和端点附加位移产生的位移荷载作用下的二次应力计算，通过二次应力分析计算防止疲劳破坏；第三是管道对设备产生的作用力的相应计算，能够防止作用力太大，有效的保证设备的正常运行；第四是对于管道的支吊架的受力分析计算，能够为支吊架的设计提供充足的依据；第五是为了有效的防止法兰的泄漏而对管道法兰进行的受力分析；第六是管系位移计算，防止管道碰撞和支吊点位移过大
2、管道应力分析的目的
对管道进行应力分析为的就是能够使管道以及管件内的应力不超过许可使用的管道应力值；为了能够使和管道系统相连接的设备的管道荷载保持在制造商或者是国际规定的许可使用范围内；保证和管道系统相连接的设备的管口局部管道应力在ASME Vlll允许的范围内；为了计算管道系统中支架以及约束的设计荷
载；为了进行操作的工况碰撞检查而进行确定管道的位移；为了能够尽最大可能的优化管道系统的设计。
二、管道应力分析和相关设计
1、管道柔性设计的相关问题
对于管道的柔性设计为的是反映管道变形难易程度的一个物理概念，显示的是管道在通过自身变形吸收热胀、冷缩以及其他部分的位移变形的能力，在进行管道的柔性设计的时候，应该在保证管道具有足够的柔性能够吸收管道位移的应变能力的前提之下，使得管道的长度能够尽可能的短或者是投资尽可能的减少，在管道的柔性应力分析设计的时候，除了需要考虑管道本身的热胀冷缩之外，还需要考虑管道的端点的相关附加位移，在进行具体的设计的时候，一般使用下面的措施中的一种或者根据实际情况使用几种措施来增加管道的柔性：
（1）改变管道的具体走向。
（2）选择使用管道波形补偿器、套管式的补偿器或者是球形的补偿器。
（3）选择使用弹性的支吊架。
2、管道柔性设计的目的
目的就是为了保证管道在计算设计的条件下具备足够的柔性，从而防止管道回热胀冷缩、端点的附加位移、管道支架设置位置不当等相关原因造成的问题：
（1）管道的应力过大造成的金属疲劳以及管道的推力或者力矩过大造成的支架破坏现象。
（2）管道在连接的部位产生泄露。
（3）管道的推力或者是力矩过于大，使得和管道相连接的设备产生过于大的应力或者不同的变形，进而影响到设备的正常运行。
3、应该进行柔性计算设计的管道
进出加热炉以及蒸汽发生器的高温管道、进出汽轮机的蒸汽管道、进出离心压缩机的工艺管道以及透平鼓风机的工艺管道、进出反应器的高温管道、温度超过400℃或者小于-50℃的管道、与离心泵连接的管道，可根据设计要求或者图表分析后需要进行应力分析的管道、利用简化方法初步分析之后需要进一步进行详细计算分析的管道以及、设备管口有特殊受力要求的其他管道、所有的衬里管道、铝及铝合金的管道、所有重要工艺管道和内部绝热管道
4、管道应力分析结果应满足以下要求
首先管道上各点的一次应力值、二次应力值应满足标准规范的要求；其次是管道对机器、设备管口的推力和力矩应该在允许的范围之内，管道对支吊架和土建结构的作用力应在允许的范围之内；最后，往复机泵管道的固有频率应避开共振区，管道的最大位移应该尽可能满足管道布置的要求，输油、输气管道的刚度和稳定性应满足标准规范的要求。
三、结论
管道设计中对于管道应力分析的计算和设计应该考虑各方面的原因，把握管道分析的目的，按照管道应力分析中的动力以及静力分析方法，严格的按照管道应力分析的柔性设计方法，对需要进行柔性设计的管道进行计算和应力分析。
参考文献
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