超詳細！一文詳講管道應力分析內容、原則和方法

管道應力分析指在工程設計領域，進行管道設計時，為了判定其布置安全、合理，支吊架設計正確，而對管道進行的受力情況分析。

應力分類
應力分析通常包含一次應力和二次應力兩類，一次應力引起的斷裂破壞和二次應力引起的疲勞破壞。
一次應力：由機械外荷載引起的正應力和剪切應力，它必須滿足外部荷內部的力和力矩的平衡法則。
特征：一次應力是非自限性，它始終隨所加載荷的增加而增加，超過材料的屈服極限或持久強度時，將使管道發生塑性破壞或總體變形，因此在管系的應力分析中，首先應使一次應力滿足許用應力值。

二次應力：由于變形受到約束所產生的正應力或剪應力，它本身不直接與外力相平衡。
特征：1.管道內二次應力通常是由位移載荷引起的（如熱膨脹、附加位移，安裝誤差，振動載荷）；
2.二次應力是自限性的，當局部屈服和產生少量塑性變形時，通過變形協調就能使應力降低下來；
3.二次應力是周期性的（除去安裝引起的二次應力）；
4.二次應力的許用極限是基于周期性和疲勞斷裂模式，不取決于一個時期的應力水平，而是取決于交變的應力范圍和交變的循環次數。

分析原則
管道應力分析的原則：管道應力分析應保證管道在設計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、管道支承或端點附加位移造成應力問題。

1.管道柔性
管道柔性是反映管道變形難易程度的一個物理概念，表示管道通過自身變形吸收熱脹、冷縮和其它位移變形的能力。
進行管道設計時，應在保證管道具有足夠的柔性來吸收位移應變的前提下，使管道的長度盡可能短或投資盡可能少。在管道柔性設計中，除考慮管道本身的熱脹冷縮外，還應考慮管道端點的附加位移。設計時，一般采用下列一種或幾種措施來增加管道的柔性：
1）改變管道的走向；
2）選用波形補償器、套管式補償器或球形補償器；
3）選用彈性支吊架。

2.摩擦系數
除非另有規定，在進行管道柔性分析時摩擦系數應作如下考慮：
滑動支架：鋼對鋼 0.3、不銹鋼對聚四氟乙烯 0.1、聚四氟乙烯對聚四氟乙烯 0.08、鋼對混凝土 0.6
滾動支架：鋼對鋼（滾珠） 0.3、鋼對鋼（滾柱） 0.3
注：滾珠沿軸向運動時應采用滑動摩擦系數．

3.合格標準
管道柔性設計合格的標準：
1）管道上各點的二次應力值應小于許用應力范圍；
2）管道對設備管口的推力和力矩應在允許的范圍內；
3）管道的最大位移量應能滿足管道布置的要求。

4.柔性設計管道
應進行柔性設計的管道：
1）進出加熱爐及蒸汽發生器的高溫管道；
2）進出汽輪機的蒸汽管道；
3）進出離心壓縮機，透平鼓風機的工藝管道；
4）進出離心分離機的工藝管道；
5）進出高溫反應器的管道；
6）溫度超過400℃的管道；
7）利用圖表或其他簡化法初步分析后，表明需要進一步詳細分析的管道：
8）與有受力要求的其他設備相連的管道。

分析內容
管道應力分析主要包括靜力分析和動力分析。
靜力分析包括：
1.壓力荷載和持續荷載作用下的一次應力計算，防止塑性變形破壞；
2.管道熱脹冷縮以及端點附加位移等位移荷載作用下的二次應力計算，防止疲勞破壞；
3.管道對設備作用力的計算，防止作用力太大，保證設備正常運行；
4.管道支吊架的受力計算，為支吊架設計提供依據；
5.管道上法蘭的受力計算，防止法蘭泄漏；
6.管系位移計算，防止管道碰撞和支吊點位移過大。

動力分析包括：
1.管道自振頻率分析，防止管道系統共振；
2.管道強迫振動響應分析，控制管道振動及應力；
3.往復壓縮機氣柱頻率分析，防止氣柱共振；
4.往復壓縮機壓力脈動分析，控制壓力脈動值。

管道承受的荷載
下述是管道在運行中可能會承受的荷載：
1.重力荷載：包括管道自重、保溫重、介質重和積雪重等；
2.壓力荷載：壓力載荷包括內壓力和外壓力；
3.位移荷載：位移載荷包括管道熱脹冷縮位移、端點附加位移、支承沉降等；
4.風荷載；
5.地震荷載；
6.瞬變流沖擊荷載：如安全閥啟跳或閥門的快速啟閉時的壓力沖擊；
7.兩相流脈動荷載；
8.壓力脈動荷載：如往復壓縮機往復運動所產生的壓力脈動；
9.機械振動荷載：如回轉設備的振動。

分析方法
管道應力分析的方法有：目測法、圖表法、公式法、和計算機分析方法。選用什么分析方法，應根據管道輸送的介質、管道操作溫度、操作壓力、公稱直徑和所連接的設備類型等設計條件確定。

此外，管道應力分析還可以利用管道設計軟件AutoPIPE。AutoPIPE是專用于管道應力分析的高級綜合軟件工具。其直觀的建模環境和高級分析功能有助于提高工作效率，改進質量控制效果。通過實現與領先的工廠設計應用程序的互用性，可以確保管道應力工程師、結構工程師和CAD設計師之間獲得高效的工作流。

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