近年來石化裝置的大型化，是我國和世界發(fā)展的一個(gè)重要趨勢，由此帶來了壓力容器和壓力管道的參數(shù)化，即向著大尺寸、高溫、高壓以及深冷的方向發(fā)展。在我國神華集團(tuán)煤液化項(xiàng)目中，甚至出現(xiàn)了外徑達(dá)5500mm、壁厚達(dá)344mm、重約2000t的鍛焊加氫反應(yīng)器，對于這樣的鋼制壓力容器，采用應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。例如，一個(gè)單重1000t的加氫反應(yīng)器按分析設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)比常規(guī)方法設(shè)計(jì)可減輕設(shè)備重量約20%，節(jié)省投資1000~1200萬元。越來越多的鋼制壓力容器和壓力管道采用應(yīng)力分析方法設(shè)計(jì)，壓力容器有了JB4732《鋼制壓力容器--分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，以及ANSYS和VAS等應(yīng)力分析軟件。相對于壓力容器而言，目前我國壓力管道應(yīng)力分析還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，國家標(biāo)準(zhǔn)GB50316《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》和有關(guān)管道應(yīng)力分析的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基本上是參照ASME B31系列，至于鋼制壓力管道應(yīng)力分析，則主要是遵循ASME B31.3的要求。管道應(yīng)力分析不僅僅局限于局部應(yīng)力的分析和判別，必須兼顧整個(gè)管系，在優(yōu)化配管的設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。可以說離開它，配管設(shè)計(jì)將寸步難行。按照應(yīng)力的性質(zhì)分，分為靜力分析和動(dòng)力分析兩大類。

壓力管道應(yīng)力分析及理論

1.1靜力分析包括：

（1）壓力、重力等載荷作用下的管道一次應(yīng)力計(jì)算--防止塑性變形破壞；

（2）熱脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移等載荷作用下的二次應(yīng)力計(jì)算--防止疲勞破壞；

（3）管道對機(jī)器、設(shè)備作用力的計(jì)算--防止作用力過大，保證機(jī)器、設(shè)備的正常運(yùn)行；

（4）管道支吊架的受力計(jì)算--為支吊架設(shè)計(jì)提供依據(jù)；

（5）管道上法蘭的受力計(jì)算--防止法蘭泄露；

（6）管系位移計(jì)算--防止管道碰撞和支吊點(diǎn)位移過大等。

1.2動(dòng)力分析包括：

（1）往復(fù)壓縮機(jī)（泵）管道氣（液）柱固有頻率分析--防止氣（液）柱共振；

（2）往復(fù)壓縮機(jī)（泵）管道壓力脈動(dòng)分析--控制壓力脈動(dòng)值；

（3）管道固有頻率分析--防止管道系統(tǒng)共振；

（4）管道地震分析--防止管道地震應(yīng)力過大；

（5）沖擊載荷作用下管道的應(yīng)力分析--防止管道振動(dòng)和應(yīng)力過大等。

管道振動(dòng)是一種機(jī)械振動(dòng)，需要說明的是：機(jī)械振動(dòng)的問題是一個(gè)世界性的難題，還需要不斷的完善和發(fā)展。

壓力管道應(yīng)力分析的目的：保證管系自身的安全，保證相連設(shè)備的安全，保證土建結(jié)構(gòu)的安全。

壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：科學(xué)合理，安全可靠，十分經(jīng)濟(jì)。但對材料、制造和檢驗(yàn)提出較高的技術(shù)要求，通常在高溫、高壓、有疲勞以及局部結(jié)構(gòu)需要分析的少數(shù)場合下采用。有些大型的儲(chǔ)存球罐的設(shè)計(jì)也采用。

壓力容器和壓力管道應(yīng)力分析都采用了固體力學(xué)中最常用和最有效的數(shù)值分析方法--有限元法，而有限元法的發(fā)展借助了兩個(gè)重要的工具：在理論推導(dǎo)中采用了矩陣方法；在實(shí)際計(jì)算中采用了電子計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元法得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并已成為解決工程領(lǐng)域中力學(xué)問題的最有效方法。

壓力容器應(yīng)力分析及理論

鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)和壓力管道應(yīng)力分析分別采用了厚壁和薄壁模型，薄壁假設(shè)認(rèn)為各應(yīng)力沿壁厚均勻分布，忽略了彎曲應(yīng)力，壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)方法也是采用這種假設(shè)；厚壁假設(shè)認(rèn)為各應(yīng)力沿壁厚是可以變化的，有彎曲應(yīng)力的存在。因而，利用厚壁假設(shè)進(jìn)行應(yīng)力分析更為精確和嚴(yán)密。根據(jù)ASME B31.3的規(guī)定，當(dāng)管道的公稱壓力大于42MPa時(shí)，薄壁模型已不再適用，應(yīng)采用高壓管道的分析校核準(zhǔn)則。

由于不同類型的應(yīng)力對損傷破壞的影響各不相同，因此便出現(xiàn)了應(yīng)力分類校核的方法，鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)和壓力管道應(yīng)力分析都遵循等安全裕度原則。在壓力容器分析設(shè)計(jì)中各種應(yīng)力的定義為：

（1）一次應(yīng)力：為平衡壓力和其它機(jī)械載荷所必需的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力。一次應(yīng)力又細(xì)分為一次總體薄膜應(yīng)力Pm、一次局部應(yīng)力PL和一次彎曲應(yīng)力Pb。

（2）二次應(yīng)力Q：為滿足外部約束條件或結(jié)構(gòu)自身變形連續(xù)要求必需的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力。主要包括邊緣應(yīng)力和溫度應(yīng)力等。

（3）峰值應(yīng)力F：由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部熱應(yīng)力影響而引起的附加在一次應(yīng)力加二次應(yīng)力上的應(yīng)力增量。

在壓力容器分析設(shè)計(jì)中將應(yīng)力細(xì)分為5類，即：一次總體薄膜應(yīng)力Pm、一次局部薄膜應(yīng)力PL、一次彎曲應(yīng)力Pb、二次應(yīng)力Q和峰值應(yīng)力F。在壓力管道應(yīng)力分析中，也人為的將應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力σI、二次應(yīng)力σII兩大類，其概念與壓力容器分析設(shè)計(jì)中的定義基本相同，只是不再細(xì)分為一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力，也沒有峰值應(yīng)力的概念。這主要是在壓力管道應(yīng)力分析中采用薄壁假設(shè)的緣故。對于彎頭、三通等幾何不連續(xù)的應(yīng)力集中，壓力管道應(yīng)力分析中采用了應(yīng)力增大系數(shù)的方法處理。而應(yīng)力增大系數(shù)的數(shù)值是由疲勞試驗(yàn)得出來的，它并不是應(yīng)力集中系數(shù)，兩者不能混淆。

在壓力容器分析設(shè)計(jì)中采用了第三強(qiáng)度理論，即最大剪應(yīng)力理論。最大剪應(yīng)力理論的當(dāng)量應(yīng)力是第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力之差，在壓力容器分析設(shè)計(jì)中，將這一當(dāng)量應(yīng)力定義為應(yīng)力強(qiáng)度。

在壓力管道應(yīng)力分析中，一次應(yīng)力是指管道縱向的組合應(yīng)力，并不是在各種情況下等于最大拉應(yīng)力。因此，一次應(yīng)力校核條件看似屬于第一強(qiáng)度理論，實(shí)際上它不與任何強(qiáng)度理論相符合，應(yīng)力是被限制在屈服限內(nèi)，并留有一定的裕度。二次應(yīng)力校核條件則來源于安定性的概念，可防止低周和高周疲勞破壞。

校核方法的比較

3.1壓力容器

鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)中各類應(yīng)力的校核條件為（為了說明簡便，考慮載荷組合系數(shù)K=1的情況）：

（1）一次總體薄膜應(yīng)力Pm≤[σ]；

（2）一次局部薄膜應(yīng)力PL≤1.5[σ]；

（3）一次總體薄膜應(yīng)力Pm或一次局部薄膜應(yīng)力PL與一次彎曲應(yīng)力Pb之和≤1.5[σ]，即：Pm（PL）+Pb≤1.5[σ]；

（4）一次總體薄膜應(yīng)力Pm或一次局部薄膜應(yīng)力PL和一次彎曲應(yīng)力Pb與二次應(yīng)力Q之和≤3[σ]，即Pm（PL）+Pb+Q ≤3[σ]；

（5）一次總體薄膜應(yīng)力Pm或一次局部薄膜應(yīng)力PL和一次彎曲應(yīng)力Pb與二次應(yīng)力Q及峰值應(yīng)力F之和≤2Sa，即Pm（PL）+Pb+Q+F≤2Sa。

[σ]為許用應(yīng)力；Sa為許用應(yīng)力幅，可從設(shè)計(jì)疲勞曲線求得。

事實(shí)上，考慮到風(fēng)載、地震載荷的影響以及壓力試驗(yàn)情況，JB4732-1995《鋼制壓力容器--分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，引入了大于1的載荷組合系數(shù)K，K的數(shù)值由其表3-3給出。

在上述校核條件中，“校核條件（1）”最嚴(yán)格。這是由于一次總體薄膜應(yīng)力的影響遍及壓力容器整個(gè)結(jié)構(gòu)，且無自限性，因此最危險(xiǎn)。“校核條件（2）”考慮了一次局部薄膜應(yīng)力的自限性和衰減性，因而它的控制條件可以放寬。“校核條件（3）”是根據(jù)矩形截面純彎梁的極限分析結(jié)果引申而來的，它考慮了屈服后應(yīng)力又重新分布的情況，也可以適當(dāng)放寬。“校核條件（4）”是根據(jù)結(jié)構(gòu)安定性的條件得到的。“校核條件（5）”是用于詳細(xì)的疲勞分析的場合。實(shí)際上，當(dāng)循環(huán)次數(shù)較低時(shí)，只要滿足“校核條件（4）”的安定性條件，便可避免低周疲勞破壞。

3.2壓力管道

壓力管道應(yīng)力分析中各類應(yīng)力的校核條件為：

一次應(yīng)力σI≤[σ]h；

二次應(yīng)力σII≤f（1.25[σ]c+0.25[σ]h）。

[σ]c為冷態(tài)許用應(yīng)力，[σ]h為熱態(tài)許用應(yīng)力，f為應(yīng)力范圍減少系數(shù)，f的數(shù)值大小與循環(huán)當(dāng)量數(shù)有關(guān)，f的取值一般為0.3~0.9。

相對于壓力容器分析設(shè)計(jì)，以ASME B31.3為代表的工藝管道的應(yīng)力分析校核條件具有以下主要特點(diǎn)：

（1）一次應(yīng)力校核條件只校核管道縱向的組合應(yīng)力，它不遵循任何強(qiáng)度理論。二次應(yīng)力校核條件實(shí)際上采用了最大剪應(yīng)力理論；

（2）在工藝管道的應(yīng)力分析中，不計(jì)算一次局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力，因此一次應(yīng)力就是一次總體薄膜應(yīng)力；

（3）工藝管道二次應(yīng)力的校核條件源于安定性條件，理論基礎(chǔ)與壓力容器一次應(yīng)力+二次應(yīng)力的校核條件完全相同，可防止低周疲勞破壞；

（4）工藝管道二次應(yīng)力的校核條件中引入了應(yīng)力范圍減少系數(shù)f，當(dāng)循環(huán)次數(shù)較高時(shí)，對許用應(yīng)力的變化范圍進(jìn)一步加以限制，從而防止高周疲勞破壞的發(fā)生。

結(jié)論

總體來講，壓力管道應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)在理論上不如壓力容器分析設(shè)計(jì)嚴(yán)密，但側(cè)重點(diǎn)各不相同。壓力容器分析設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在局部（整體結(jié)構(gòu)也做詳細(xì)應(yīng)力分析和評判），尤其是接管開孔處和結(jié)構(gòu)不連續(xù)的地方，盡量采用圓滑過渡結(jié)構(gòu)；而壓力管道應(yīng)力分析的重點(diǎn)在整個(gè)管系的應(yīng)力和柔性，通常情況下，在曲率突變的地方，例如彎頭、三通、四通、分支管等幾何不連續(xù)處并不進(jìn)行局部的詳細(xì)分析，而是采用了應(yīng)力增大系數(shù)的方法處理。實(shí)踐證明，這種方法簡單有效，便于工程應(yīng)用，也更符合實(shí)際。對于一個(gè)龐大的管系，進(jìn)行局部的詳細(xì)分析是沒有必要和不現(xiàn)實(shí)的，盡管擁有電子計(jì)算機(jī)。但是，對于極少數(shù)大管開大孔，不能使用三通的情況下，仍然需要借助壓力容器分析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行開孔處的應(yīng)力詳細(xì)分析，求得所需要的應(yīng)力增大系數(shù)，以幫助壓力管道應(yīng)力分析的正確進(jìn)行；此時(shí)，壓力管道實(shí)際上已經(jīng)成為了壓力容器，只不過以管道的形式體現(xiàn)。壓力容器分析設(shè)計(jì)和壓力管道應(yīng)力分析是現(xiàn)代過程裝置設(shè)計(jì)中的兩把利器，壓力容器分析設(shè)計(jì)中，在滿足科學(xué)合理的前提條件下，壓力容器盡可能具有足夠的剛性，尤其是壓力容器上的接管；壓力管道應(yīng)力分析中，在滿足科學(xué)合理、配置優(yōu)質(zhì)管道的前提條件下，管系應(yīng)盡可能具有良好的柔性。這樣，壓力容器和連接在壓力容器上的壓力管道，才能和諧的工作，為安全生產(chǎn)服務(wù)！正確地使用壓力容器分析設(shè)計(jì)和壓力管道應(yīng)力分析方法，并協(xié)同作戰(zhàn)，既可確保裝置安全運(yùn)行，又可發(fā)揮出其應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益，也是進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)水平的重要環(huán)節(jié)之一。