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。
软件功能
1.元件属性库
AutoPIPE包括全面的元件属性库，包括管段、大小头、三通、阀门、法兰等管件库，型钢截面库以及各种约束条件的管道支吊架库（固定支架、导向支架、弹簧吊架等）。此外，还包括根据温度和许用应力数据的基于ASME/ANSI, JIS, DIN，GB等标准的材质库。
2.弹簧吊架设计
AutoPIPE可分析计算一种或多种操作条件下的弹簧吊架，程序可根据结果直接自动选择厂商数据库中的弹簧（现有国内华东和西北电力院的标准）。
3.附属钢结构模型
AutoPIPE提供了内置的钢结构框架分析，用户可将结构支撑考虑为管道系统的一个部分进行分析。AutoPIPE内置有STAAD的型钢库，用户也可自定义型钢库。对于钢结构框架，在程序中和管道模型一样采用直观的可视化图形用户界面，用户可直观对模型和荷载条件进行定义。
4.非线性分析选项
AutoPIPE提供了包括导向支架的摩擦和缝隙，双线性弹簧吊及埋地管线等多种非线性分析的选项。用户可在支撑点指定摩擦和缝隙的参数，从而进行真实情况的边界条件模拟。AutoPIPE的独特性还在于提供指定非线性荷载次序，如，用户可指定风载、地震等在自重条件下立即进行分析，也可指定在热载下进行分析。这样，用户就可精确的分析计算非线性荷载在不同工况下的影响。
5.局部应力计算
AutoPIPE提供和WinNOZL软件的接口来对设备管嘴连接处的局部应力进行分析，可选用WRC107、WRC297、BS5500、API650等不同标准进行分析。而且，对于加强板等的计算，是AutoPIPE独有的特性，且适用于各种形状的设备。从AutoPIPE中直接导出管道系统的荷载特性进行局部应力计算，不仅大大节省时间，而且避免了人工错误。
6.有限元分析理论
AutoPIPE是采用内置的有限元分析机理来解决静力和动力条件下管道及其附属结构的应力分析的程序，但用户却并不需要有复杂的有限元理论基础。
7.动力分析
动力分析包括模态分析和自然频率分析，反应波谱分析，衰减谐波分析以及时程分析等。AutoPIPE还内置了流体的瞬时冲击合成分析。利用管网脉动分析软件PULS，用户可计算流体脉动的荷载并将其输入到AutoPIPE中进行管道应力的动力分析。
8.校核标准
AutoPIPE包含下列通用国际标准：
- ASME B31.1, B31.3, B31.4, B31.8
- Canadian CAN/CSA – Z66
- British Standards BS 806 and BS 7159 (GRP Piping Code
- Japanese MITI 501, Class 3 piping, Japanese General Fire Protection code, and
- Japanese KHK Seismic Levels 1 & 2
9.高级特性
AutoPIPE提供了诸多独特的高级特性，具体有如浪载、埋地分析、管道和管廊的相互作用、局部应力分析、时程分析、流体冲击瞬时合成、非线性摩擦、安全阀、FRP/GRP管道以及夹套管分析等。
10.质量认证
AutoPIPE通过了严格的安全认证审查，如10CFR50 App. B，ASME NQA-1，ANSI N45.2等，而且AutoPIPE 是通过核安全认证的管道应力分析软件。
如果，您对管道应力分析感兴趣，想采购管道设计软件AutoPIPE，欢迎关注“艾三维技术”微信公众号，联系我们。