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1.管道應力簡介
為研究并有效控制管道的強度及剛度破壞，就產生了應力這一概念。材料因為外界因素而出現變形現象時，會在材料內部各部分之間形成一種相互作用的內力，進而對這種外因作用形成有效的沖擊，這種內力旨在使材料由變形后的位置恢復到變形前的狀態，而應力系指截面某一點單位面積上的內力。鑒于此，管道應力的影響因素并不包括管子及其構件的實際規格、壁厚，可是，外部荷載的因素使得材料所形成的應力超過材料強度標準，也就意味著管子及其構件極有可能會出現強度破壞的故障。
1.1管道分類
管道在壓力荷載、機械荷載與熱負荷等影響下，整個管路或某些區域會形成不同的應力，鑒于此，管道上的應力，通常包括下面三類：（1）一次應力：因為外加荷載的影響為形成的應力，其本身和外力處于平衡狀態。（2）二次應力：因為變形被約束，進而形成的正應力或是剪應力，并不會直接和外力處于平衡狀態。（3）峰值應力：因為荷載或是結構形狀所產生的局部突變，進而形成的局部應力集中的較高應力值。
1.2管道應力分析目的
管道應力分析旨在將管道的強度、剛度及振動等難題妥善處理，運用科學的方式，有效布置、安裝、配置管道，基本要求包括下面幾點：（1）保障管道系統設計安全性管道安全性能的總體要求涵蓋了耐壓強度、耐腐蝕性及密封性。（2）保障裝置運行的安全性要是管道布置存在安全隱患，就會導致整個裝置運行過程中存在極大的風險，還會存在各種應力難題。例如，在溫度變化的條件下，管道會形成過大的熱應力，進而引發下列問題：設備管口被拉壞或是頂壞的風險增加，各管件連接處被破壞，甚至會導致燃燒或是爆炸的嚴重事故。此外，要是動力設備，如果震源的激振和管系固有頻率一致，整個裝置系統就會產生共振的現象，這時候，設備及其相連的建筑物就會被嚴重損壞。
2.需要進行詳細應力分析管道的確定方法
分析管道應力的時候，一定要針對具體管道進行應力分析，因為不必要分析全部管道的應力。但若沒有分析需要進行詳細應力分析的管道，就會使得整個裝置運行的安全隱患較大。鑒于此，針對具體的管道進行詳細應力分析尤為重要，而管徑、溫度以及所連接的器材是管道需不需要應力分析的主要判斷依據是：要是管徑相對較大、溫度較高，或是與管道相連的設備在整個系統中非常重要的話，詳細應力分析的操作是必不可少的。此外，管內介質、配管規范性及配管設計師的技能同樣會影響需要詳細應力分析管道的范圍。鑒于此，各個領域、各個工程單位，甚至不同項目在類型不一致的管道，其應力分析的范圍及相關規定同樣是不同的。本文深入分析石油化工管道柔性設計規范（SH/T3041—2002）中的相關規定。
2.1管道柔性設計分析方法
管道柔性設計方法：簡化分析方法、計算機分析方法。一定要分析管道相連裝置種類、管道操作溫度、公稱直徑等，運用的分析方法。
2.2管道柔性設計中的計算機分析方法
此種分析方法的適用情況主要包括下面幾種：管道運行溫度-50~400℃；連接加熱爐、反應器或是汽輪機、蒸汽發生器的管道；與離心泵、離心壓縮機往復式壓縮機相連的管道；管口需要施加特殊受力的。運用柔性設計中的計算機分析方法，應該預先運用簡化分析的方式，然后針對具體的管道開展詳細分析的操作。
2.3可不進行柔性設計的管道
不需要進行柔性設計的管道：柔性較大的管道；對直徑、壁厚一致，沒有支管裝置，兩端處于固定狀態，不被中間所限制，滿足SH/T3041—2002的，并且不失極度危害或者高度危害介質類型的管道。
3.CaesarⅡ的理論基礎以及應用范圍
在工程施工過程中，受力點的應力狀態均具備一定的復雜性，因此，這種狀態下所進行的材料試驗，相對于單向拉伸而言，其操作難度更大。因此，在表述具體問題的時候，一般會選擇強度理論闡述的方式。強度理論其實就是圍繞實驗結果，聯系縝密的推理及判斷，設定存在一定邏輯性的假說。按照材料來劃分的話，包括流動破壞與斷裂破壞這兩種破壞形式，而強度理論包括下面四種：較大拉應力理論、較大伸長線應變理論、較大剪應力理論、形狀改變比能理論，分別對應的是及時至第四強度理論。由于第三強度理論形式相對簡單，也不存在概念模糊的缺點，在二向應力存在的情況下，根據第三強度理論得到安全性較高的理論結果，這也是其在工程中得到普及的重要原因。CaesarⅡ軟件其實就屬于一種梁單元模型，并且在此基礎上創設了有限元分析方式，其剛性件就屬于一種典型的假定單元模型，變形的問題不會在局部產生。CaesarⅡ能夠在大型管系、鋼結構分析中非常適用，其數據庫中存在ASMEB31系列與國際標準，進而使得應力校核趨于規范化、合理化，并且性及可行性較高，當然，其中的API、WRC、NEMA等也是非常關鍵的，可以使得敏感設備、動設備受力校核的合理性得到強化。
4.管道應力分析的程序
4.1接收三維圖
要是已經獲得相關指令，得知應該進行詳細分析，就可以基于此，編制詳細應力分析管道表。然后，負責此項目的配管工程師就能夠開始設計并且規劃，繪制科學、可行的三維圖，下面是配管工程師應該提交到應力工程師處的內容：（1）管徑、壁厚改變點；（2）管道外載荷位置；（3）保溫材料改變點及保溫厚度；（4）對分析結果關心的位置。（5）管道的設計溫度、設計壓力與相應的改變位置；（6）管道約束點、支吊架點與給定位移處；（7）管道材料改變點；
4.2模型的建立
建立模型其實就是將需要開展分析操作的力學模型，按照特定規范，使得力學模型更加具體化，設計成可以機算的數學模型：（1）導入各項單元數據；（2）將管系轉化成節點相連的單元；（3）邊界范圍。Caesar所構建的人機對話界面非常完善，這就使得錄入操作更加便捷，并且能夠完成初步的錯誤檢查，這就能夠使得輸入效率得到極大的強化。CaesarⅡ能夠完成各項動力分析，包括地展譜剖析、時間歷程剖析等。要想計算程序得到簡化，同樣能夠運用靜態等效分析的方式來進行地震分析等動態分析。在實際運用的過程中，分析不同管系的時候，應該做到下面幾點：（1）通常來說，修改程序的背景溫度應該控制在21.1℃。當然，不同項目所處的地理環境不同，所以溫度肯定也不同，因此一定要有機結合項目的具體狀況，統一規定并且修訂相應的內容；（2）導入彎頭單元。程序中彎頭的曲率半徑一般是1.5D，有的時候能夠手動導入；（3）導入剛性單元。剛性單元的范圍包括管道上的閥門、法蘭、小型在線設施等；（4）邊界范圍的劃定。其中就涵蓋了位移邊界條件、力邊界條件及彈簧邊界條件，運用Caesar工具能夠進行彈簧計算及人工校核彈簧；（5）工況的組合。程序能夠顯示推薦工況的實際性能，但是載荷與均布載荷并未集中到工況組合，還需要借助人工操作完成這些信息的加入。
5.結束語
在整個石油化工裝置中的管道設計過程中，管道系統運行安全性的主要影響因素就是管道的應力分析。而CaesarⅡ的應用，能夠有效促進管道應力分析質量及水平的提升，并且有效提升管道系統的整體質量及水平。但是CaesarⅡ還存在一些不足，因此，應該在實踐過程中，不斷優化完善此軟件，進而有效提升整個系統運行的安全性及質量。
