管道应力分析杂谈（之一） 碧唯科技 梁尤海
怎么开始做管道应力分析？
我想这是很多刚接触管道应力分析的工程师们面临的问题。在软件中搭好模型，设置好边界条件，运行软件，报告显示一次应力和二次应力在许用应力范围内，ok，done。罗列出支吊架受力表格，根据受力选择支架...如果一次应力超了，调整一下支架跨距；如果二次应力不过，加加π型弯，改改走向或者直接祭出大招，加补偿器。当然，往往经过这一通操作后，你可以得到貌似完美的结果。但是，管道应力分析远远不止这些。在我的基础理论培训视频里，也许你还记得，我说过管道应力分析一个系统的分析，为什么？
管道应力分析的目的：保证管道安全，保证设备口安全。大家想想，管道就是用来传输介质的，它从设备口出发，经过一系列的管件再连接到设备口。一个工厂的核心生产部分，除了电气仪表等控制系统，还有什么跟应力分析不相关？基础、钢结构都主要为支撑管道和设备服务的。
既然管道应力分析涉及面这么广，怎么做，才会更从容，才会对自己分析的结果更有信心？
至少下面这些东西是你开展应力分析工作前必须要搞清楚的。
1
理清管道所属行业的特点
这个部分最基础，不同行业有各自特点，应力分析侧重不同，关注点各异。如果是电力行业，你分析的是蒸汽管线。电力是能源，与人们生活、工农业生产息息相关。电停了，只要还喘着气儿的，即使你家上下十八代，都得炸毛。特别小年轻们，直面侮辱尚可苟且，手机没电那可真是要了亲命。因此，稳定的电力供应会被放在特别优先级的位置，那么生产电力的工厂，它的安全稳定运营是不是就特别尤其非常的重要？那么管道材料许用应力取值就会相对保守一些，校核公式里面的安全裕量参数能取保守的，绝对不会铤而走险。比如三通和弯头的应力增大系数，面里面外谁大就用谁。蒸汽的高温属性决定了金属管道需要大量的热胀空间，普通硬邦邦的支吊架显然不能大量使用，管子需要足够变形空间，如果大量使用刚性支吊架，就只能增加无穷的弯头增加柔性，那么管道的阻力随着增加，蒸汽的能量都用来推弯头了，到汽轮机叶片早杨威了。所以，弹簧支吊架就会是更合理的选择，通通吊起来，妥妥的分配重量，管道轴向的热胀就轻松多了。但悬吊吊的管子舒展要求是达到了，蒸汽的不稳定供应，在管内瞎胡乱冲撞一通，特别面对阀组的开闭，蒸汽冲击会引起管道的振动。新的副作用又得引入新的药，阻尼器又进入视线。再说，这种管线竖直方向也不能变形过大，为啥？蒸汽冷凝而成的水会积累在低洼处，达到一定量，被蒸汽推动下，会肆无忌惮的冲击弯头、三通、阀门等，因此，严格控制管道挠度也成为管道应力分析必须重视的方面...
如果是工艺管道，介质的特性又会成为关注的重点，腐蚀、有毒、易燃易爆、高压等，我们无法绕开这些特性。这类管子不得不给予更多重视。
如果具有腐蚀性，管材的选择，腐蚀裕量的赋予就会成为侧重；如果有毒、易燃易爆，一次二次应力会有意多留余地，阀门法兰会被保证绝不泄漏，管口也不会任性的不管不顾；如果高压，增加柔性方面，你不可能轻易就用膨胀节，即使用也会特别谨慎。当然，如果你是化工厂，你待在你的围墙里，不会像电厂那样牵动每个人的心。比起动力管道，材料的许用应力就会谨慎的放宽。但管道走向的复杂和十分有限的空间，决定了支吊架的选择比电厂更精细化。
这时管道柔性的设计不仅需要管道走向的配合，更需要合适的支架、补偿器的配合。我想，为了增加柔性，你可能不会贸然就接受改变管道的走向（前面空间问题我白说了？），支吊架类型、位置的调整会是很大一部分工作内容，补偿器类型的选择也会时时在你脑海闪现。
如果是长输管道，没了动力管道对安全的声嘶力竭，也没了工艺管道走向的千回百转。但它翻越万岭千山，横跨千丘万壑的本领足以让其独树一帜。
谁都不想每天24小时的在深山、平原、水下、桥上守着它。谁也不想几万公里的齐齐整整的铺上一大排管子。
那它得大，得皮实。因此管道重量的分配就会成为重心，支架的跨距的设置是不是得更花心思，支架重量分配的均匀性是不是得考虑，你总不能一万个支架，搞一万种大小和类型吧，动不动就几千公里，那么多支架都独成一派，会玩儿死人的。
它的材料也会有独特之处，强度一定要高，韧性绝对要好。而大自然是公平的，你不能好处都占尽是吧。
有了高强度和高韧性，这种钢材的屈服极限和拉伸极限就会很接近，因此管道的应力就不能超过屈服极限了（你应该知道安定性条件是允许管道有限的进入屈服的）。许用应力就会以屈服极限为标准，严格的控制在屈服以内了。
又说它的长途跋涉，难免会进入地下。埋地段成为长输管道的又一特色。埋地管道有土壤的均匀支撑，省了很多重量分配的分析。但土壤的亲密接触，让管道不能轻易的热胀冷缩，所以埋地管道的柔性设计又成了分析的中心点，锚固段、可动段都有自己的特点。
再者，输油和输气还各有特色，油一般不进城，管子行走在荒郊野岭。气，不仅游走野外，还会进入城市，甚至入住千家万户。人口密集的地方，漏出来把人给烧了甚至炸了，即使没搞着人，毁了人家车那也是严重的。所以，安全的要求会截然不同，这就涉及到许用应力的取法，安全系数的裕度都有所差别，最终另成一类，配以额外的规范。
如果是热力管道呢？它也个性十足。穿街过巷，百里送温暖，但它不仅占地还影响市容，因此大部分都只能埋在地下。
也许你会说，那，这不就是长输里面的埋地段吗，有什么特别的。不，你见过哪个输油输气管子120度的，发高烧么？输油输气管道介质的温度不会离开常温太多，热胀通常不是它关注的重点。而热力管道的应力分析，热胀是我们唯一care的存在。虽然没了架空管道重量分配带来支架选择的苦恼，但土壤包裹带来的热胀不畅是架空管道柔性设计无法比拟的。
再来说埋地管道材料的差异，引起的校核方式差别。
输油输气管道材料具有很高的强度、韧性，但是屈服强度和拉伸极限很接近，再加上持续传输让管道温度变化差异不大也不频繁，疲劳的情况并不常见，屈服极限成了应力评判的上限。安定性条件允许管道适当超过材料屈服极限显然不能在这个领域滥用。然而，城市集中供热管道材料一般不会选择这种高强度高韧性的材料，一方面出于经济的考量，一方面热力管道温度变化差异大。秋有红衰翠减、冬有折胶堕指，管道运行，中通热水，温度超过100℃；春暖花开、炎炎夏日，管道停止运行，温度回到常温。普通的碳钢管道，屈服极限和拉伸极限相隔较大。如Q235B，屈服极限235MPA，而拉伸极限甚至能达到460MPA。此时，我们是无法忽视235到460MPA这段空间材料承受能力的，加上热力管道每年温度变化循环可能引发的疲劳破坏，在校核选择方案时理所应当的用到了安定性条件。因此，许用应力的选用就明显有别于长输管道了。
2
管道分段分析，隔离小系统
一个工厂的管道往往成百上千根，作用不同，温度压力各异，尺寸千差万别，有的敏感，有的特殊，有的相互连接犹如蛛网。是一口气将整个工厂的管道都模拟出来进行分析，还是分段模拟各个击破？我更倾向于各个击破。管道应力分析与配管设计需要紧密协作，频繁互动。两者不是明显的先后关系，说同时进行也不为过。当配管工程师完成一根管道的初始走向设计，应力分析应该马上跟进，通过应力校核确定管道是否需要增加柔性，增加支架，是否需要更改走向，然后反馈给配管工程师。
试想，配完所有管道再进行分析，如果出现上述情况，限于空间，限于设备口方向，限于其它设备结构位置，配管工程得有多糟心？另外，管道配完再进行分析，分析是有时间需求的，如果需要更改，配管会进一步消耗时间。从整个工程设计进度看，应力分析的时间是完全可以融入到配管时间里面的。同时，根据应力分析的结果，支吊架的设计，钢结构的设计也可以提前跟进（但是，我发现很多管廊设计工作，在管道应力分析之前就完成了，不知道依据在哪，哈哈~）。
那么一个问题就出现了，到底管道怎么分段隔离，才不至于影响其应力分析准确性？
原则上，以某根管道从设备口出再接入另一设备口这个区间为一个独立封闭空间，单独分析。因为设备一般固定在基础上，管嘴互不干涉，管嘴上的管道作用力一般不会影响到同一设备上另一管嘴连接的管线受力。
当然，如果是动设备，比如泵、压缩机、透平、汽轮机，最好将进出口管线建在同一个模型里。因为这些动设备管嘴校核在一些常用软件里可以同时进行，比如CAESARII。这样避免进口、出口管线单独做校核设置，节约一点时间。调整管道时，更方便观察相互位置，给将来有可能的设备吊装保留空间等。在某些特殊情况下，我们也可以将固定支架作为隔离分析的点。典型的情景，如果在已经服役的管线上添加管线（这种情况很多），我不能无脑的破坏原有管线受力情况，同时还要保证新接管线的安全。
我们往往选择将原有管线也模拟出来和现有管线同时分析。从接口开始，一直到原有管线第一个固定支架或者一直到设备口结束，这是原有管线的隔离分析点。如果节点是固定支架，还需要分析新加管线后，固定支架受力是否增加，增加幅度大不大，如果太大，原有固定支架能否承受得住？如果节点是设备口，要根据新分析设备口受力再次做设备口安全校核。
原有管线不能调整是我们新加管线分析和设计的最大难点，如何通过调整新加管线，使其增加给原有管线的受力达到最低。
了解了前面的两大方面，或许我们就可以开始真正的准备应力分析工作了。一根管道，你要准确的分析，模型准确的重要性不言而喻了。那么模型的准确到底包含哪些方面，为什么还要继续准备呢？还是在下一篇杂谈里说吧。
我主要是担心，躺在床上的你，拿着手机，看到这儿的时候已经快要睡着，手机别砸脸上了。
