管道应力分析杂谈（之三）-校核思路及方向    碧唯科技梁尤海

      在前面两篇杂谈里面分别谈了不同行业管道的特点和管道应力分析边界条件，感兴趣的朋友可以点击（之一）（之二）两个链接进去看（见前面连载）。（本站转载文章 获作者授权）

当你做好了这些准备工作，接下来就是搭建管道模型进行分析了。在这些年做管道应力分析支持的过程中，我发现，刚接触管道应力分析的工程师往往在开始分析工作的时候遇到很大麻烦。

模型搭建没有问题，边界条件也找得有条有理。但当第一次看到分析结果的时候，麻烦来了。一次应力超了我该怎么办；二次应力不满足要求该怎么着手调整；两种应力都在许用范围内，我的分析结果可靠吗，是不是就可以得出结论了；等等。

其实，这是所有刚做应力分析的工程师们都会面临的问题。根据我和工程师们的交流和自己学习应力分析的经验，大家面临这个问题的根源就在于，对管道应力分析根本了解得不多，即使有很多知识储备，但都是零散的，不成系统。

因此，我在培训中一直试图建立大家对管道应力分析理解的系统性。尽力将大家零散、庞杂的知识串联成一张网，这样无论遇到什么问题，你的思路前后都会是相互衔接的，逻辑很重要。这也是为什么我讲课时总会花费较多的时间解释基本理论。

这篇杂谈我还是以串联应力分析前后逻辑为主，然后根据这种逻辑理出做管道应力分析的一般思路。当然，这只是我的个人经验，完全没有任何说教的意思。如果对你有用，你笑笑，如果没用你也笑笑。如果有说错的地方，可以给我留言一起讨论。还有一点要特别说明，管道应力分析杂谈纯粹是个人经验的流水账，并不是管道应力分析就得按这个来的意思。

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管道外载荷的分类

我相信大家都知道管道应力分析相关规范首先就会把管道的外载荷分成几类。为什么要分类呢？因为这些载荷具有很鲜明的特点，这些特点会让管道产生不同类型的失效和破坏。

我们并不会一刀切式的将所有载荷放在一起校核，而是根据载荷各自的特点，对管道造成破坏的机理进行分别对待。

有的载荷使管道破坏具有及时性，也就是说，这类载荷一旦超过管道材料的屈服极限，屈服就会立刻并持续发生，直到管道破坏。这类载荷对管道的破坏性是最大的，如重量。

如果某处管道支架跨距设置得不合理，重量没有合理分配，导致管道变形严重，管道应力超过了材料的屈服极限，管道就会从弹性变形进入塑性变形。因为重量是不会管你有没有屈服的，它会持续作用，直到管道材料能承受更高的应力为止。大家想想，一般的低碳钢材料进入塑性变形后，会有一段很不稳定的塑性变形过程，这个过程外载荷即使不增加，它的塑性变形也会持续。这个变形很可能让我们的管道产生极大的弯曲，在管道发生塑性变形的位置，管道是不是会减薄。减薄最直观的理解就是承受强度就变弱了，那么此时它还能承受原来的压力吗？如果热胀引起伸长或缩短，这些地方是不是很容易被拉断。还有，这些大幅度的变形弯曲显然还会带来一些列的问题，比如气态管道，这些地方会不会变成积液坑，介质的流通会不会变得不顺畅等等。这些情况都可以让管道失去正常工作的能力，这就是失效。

当然，如果重量分配的极度不均匀，造成一些地方管道应力超出材料的断裂极限，此时管道会直接断裂。

所以这一类载荷我们是需要非常小心的，在设计的时候就会有意让它们产生的最大应力不超过材料的屈服极限。这类载荷称为持续性载荷，这个名字很直观，就是它作用的持续性。如果达到或超过了限度，它会直接让管道失效。常见的持续性载荷有：重量、压力、风载、地震、雪载，补偿器的内压盲板力等。

但，还有一类载荷对管道的破坏并不是及时的，它需要经过一段时间的积累才会造成破坏。比如温度。

我们都知道，普通的碳钢材料在温度发生变化的时候，会有热胀冷缩的现象发生。简言之，如果是管道，温度升高的时候，它会伸长，温度降低的时候它会缩短。这个现象会给管道带来一种困扰。

管道前前后后都是用管道、设备、直接连接的。管子如果伸长，前后的管子、设备或支架会挡着它，不让它自由的变形。此时，因为热胀就会产生一种推力，用这种推力推开限制，达到伸长的目的。阻挡越强硬，热胀推力就会越大。当这种推力达到一定程度就会让管道本身产生屈服甚至破坏，也会把支架推翻，甚至把设备管嘴推坏。

但这种推力还有一个很大的特点，因为它是管子伸长被限制才会产生的载荷。管子的长度是一定的，温度也是一定的，所以总的伸长量是确定的。如果我们有条件的给管道伸长的空间，热胀伸长满足了，是不是就不存在这个推力了？确实是这样，但是管道前后连接的特性，管道不可能完全自由的伸长。推力是客观存在的，让管道前后变形更容易一些，让管道伸长虽有阻挡，但不至于艰难。

热胀推力大小计算公式EAaδT，E是材料的弹性模量，A是材料截面面积，a是线胀系数，δT是与常温的变化值。不难看出，热胀推力大小受温度影响是很大的。热胀伸长量计算公式aδTL。假设管子需要伸长10mm，不给任何伸长空间，热胀推力为N；我们给予它5mm的伸长空间，管子就只剩下5mm不能伸长，这5mm就相当于δT只剩原来的一半了，那么热胀推力就降低一半为N/2。大家想想是不是这个道理。

那么根据上面的例子，我们是不是可以得到这样一种推理：热胀推力的大小是在随着热胀伸长的发生而逐渐降低，如果管子伸长完全被满足，推力可能为0。这是一种符合逻辑的推理。

从前面的推导，我们发现热胀推力这种载荷确实有它的特别之处。重量等持续性载荷，它的大小是不会因为管子发生变形而发生变化的，这就是所谓的持续作用；而热胀载荷的大小是会随着管子的变形逐渐降低的，我们称这类载荷为自限性载荷，常见的如温度、沉降、设备管嘴热胀等。

那我们根据实际情况来想想，当管道、设备、支吊架安装完成后，某段管道前后都有管道连接，或设备、支架限制。温度上升，这段管道似乎没有任何可伸长的空间，那它产生的热胀推力就会非常的大，正因为这种很大的推力迫使相连管道产生变形，那么这段管道自己伸长就得到部分满足了，因此热胀推力就相应的降低了。如果这个推力降到安全范围内，管子就安全了。

因此，在设计的时候，最开始那个很大的热胀推力也许就不是我们必须重视的关键了，为啥？反正管道变形，它就会掉下来对不对。我们只要控制它在最大的时候别让管道失效就够了。

对于低碳钢材料，通过拉伸试验我们知道，材料发生一部分塑性变形是不会失去它本身的强度的，甚至还会有一定程度的加强（冷拉硬化了解下）。如果我们好好控制，在热胀推力作用下，即使让管子发生点塑性变形，也不至于导致管道失效或破坏了。

此时你可能会反驳我，说持续性载荷为啥不能这样搞？朋友，持续性载荷它是不会变化的，一旦超过屈服，它不能停下来对吗？而自限性载荷，是随着变形在降低的，发生一点塑性变形，它本身的大小就减小到不能致使材料继续变形的程度了，前面我说了，我们通过小心的控制，能让热胀载荷按照我们的想法来变化。

这个控制的度是我们设计的关键点，因为让管子发生一次塑性变形或许不会导致管道直接失效，但是如果塑性反复发生就要注意了。通常管道系统的温度是会发生变化的。比如热力管道，冬天贯通热水，管子升温，春天天气暖和，热水中断，管子降温。如果每次温度变化都让管道因为热胀推力而发生塑性变形，这些塑性变形经过一定程度的积累，管子就会产生裂纹，导致疲劳破坏的发生。

这儿就不展开说了，在我基本理论培训视频里，安定性条件了解下。

总之，管道受不同类型载荷的作用，产生的破坏是各有特点的，因此，针对不同的载荷需要用不同的校核方法，这也是规范将外载荷进行分类校核的原因所在。

了解了载荷的特点，校核的原理差别，接下来就要说校核的思路了。本来打算一篇写完，打字到此，才发现自己是多么的啰嗦。洋洋洒洒3000字，给思路只做了个序，我也是醉了，下一篇再说吧。