在工程设计领域，管道设计时，尤其针对高温高压的热力管道，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。应力分析通常包含一次应力和二次应力两类，而且根据需要对管道处于不同工况时的受力情况进行分析。
1、应力分析原则
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。
2、应力分析的目的
1.使管道应力在规范的许用范围内；
2.为了使与管系相连的设备的管口荷载在制造商或国际规范规定的许用范围内；
3.为了使与管系相连的设备管口的局部应力在允许范围内；
4.计算出作用在管道支吊架上的荷载；
5.解决管道动力学问题；
6.为了优化管系设计。
3、应力分析内容
管道应力分析主要包括静力分析和动力分析。
1.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。
2.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。
4、管道可能承受的荷载
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。
5、管道柔性设计
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。
1.管道柔性目的
管道柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道回热胀冷缩、端点附加位移、管道支承设置不当等原因造成下列问题：
1）管道应力过大引起金属疲劳和（或）管道推力过大造成支架破坏；
2）管道连接处产生泄漏；
3）管道推力或力矩过大，使与其相连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行。
2.管道柔性设计内容
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。
3.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。
4.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。
5.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。
6、冷紧问题
冷紧是指在安装时（冷态）使管道产生一个初位移和初应力的一种方法。
如果热胀产生的初应力较大时，在运行初期，初始应力超过材料的屈服强度而发生塑性变形，或在高温持续作用下，管道上产生应力松弛或发生蠕变现象，在管道重新回到冷态时，则产生反方向的应力，这种现象称为自冷紧。
冷紧的目的是将管道的热应变一部分集中在冷态，从而降低管道在热态卜的热胀应力和对端点的推力和力矩，也可防止法兰连接处弯矩过大而发生泄漏。但冷紧不改变热胀应力范围。
冷紧比为冷紧值与全补偿量的比值。
通常应尽量避免采用冷紧，在必须采用冷紧的情况下，要遵循下列原则：
1.为了降低管道运行初期在工作状态下的应力和管道对连接设备或固定点的推力、力矩以及位移量，可以采用冷紧，但冷紧不能降低管道的应力范围；
2.对于材料在蠕变条件下（碳钢380度以上，低合金钢和高铬钢420度以上）工作的管道进行冷紧时，冷紧比（亦即冷紧值与全补偿量的比值）应不小于0.7。对于材料在非蠕变条件下工作的管道，冷紧比它取0.5。对冷紧有效系数，热态取2/3，冷态取1。
3.对连接转动设备的管道，不宜采用冷紧。
4.与敏感设备相连的管道不宜采用冷紧。因为由于施工误差使得冷紧量难于控制，另一方面，在管道安装完成要将与敏感设备管口相连的管法兰卸开，以检查该法兰与设备法兰的同轴度和平行度，如果采用冷紧将无法进行这一检查。
7、支吊架
1.支吊架的作用
1.承受管道的重量荷载（包括自重、介质重等）；
2.起限位作用，防止管道发生非预期方向的位移；
3.控制振动，用来控制摆动、振动或冲击。
固定架限制了三个方向的线位移和三个方向的角位移；
导向架限制了两个方向的线位移；
支托架（或单向止推架）限制了一个方向的线位移。
2.支吊架类型
管道支吊架可分为三大类：承重支吊架、限制性支吊架和防振支架。
承重支吊架可分为：刚性支吊架、可调刚性支吊架、弹簧支吊架和恒力支吊架。
限制性支吊架可分为：固定支架、限位支架和导向支架。
防振支架可分为：减振器和阻尼器。
3.支吊架选用原则
1）在选用管道支吊架时，应按照支承点所承受的荷载大小和方向、管道的位移情况、工作温度是否保温式保冷、管道的材质等条件选用合适的支吊架：
2）设计管道支吊架时，应尽可能选用标准管卡、管托和管吊。
焊接型的管托、管吊比卡箍型的管托、管吊省钢材，且制作简单，施工方例，因此，除下列情况外，应尽量采用焊接型的管插和管吊；
1）管内介质温度等于或大于400度的碳素钢材质的管道；
2）低温管道；
3）合金钢材质的管道：
4）生产中需要经常拆卸检修的管道。
4.吊架刚度
恒力弹簧支吊架的刚度理论上为零：
刚性支吊架的刚度理论上为无穷大；
可变弹簧支吊架的刚度等于弹簧产生单位变形所需要的力。
5.恒力和可变弹簧支吊架在应用上的限制
恒力弹簧支吊架适用于垂直位移量较大或受力要求荷刻的场合，避免冷热态受力变化太大，导致设备受力或管系应力超标。恒力弹簧的恒定度应小于或等6%，以保证支吊点发生位移时，支承力的变化很小。
可变弹簧适用于支承点有垂直位移，用刚性支承会脱空或造成过大热胀推力的场合。与恒力弹簧相比，使用可变弹簧会造成一定的荷载转移，为防止过大的荷载转移，可变弹簧的荷载变化弯应小于或等于25%。
6.设计振动管道支架时，应注意下列问题
1）支架应采用防振管卡；
2）支架间距应经过振动分析后确定；
3）支架结构和支架的生根部分应有足够的刚度；
4）宜设独立基础，尽量避免生根在厂房的梁柱上；
5）当管内介质温度较高，产生热胀时，应满足柔性分析的要求；
6）支架应尽量沿地面设置。
7.支吊架位置的确定
1）应满足管道最大允许跨度的要求；
2）当有集中载荷时，支架应布置在靠近集中载荷的地方，以减少偏心载荷和弯曲应力；
3）在敏感的设备（泵、压缩机）附近，应设置支架，以防止设备嘴于承受过的管道荷载；
4）往复式压缩机的吸入或排出管道以及其它有强烈振动的管道，直单独设置支架，（支架生根于地面的管墩或管架上），以避免将振动传递到建筑物上；
5）除振动管道外，应尽可能利用建筑物、构筑物的梁柱作为支架的上根点，且应考虑生根点所能承受的荷载，生根点的构造应能满足生根件的要求。
6）对于复尽可能的管道，尤其是需要作详细应力计算的管道，尚应根据应力计算结果调整
7）管道支吊架应设在不妨碍管道与设备的连接和检修的部位；
8）管道支吊架应设在弯管和大直径三通式分支管附近；
9）安全泄压装置出口管道应根据需要，考虑是否设置支架。
8、管道设计分析工具
管道应力分析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：
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。
关注“艾三维技术”微信公众号，看直播！免费获得BIM软件7天免费试用和12个BIM软件系列教程，还有精彩案例，BIM解决方案，定期发送！
