管道应力计算指导Word文档格式.docx
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GB/T12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》
9>
HG/T20645-1998《化工装置管道机械设计规定》
10>
GB150-1998《钢制压力容器》
3.
专业职责
应力分析<
静力分析动力分析
对重要管线的壁厚进行计算
对动设备管口受力进行校核计算
特殊管架设计
4.
工作程序
工程规定
管道的基本情况
用固定点将复杂管系划分为简单管系,尽量利用自然补偿
用目测法判断管道是否进行柔性设计
L型U型管系可采用图表法进行应力分析
立体管系可采用公式法进行应力分析
宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道
采用CAESARII进行应力分析
调整设备布置和管道布置
设置、调整支吊架
11>
设置、调整补偿器
12>
评定管道应力
13>
评定设备接口受力
14>
编制设计文件
15>
施工现场技术服务
5.
工程规定
适用范围
概述
设计采用的标准、规范及版本
温度、压力等计算条件的确定
分析中需要考虑的荷载及计算方法
应用的计算软件
需要进行详细应力分析的管道类别
管道应力的安全评定条件
机器设备的允许受力条件〔或遵循的标准
防止法兰泄漏的条件
膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求
业主的特殊要求
计算中的专门问题〔如摩擦力、冷紧等的处理方法
不同专业间的接口关系
环境设计荷载
16>
其它要求
第二章
压力管道柔性设计
1.
管道的基础条件
包括：
介质温度压力管径壁厚材质荷载端点位移等。
管道的计算温度确定
管道的计算温度应根据工艺设计条件及下列要求确定：
对于无隔热层管道：
介质温度低于65℃时,取介质温度为计算温度；
介质温度等于或高于65℃时,取介质温度的95%为计算温度；
对于有外隔热层管道,除另有计算或经验数据外,应取介质温度为计算温度；
对于夹套管道应取内管或套管介质温度的较高者作为计算温度；
对于外伴热管道应根据具体条件确定计算温度；
对于衬里管道应根据计算或经验数据确定计算温度；
对于安全泄压管道,应取排放时可能出现的最高或最低温度作为计算温度；
进行管道柔性设计时,不仅应考虑正常操作条件下的温度,还应考虑开车、停车、除焦、再生及蒸汽吹扫等工况。
管道安装温度宜取20℃〔除另有规定外。
管道计算压力应取计算温度下对应的操作压力。
管道钢材参数按《石油化工管道柔性设计规范》SH/T3041－2002执行
钢材平均线膨胀系数可参照附录A选取。
钢材弹性模量可参照附录B选取。
计算二次应力范围时,管材的弹性模量应取安装温度下钢材的弹性模量。
6.
管道壁厚计算
内压金属直管的壁厚
根据SH3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》确定：
当S0<
Do/6时,直管的计算壁厚为：
S0=PD0/<
2[σ]tΦ+2PY>
直管的选用壁厚为：
S=S0+C
式中
S0――直管的计算壁厚,mm；
P――
设计压力,MPa；
D0――
直管外径,mm；
[σ]t――设计温度下直管材料的许用应力,MPa；
Φ――
焊缝系数,对无缝钢管,Φ＝1；
S――
包括附加裕量在内的直管壁厚,mm；
C――直管壁厚的附加裕量,mm；
Y――
温度修正系数,按下表选取。
当S0≥D0/6或P/[σ]t>
0.385时,直管壁厚应根据断裂理论、疲劳、热应力及材料特性等因素综合考虑确定。
2对于外压直管的壁厚
应根据GB150-1998《钢制压力容器》规定的方法确定。
7.
管道上的荷载
管道上可能承受的荷载有：
1重力荷载,包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等；
压力荷载,压力荷载包括内压力和外压力；
位移荷载,位移荷载包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；
风荷载；
地震荷载；
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；
两相流脉动荷载；
压力脉动荷载,如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动；
机器振动荷载,如回转设备的振动。
8.
管道端点的附加位移
在管道柔性设计中,除考虑管道本身的热胀冷缩外,还应考虑下列管道端点的附加位移：
静设备热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；
转动设备热胀冷缩在连接管口处产生的附加位移；
加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移；
储罐等设备基础沉降在连接管口处产生的附加位移；
不和主管一起分析的支管,应将分支点处主管的位移作为支管端点的附加位移。
9.
管道布置
管道的布置尽量利用自然补偿能力：
改变管道的走向,以增加整个管道的柔性；
利用弹簧支吊架放松约束；
3>
改变设备布置。
对于复杂管道可用固定点将其划分成几个形状较为简单的管段,如L形、Π形、Z形等管段。
确定管道固定点位置时,宜使两固定点间的管段能够自然补偿。
10.
宜采用计算机分析方法进行详细柔性设计的管道
操作温度大于400℃或小于－50℃的管道；
进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道；
进出反应器的高温管道；
进出汽轮机的蒸汽管道；
进出离心压缩机、往复式压缩机的工艺管道；
与离心泵连接的管道,可根据设计要求或按图1-1确定柔性设计方法；
图1-1
与离心泵连接管道柔性设计方法的选择
设备管口有特殊受力要求的其他管道；
利用简化分析方法分析后,表明需进一步详细分析的管道。
11.
不需要进行计算机应力分析的管道
与运行良好的管道柔性相同或基本相当的管道；
和已分析管道相比较,确认有足够柔性的管道；
对具有同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无中间约束并能满足式<
和式<
要求的非极度危害或非高度危害介质管道。
Do·
Y/<
L-U>
2≤208.3
――<
Y=<
⊿X2+⊿Y2+⊿Z2>
1/2
2
式中：
DO――管道外径,mm；
Y――管道总线位移全补偿值,mm；
Δx、Δy、Δz分别为管道沿坐标轴x、y、z方向的线位移全补偿值,mm；
L――管系在两固定点之间的展开长度,m；
U――管系在两固定点之间的直线距离,m。
式<
l不适用于下列管道：
<
在剧烈循环条件下运行,有疲劳危险的管道：
大直径薄壁管道<
管件应力增强系数i≥5：
不在这接固定点方向的端点附加位移量占总位移量大部分的管道；
L/U>
2.5的不等腿"
U"
形弯管,或近似直线的锯齿状管道。
12.管道端点无附加角位移时管道线位移全补偿值计算
当管道端点无附加角位移时,管道线位移全补偿值应按下列公式计算：
⊿X=⊿XB-⊿XA-⊿XtAB
⊿Y=⊿YB-⊿YA-⊿YtAB
⊿Z=⊿ZB-⊿ZA-⊿ZtAB
⊿XtAB=α1<
XB–XA<
T–T0
⊿YtAB=α1<
YB–YA<
⊿ZtAB=α1<
ZB–ZA<
⊿X、⊿Y、⊿Z――分别为管道沿坐标轴X、Y、Z方向的线位移全补偿值,mm：
⊿XA、⊿YA、⊿ZA――分别为管道的始端A沿坐标轴X、Y、Z方向的附加线位移,mm；
⊿XB、⊿YB、⊿ZB――分别为管道的末端B沿坐标轴X、Y、Z方向的附加线位移,mm；
⊿XtAB、⊿YtAB、⊿ZtAB――分别为管道AB沿坐标轴X、Y、Z方向的热伸长值,mm；
αt――管道材料在安装温度与计算温度间的平均线膨胀系数,mm/mm·
℃；
XA、YA、ZA――管道始端A的坐标值,mm；
XB、YB、ZB――管道末端B的坐标值,mm；
T――管道计算温度,℃；
T0――管道安装温度,℃。
13.例题
利用判别式解题有两种方法：
第一种方法注意如下四点和上面"
＋"
、"
－"
号的取值。
假定一个始端,一个终端
始端固定,终端放开
热膨胀方向由始端向终端
热伸长量取正直
第二种方法注意如下四点。
和SH/T3041-2002中的公式一致
建立坐标系,端点附加位移和热伸长量与坐标轴同向取"
与坐标轴反向取"
。
上题计算如下：
⊿Y=⊿YB－⊿YA－⊿YtAB=0－4－12=－16mm⊿Y=⊿YB－⊿YA－⊿YtAB=4－<
－5>
－<
－20>
=29mm⊿Z=⊿ZB－⊿ZA－⊿ZtAB=2－0－<
－24>
=26mm
Y=<
⊿Y2＋⊿Y2＋⊿Z2>
1/2=[<
－16>
2＋292＋262]1/2=42.1mm
DO．Y/<
L－U>
2=159*42.1/<
14－8.4>
2=6693.9/31.36=213.45>
208.3
所以需要进行详细分析,与上面的计算结果不同。
这里需要说明的是,不是计算过程错误,而是新旧标准管径取的不一致,新标准为外径。
第三章
补偿器的选用
首先应利用改变管道走向获得必要的柔性,但由于布置空间的限制或其他原因也可采用补偿器获得柔性。
补偿器的形式
压力管道设计中常用的补偿器有三种：
Π型补偿器、波形补偿器、套管式或球形补偿器
Π型补偿器
Π型补偿器结构简单、运行可靠、投资少,在石油化工管道设计中广泛采用。
采用Π形管段补偿时,宜将其设置在两固定点中部,为防止管道横向位移过大,应在Π型补偿器两侧设置导向架。
波形补
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