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管道应力分析基础知识

1．管道应力分析的原则

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．管道应力分析的主要内容

管道应力分析分为静力分析和动力分析。

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——防止法兰汇漏。

动力分析包括：

l）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（泵）气（液）柱频率分析——防止气柱共振；

4）往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。

3．管道上可能承受的荷载

（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。

4．管道应力分析的目的

1）为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值；

2）为了使与管系相连的设备的管日荷载在制造商或国际规范（如NEMASM-23、API-610、

API-617等）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ASMEVlll的允许范围内；

4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载；

5）为了进行操作工况碰撞检查而确定管于的位移；

6）为了优化管系设计。

5．管道柔性设计方法的确定

一般说来，下述管系必须利用应力分析软件（如CAESARII）通过计算机进行计算及分析。

1）与贮罐相连的，公称管径12”及以上且设计温度在100度及上的管线；

2）离心式压缩机（API617）及往复式压缩机（API618）的3”及以上的进、出口管线：

3）蒸汽透平（NAMESM23）的入口、出口和抽提管线；

4）泵（API610）——公称管径4”及以上且温度100度及以上或温度-20度及以下的吸入。

排出管线；

5）空冷器（API661）——公称管径6”及以上且温度120度及以上的进、出口管线；

6）加热炉（API560）——与管口相连的6”及以上和温度200度及以上的管线；

7）相当长的直管，如界区外的管廊上的管线；

8）法兰处的泄漏会造成重大危险的管线，如氧气管线、环氧乙烷管线等。

9）公称管径4”及以上且100度及以上或-50度及以下的所有管线；

6．摩擦系数的确定

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．

7．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。

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，使管道的长充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。

8．管道柔性设计的目的

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。

9．应进行详细柔性设计的管道

（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。

10．管道柔性设计计算结果的内容

（1）输入数据；

（2）各节点的位移和转角；

（3）各约束点的力和力矩；

（4）各节点的应力；

（5）二次应力最大值的节点号、应力值和许用应力范围值；

（6）弹簧参数表。

11．管道柔性设计合格的标准

（1）管道上各点的一、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。

12．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：

●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；

●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。

●对连接转动设备的管道，不宜采用冷紧。

●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。

13．带约束的金属波纹管膨胀节类型

（1）单式铰链型膨胀节，由一个波纹管及销轴和铰链板组成，用于吸收单平面角位移；

（2）单式万向铰链型膨胀节，由一个波纹管及万向环、销轴和铰链组成，能吸收多平面角位移；

（3）复式拉杆型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管及拉杆组成，能吸收多平面横向位移和膨

胀节本身的轴向位移；

（4）复式铰链型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管及销轴和铰链板组成，能吸收单平面横向

位移和膨胀节本身的轴向位移；

（5）复式万向铰链型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管及销轴和铰链板组成，能吸收互相垂

直的两个平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；

（6）弯管压力平衡型膨胀节，由一个工作波纹管或用中间管连接的两个工作波纹管及一个平衡波

纹管构成，工作波纹管与平衡波纹管间装有弯头或三通，平衡波纹管一端有封头并承受管道

内压，工作波纹管和平衡波纹管外端间装有拉杆。

此种膨胀节能吸收轴向位移和／或横向位

移。

拉杆能约束波纹管压力推力。

常用于管道方向改变处；

（7）直管压力平衡型膨胀节，一般由位于两端的两个工作波纹管及有效面积等于二倍工作波纹管

有效面积、位于中间的一个平衡波纹管组成，两套拉杆分别将每一个工作波纹管与平衡波纹

管相互连接起来。

此种膨胀节能吸收轴向位移。

拉杆能约束波纹管压力推力。

带约束的金属波纹管膨胀节的共同特点是管道的内压推力（俗称盲板力）没有作用于固定点或限位点外，而是由约束波纹膨胀节用的金属部件承受。

14．对转动设备允许推力的限制

管道对转动设备的允许推力和力矩就由制造厂提出，当制造厂无数据时，可按下列规定进行核算：

（1）单列、中心线安装、两点支承的离心泵，其允许推力和力矩应符合API610规定；

（2）尺寸较小的非冷凝式通用汽轮机，蒸汽管道对汽轮机接管法兰的最大允许推力和力矩应符合

NEMASM23的规定。

（3）离心压缩机的管道对压缩机接管法兰的最大允许推力和力矩应取NEMASM23规定值的1.85

倍。

15．热膨胀量（初位移）的确定

（l）封头中心管口热膨胀量的计算

封头中心管口只有一个方向的热膨胀，即垂直方向，考虑到从分钦塔固定点至封头中心管口之间可能存在操作温度和材质的变化，故总膨胀量按下式计算；

（2）封头斜插管口热膨胀量的计算

封头斜插管口有两个方向的热膨胀，即垂直方向和水平方向的热膨胀，垂直方向的热膨胀量计算同式，水平方向的热膨胀量按下式计算：

（3）上部筒体径向管口有两个方向的热膨胀，即垂直方向和水平方向的热膨胀，垂直方向的热膨胀量计算同式，水平方向的热膨胀量按下式计算：

16．管道设计中可能遇到的振动

（l）往复式压缩机及往复泵进出日管道的振动；

（2）两相流管道呈柱塞流时的振动；

（3）水锤：

（4）安全阀排气系统产生的振动；

（5）风载荷、地震载荷引起的振动。

17．往复压缩机、往复泵的管道振动分析的内容

振动分析应包括：

（1）气（液）柱固有频率分析，使其避开激振力的频率；

（2）压力脉动不均匀度分析，采用设置缓冲器或孔板等脉动抑制措施，将压力不均匀度控制在允

许范围内：

（3）管系结构振动固有频率、振动及各节点的振幅及动应力分析，通过设置防振支架优化管道布

置，消除过大管道振动。

18．共振

当作用在系统上的激振力频率等于或接近系统的固有频率时，振动系统的振幅会急剧增大，这种现象称为共振。

往复泵管道设计中可能引发共振的因素有：

管道布置出现共振管长：

缓冲器和管径设计不当造成流体固有频率与激振频率重叠导致气（液）柱共振；支承型式设置不当，转弯过多等造成管系机械振动固有频率与激振力频率重叠。

要避免发生共振，应使气（液）柱固有频率、管系的结构固有频率与激振力频率错开。

管道设计时应进行振动分析，合理设置缓冲器，避开共振管长，尽可能减少弯头，合理设置支架。

19．管道支吊架的类型

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。

20．管道支吊架选用的原则

（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；

（2）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；

l）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；

21．管道支吊架的作用

第一：

承受管道的重量荷载（包括自重、介质重等）；