管道应力分析设计技术规定.docx
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管道应力分析设计技术规定
管道应力分析设计技术规定
1.总则
1.1概述
1.1.1管道应力计算主要验算管道在内压、持续外载作用下的一次应力和由于热胀、冷缩及其它位移受约束产生的二次应力，以判明所计算的管道是否安全、经济、合理；计算管道由于热胀、冷缩及其它位移受约束和持续外载作用产生的对设备的推力和力矩，以判明是否在设备所能安全承受的范围之内。
1.2范围
1.2.1下列范围的管道必须通过计算机计算：
（1）管径大于等于DN150，且设计温度大于等于230℃或低于-20℃的所有管线。
（2）设计温度大于等于340℃的所有管线。
（3）管径大于等于DN100，且操作温度大于等于230℃或低于-20℃的所有泵的进出口管线。
（4）汽轮机进、进口连接的管道。
（5）离心压缩机进、出口连接的管道。
（6）往复压缩机进、出口连接的管道。
（7）有关规范中规定要进行应力计算的管道。
1.2.2下列范围内（除1.2.1条规定之外）的管道一般应通过目测、手工简易计算进行应力分析，在判断困难时，仍应通过计算机计算：
（1）管径大于、等于DN400的管道。
（2）连接到压力容器的重要管道。
（3）所有由工艺专业提出的重要管道和内部绝热管道。
（4）所有铝及铝合金的管道。
（5）管道支撑点或与管道相连的设备、建构筑物基础可能过度下沉的管道。
（6）夹套管。
（7）管道应力分析人员选定的管线。
（8）安全阀放散管。
1.2.3下列管道可不再进行应力计算
（1）与运行良好的管道柔性相同或基本相当的管道。
（2）和已分析的管道比较，确认有足够柔性的管道。
2.设计条件和设计标准
2.1设计条件
2.1.1管道应力计算空视草图
由配管人员绘制后提交给管道应力计算人员。
格式见附件5.1。
2.1.2管道应力计算必须具备的基础数据
（1）管道计算压力
（a）一条管道的计算压力不应小于在操作中可能遇到内压或外压与温度相偶合时的最严格情况下的压力（即确定的设计压力）。
（b）如果管系与其压力泄放装置之间的通路可能被堵塞或隔离，则此管系应按不低于在上述情况下可能产生的最大压力计算。
（c）管道计算压力不应小于选定的事故压力或最大操作压力。
所谓事故压力是指在操作中可能遇到的压力与温度相偶合时的最严格情况下的压力。
而操作压力则为系统处在正常操作情况下的压力。
（2）管道计算温度
设计温度应不低于操作过程中压力和温度相偶合时的最严格情况下的材料温度。
不同金属管道计算温度取法如下：
（a）不绝热的金属管道
·流体温度在38℃以下时，取流体温度；
·流体温度在38℃或以上时，取试验或传热计算确定的平均壁温。
（b）外部绝热的金属管道
·取计算、预先试验或根据测量所得的操作经验证明可以使用的温度。
·取流体温度。
·凡是采用伴管、夹套加热，在确定计算温度时应把这种加热影响考虑在内。
（c）内部绝热衬里的金属管道，取传热计算或试验所得的金属温度。
（d）在确定计算温度时，应同时考虑使用柔性温度。
（e）管道设计安装温度，当工艺系统专业未特别提出数据时，均采用20℃。
2.2设计标准
2.2.1国外材料采用美国国家《化工厂和炼油厂管道》（ASMEB31.3）标准。
2.2.2国内材料采用GB50316—2000《工业金属管道设计规范》。
3.管道应力分析程序及其方法
3.1管道应力分析程序
目前，我院的管道应力计算程序主要有两种，一种是从美国COADE公司引进的CAESARII程序，另一种是我院自行开发的等值刚度法计算程序。
这里主要介绍CAESARⅡ管道应力分析程序。
该程序是进行管道静力分析和动力分析的专有程序，功能相当齐全，可在微机上运算。
该程序不仅可计算管道由内压、自重、热膨胀和端点位移等荷载所产生的应力和各点位移，还可考虑管道的非线性约束，例如管道与支架之间的摩擦力，限位支架的间隙等。
可计算有波形补偿器的管道，计算管道与设备连接的管嘴柔性和设备管嘴处的局部应力。
可把管架与管道作为一个整体进行应力分析和对法兰连接进行泄漏的分析验算等。
该程序还具有灵活的荷载组合和图形显示功能。
程序还可按指定的各种国际通用规范进行计算。
CAESARⅡ程序虽然可考虑摩擦力，但计算时要经过多次循环，有时形成死循环计算不出结果，此时需要人工考虑。
在转动设备附近有时设置限位支架或固定支架以阻止管道传来的推力作用在转动设备上。
在程序中往往假设此支架的刚度非常大。
如果支架的实际刚度小，受力后有较大的变形，转动设备仍可能受力很大。
CAESARⅡ程序为线弹性分析程序，程序中往往未考虑应力松弛和应力自平衡，因此程序给出的固定点推力可能比实际的推力大。
3.2管道应力分析方法
管道应力分析一般采用计算机程序进行分析，对于一些简单的管线可采用手工计算的方法，这里主要介绍CAESARⅡ程序的操作方法。
3.2.1使用CAESARⅡ前的准备工作
（1）准备尺寸齐全的管网计算模型简图。
（2）进行节点NODE和单元Element编号。
（3）准备各管道，管件的有关尺寸和材质特性参数。
（4）确定边界条件：
各部件的约束条件。
3.2.2上机使用CAESARⅡ软件
（1）主菜单
CAESARⅡVersion3.19
1.Input数据输入
A.StructuralInput结构输入
2.Statics静力分析
B.BuriedPipeInput埋地管输入
3.Dynamics动力分析
C.WRC297,SIFS,Flanges应力加强，法兰
4.Output输入
D.WRC107
5.Files/Jobnane文件/工作名
E.RotatingEquipment转动设备
6.Jobname工作名
F.2-DPlotting2D绘图
7.Utilities工具
G.AISCUnityChecksAISC检查
8.ExitDOS退到DOS
H.ChangeUnits改变单位
9.Configure-Setup配置-设置
I.ASCIIEditor文本编辑
J.SystemCheck系统检查
Option
-Help>-----6
（2）数据输入
通过选项5或选项6选择工作名和建立工作名，再选择选项1即进入数据输入屏。
FROMNODE
TONODE
RESTRAINTS（Y/N）
DISPLACEMENTS（Y/N）
DX
DY
DZ
FORCES/MOMENTS（Y/N）
UNIFORMLOADS（Y/N）
WINDLOADS（Y/N）
OFFSETS（Y/N）
DIAMETER
WT/SCH
ALLOW.STRESS（Y/N）
SIFs&TEEs（Y/N）
INSULTHK
CORROSION
BEND（B/Y/N）
TEMP#1
TEMP#2
TEMP#3
RIGID（Y/N）
EXPJT（Y/N）
RPESSURE#1
PRESSURE#2
MATERIAL#
ELASTICMOD
POIS.RATIO
PIPEwgt
INSULwgt
FLUIDwgt
MovContFndInsDelBreakTitlePlotLstHgrValveEXPJTkaux?
helpUpdateQuit
输入屏中各单元含义如下：
FROMNODE单元始节点
TONODE单元终节点
DXDYDZ单元在X，Y，Z坐标轴上的投影长度
DIAMETER管子外径
WT/SCH保温（或保冷）厚度
CORROSION管子腐蚀裕量
BENDTONODE处是否有弯管
RIGID当前单元是否是刚性元件
EXPJT当前单元是否是波形膨胀节
MATERIAL单元材质
ELASTICMOD杨氏弹性模量
POIS.RATIO泊松比
PIPEwgt管材密度
INSULwgt保温材质密度
FLUIDwgt流体密度
RESTRAINTS有无约束
DISPLACEMENTS有无附加位移
FORCES/MOMENTS有无集中力和力距
UNIFORMLOADS有无均布荷载
WINDLONADS有无风荷载
OFFSETS有无偏离值
ALLOW.STRESS是否要输入许用应力
SIFs&TEEs是否要输入多路管线交叉点
TEMP#温度
PRESSURE#压力
Move快速翻页
Cont往下翻一页
Fnd查找某页
Ins插入一页
Del删除一页
Plot呈图
Lst列出输入数据
？
help帮助
Quit退出
kaux用于检查程序生成的应力加强系数和弯管、三通的柔度，或设置程序运行的控制参数。
Hgr输入弹簧支吊架数据
Update将输入数据存盘
（3）计算
数据输入完成后即可进行静力计算，如有必要还可进行动力计算。
3.2.3阅读计算结果
计算完成后可直接进入计算输出，也可通过选项4进入。
计算结果包括以下内容：
（1）位移报表（DISPLACEMENTREPORT）
包括冷态管道各点位移（SUS工况）和热态管道各点位移（OPE工况）。
（2）约束点受力报表（RESTRAINTREPORT）
包括设备管口、支吊架、弹簧支吊架等约束点受力情况。
对于约束所受力矩，按右手螺旋定则，大拇指指向，沿坐标轴正方向为正，沿坐标轴负方向为负。
常见的约束类型如下：
RigidANG刚性固定（或设备管口）
RigidGUI刚性导向
Rigid+Y活动支架
Rigid+Y/RigidGUI导向支架
RigidXX方向双向限位
Rigid+X+X方向限位
Displ.REACTION设备管口附加位移
VSHRedesign可变弹簧支吊架
ProgDesignCSH恒力弹簧支吊架
（3）应力报表（STRESSSUMMARY）
一次应力校核（SUS工况）和二次应力校核（EXP工况）：
应力报表的首页列出管线的最大计算应力点，如果许用应力（ALLOWABLE）大于或等于计算应力（CODESTRESS），则应力校核通过，否则需调整管线重新计算。
（4）弹簧支吊架报表（HANGERREPORT）
该报表包括弹簧号、弹簧个数、位移方向和位移量、热荷载、安装荷载、弹簧刚度、水平位移等数据。
由于弹簧标准采用国外标准，故弹簧号、安装荷载、弹簧刚度须根据国内标准作相应调整。
报表中含有各种荷载工况（LOADCASESANALYZED），典型工况组合有以下三种：
（OPE）W+DIS+T+P+FOR
通常指热态，含管系操作条件下的全部荷载。
（SUS）W+P+FOR
通常指承载状态，不含热膨胀和附加位移（注：
计算应力与热态许用应力相比较）
（EXP）D3=D1-D2
指纯温度状态，即只含温度荷载和附加位移荷载（注：
计算应力与许用应力相比较）
工况组合中荷载表示如下：
W自重DIS附加位移
T温度P压力
FOR集中力
4管道应力计算结果
4.1管道应力计算数据表
管道应力计算结束后，管道应力计算人员应将计算结果摘抄到管道应力计算数据表后提交给有关专业（配管、设备等专业）人员，管道应力计算数据表格式详见附件5.2。
4.2应力计算的安全性判断
正确的管道应力分析是确保管道安全的重要部分，此外正确选用管材和配件以及它们的制造质量、施工及焊接质量等也是重要的。
在应力分析中应考虑以下各点：
4.2.1由内压而产生的环向应力不得大于其最高设计参数下的许用应力。
4.2.2受外压的管道应核算管壁的稳定性，以及是否需要增设加强筋以提高其稳定性。
4.2.3经常性荷载，即内压、管道自重和经常作用于管道上的其他荷载（不包括热胀和端点位移），在管道上所产生的纵向应力不得大于其在最高设计参数下的许用应力。
4.2.4偶然性荷载，如风力、地震等荷载、与经常性荷载相组合，其纵向应力不得大于在最高设计参数下许用应力的1.33倍。
风力和地震作用可不考虑同时发生。
4.2.5热胀和端点位移所产生的应力不大于在最高设计参数下的许用应力范围。
当经常性荷载所产生的纵向应力小于许用应力时，其多余部分可加在许用应力范围内使用。
4.2.6管道对设备的作用力和力矩不得大于该设备允许的力和力矩。
4.2.7管道上法兰所承受的由管道自重和热胀等产生的力和力矩。
折合成当量压力后，校核法兰的承载能力，使之不致泄漏。
4.2.8安全阀管道应能承受安全阀排放时流体的冲击及其反作用力。
4.2.9与往复式机泵连接的管道，由于流体脉动而产生的反复应力不得大于50MPa，与经常性荷载产生的纵向应力组合后不得大于最高设计参数下的许用应力。
4.2.10管道的支吊架应满足管道应力分析结果所提出的要求，例如强度、刚度、固定或限位的功能和摩擦系数等。
4.2.11用计算机进行计算时，在计算程序中未考虑的因素，在设计过程中也应加以考虑。
例如：
摩擦力的影响，两相流的影响和支吊架之间荷载的分配偏差等。
4.2.12管道上所选用的管件和阀门应满足最高设计参数的要求。
4.3典型设备的管口推力限制
为了保证汽轮机、透平压缩机和泵能长期平稳运转，必须考虑与这些运转设备相连接的管道端点的推力和力矩。
4.3.1作用于汽轮机、透平压缩机上的管端载荷
（1）对于每一个接管上的力和力矩的校核
3F+3.28M≤89.29D
式中：
F——与接管相连的管道端点对此接管推力的合力,kgf；
M——与接管相连的管道端点对此接管的合力矩，kgf-m；
D——接管直径，cm；
当DN≤20cm时，取D=DN，cm；
40+DN
当DN>20cm时，取D=，cm
3
DN——管道的公称直径，cm。
（2）对汽轮机、透平压缩机整体的管端载荷的校核
（a）基准点的选择
校核汽轮机、透平压缩机整体的管端载荷时，首先要选择一个基准点，此基准点为汽轮机排放管中心线与机体轴线的交点。
（b）基准点确定以后，可将作用于各个接管的力和力矩综合到基准点处（见图4—1）。
图4—1作用于基准点的载荷
具体方法如下：
nn
MCX=ΣMxi+Σ（Fzi·Yi_—Fyi·Zi）
i=1i=1
nn
MCY=ΣMyi+Σ（Fxi·Zi—Fzi·Xi）
i=1i=1
nn
MCZ=ΣMzi+Σ（Fyi·Xi—Fxi·Yi）
i=1i=1
n
Fcx=ΣFXi
i=1
n
Fcy=ΣFYi
i=1
n
Fcz=ΣFZi
i=1
式中：
Mcx——垂直于x轴平面内的合力矩分量，kgf—m;
Mcy——垂直于y轴平面内的合力矩分量，kgf—m；
Mcz——垂直于z轴平面内的合力矩分量，kgf—m；
Fcx——所有接管上的合力在x轴上的分量，kgf；
Fcy——所有接管上的合力在y轴上的分量，kgf；
Fcz——所有接管上的合力在z轴上的分量，kgf；
i——下标，指某一根接管。
求作用于基准点的合力和合力矩：
Mc=M2cx+M2cy+M2cz
Fc=F2cx+F2cy+F2cz
式中：
Mc——所有接管上的管端推力和力矩合成到基准点上的合力矩，kgf—m；
Fc——所有接管上的管端推力合成到基准点上的合力，kgf。
（c）在图4—1中，合成了的力和力矩必须符合下列要求：
2Fc+3.28Mc≤44.64Dc
式中：
Dc——当量直径，cm。
各接管截面之和
令DH=，cm；
0.785
当DH≤22.5cm时，取Dc=DH，cm；
45+DH
当DH>22.5cm时，取Dc=,cm。
3
（4）图4—1中合力和合力矩的分量必须符合下列要求：
Fcx≤8.93DcMcx≤13.58Dc
Fcy≤22.33DcMcy≤6.79Dc
Fcz≤17.86DcMcz≤6.79Dc
4.3.2作用于泵接管上的管端载荷
与泵连接的管端推力和力矩，可按表4—1的要求进行校核。
表4—1适用范围如下：
（1）钢体泵或合金钢体泵。
（2）泵接管公称直径不得大于300mm。
泵管口管端载荷的限制范围表4—1
力kgf或
力矩kgf—m
泵接管公称直径DN,mm
≤50
70
100
150
200
250
300
每个顶部接管,kgf
Fx
Fy（压力力）
Fy（拉伸力）
Fz
72
90
45
58
108
135
67
90
144
180
90
117
252
315
157
207
383
495
238
315
540
675
337
450
675
810
414
540
每个侧面接管,kgf
Fx
Fy
Fx
72
58
90
108
90
135
144
117
180
225
207
315
283
315
495
540
450
675
675
540
810
每个端面（轴向）接管,kgf
Fx
Fy
Fx
90
58
72
135
90
108
180
117
144
315
207
252
495
315
383
675
450
540
810
540
675
每个接管力矩，kgf-m
Mx
My
Mx
46
35
23
95
71
47
132
100
68
230
175
117
351
256
175
500
378
243
608
457
297
表4—1的说明：
（1）表中F表示力，单位为公斤力；M表示力矩，单位为公斤力—米。
下标x表示水平方向（平行于泵轴中心线），下标y表示垂直方向（平行于垂直轴），下标z表示水平方向（垂直于泵轴的中心线）。
（2）对于汽轮机驱动的立式泵和管道泵，采用对侧面管口的值；对于电动机驱动的方式泵和管道泵，为侧面管口数值的2倍。
（3）在计算对于任何点的力矩总和时，必须将力F乘上各自的力臂再加上力矩M，得出总的力矩。
（4）这些值仅供一般指导之用，对于特殊的使用条件，由买卖双方之间谈判确定。
4.3.3附加说明
上面对蒸汽透平、透平压缩机和泵所能承受的管端载荷作了规定，这些规定的范围和数值为最低限度的要求。
在校核过程中，这些运转设备的买方和卖方可以通过协商，在制造厂同意的前提下，亦可以将本规定的限制范围放宽。
5.附件
5.1应力空视草图
5.2管道应力计算数据表
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