管道应力分析.docx

1、管道应力分析第一章任务与职责1)管道柔性设计的任务压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、内压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况：1)因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏；2)管道接头处泄漏：3)管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行；4)管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏：2.压力管道柔性设计常用标准和规范1)GB 50316-2000工业金属管道设计规范2)SH/T 3041-2002石油化工管道柔性设计规范3)SH 3039-2003石油化工非埋地管道抗震设计通则4)SH 3059

2、-2001石油化工管道设计器材选用通则5)SH 3073-95石油化工企业管道支吊架设计规范6)JBrT8130.1-1999恒力弹簧支吊架7)JBfT8130.2-1999可变弹簧支吊架8)GB/T 12777-1999金属波纹管膨胀节通用技术条件9)HG“ 20645-1998化工装置管道机械设计规定10)GB 150-1998钢制压力容器3.专业职责1)应力分析(静力分析动力分析)2)对重要管线的壁厚进行计算3)对动设备管口受力进行校核计算4)特殊管架设计4.工作程序1) 工程规定2)管道的基本情况3)用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿4)用目测法判断管道是否进行柔性设计

3、5) L型U型管系可采用图表法进行应力分析6）立体管系可采用公式法进行应力分析7）宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道8）采用CAESAR II进行应力分析9）调整设备布置和管道布置10）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1）适用范围2）概述3）设计采用的标准、规范及版本4）温度、压力等计算条件的确定5）分析中需要考虑的荷载及计算方法6）应用的计算软件7）需要进行详细应力分析的管道类别8）管道应力的安全评定条件9）机器设备的允许受力条件（或遵循的标准）10）防止法兰泄漏的条件11）膨胀节、弹簧等特

4、殊元件的选用要求12）业主的特殊要求13）计算中的专门问题（如摩擦力、冷紧等的处理方法）14）不同专业间的接口关系15）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。2.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：1）对于无隔热层管道：介质温度低于65c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；2）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：3）对于夹套管道应取内管或套管介质温度的较高者作为“算温度：4）对于外伴热管道应根据具体条件确定计算温

5、度；5）对于衬里管道应根据计算或经验数据确定计算温度：6）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：7）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。3.管道安装温度宜取20 （除另有规定外）。4.管道计算压力应取计算温度下对应的操作压力。5.管道钢材参数按石油化工管道柔性设计规范SH“3041 2002执行1）钢材平均线膨张系数可参照附录A选取。2）钢材弹性模量可参照附录B选取。3）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1）内压金属直管的壁厚根据SH 3059-2001石

6、油化工管道设计器材选用通则确定：当S0 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GB 150-1998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；2）压力荷载，压力荷载包括内压力和外压力：3）位移荷载，位移荷载包括管道热张冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等：4）风荷载：5）地宸荷载；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）机器振动荷载，如回转设备的

7、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：1）静设备热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；2）转动设备热胀冷缩在连接管口处产生的附加位移；3）加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移；4）储罐等设备基础沉降在连接管口处产生的附加位移：5）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：1）改变管道的走向，以增加整个管道的柔性：2）利用弹簧支吊架放松约束：3）改变设备布置。4）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、口形、Z形等管段。确定 管道

8、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1）操作温度大于400 或小于一50 -C的管道：2）进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道：3）进出反应器的高温管道：4）进出汽轮机的蒸汽管道：5）进出离心压缩机、往复式压缩机的工艺管道：6）与离心泵连接的管道，可根据设计要求或按图确定柔性设计方法；图1-1与离心泵连接管道柔性设计方法的选择7）设备管口有特殊受力要求的其他管道：8）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）和已分析管道相比较，确认有足够柔性的

9、管道；3）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（1）和式（2）要求的非 极度危害或非高度危害介质管道。DoY/（L-U）2 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：JX=JXB-ZXA-ZlXtABZJY=/YB-/YA-/YtABJZ=ZJZB-ZJZA-ZJZ(ABJXtAB=al(XB-XA) (T-TO)JYtAB=al(YB-YA) (T-TO)JZtAB=al(ZB-ZA) (T-TO)式中：mm：mm：mm：/X、，Y、dZ一一分别为

10、管道沿坐标轴X、Y、Z方向的线位移全补偿值，mm： ZIXA、ZIYA、ZZA分别为管道的始端A沿坐标轴X、Y、Z方向的附加线位移, ZIXB、，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, JXtAB. /YtAB、JZtAB分别为管道AB沿坐标轴X、Y、Z方向的热伸长值， at管道材料在安装温度与计算温度间的平均线膨胀系数，mm/mmC：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，C：TO一一管道安装温度，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而+”、”一”号的取值。1)假定一个始端，一

11、个终端2)始端固定，终端放开3)热膨胀方向由始端向终端4)热伸长量取正直第二种方法注意如下四点。和SH 3041-2002中的公式一致1)假定一个始端，一个终端2)始端固定，终端放开3)热膨胀方向由始端向终端4)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：JY=ZYB-ZlYA-ZlYtAB = 0-4-12= -16 mmJY=ZJYB- JYA-JYtAB = 4一(一5)一(一20) = 29 mmZIZ=ZJZB-ZZA- JZtAB = 2-0(-24) = 26 mmY=( / Y2 + / Y2 + / Z2) 1 /2 = (- 16)2+29

12、2 J-262 1/2 = 42.1 mmDO. Y/(L-U)2 = 159*42.1/(14-8.4)2 = 6693.9/31.36 = 213.45 2083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。1.补偿器的形式压力管道设计中常用的补偿器有三种：口型补偿器、波形补偿器、套管式或球形补偿器2. n型补偿器口型补偿器结构简单、运行可靠、投资少，在石油化工管道设计中广泛采用。采用口形管段补偿时，宜

13、将其设置在两固定点中部，为防止管道横向位移过大，应在II型补偿器两侧设置导向架。3.波形补偿器波形补偿器，补偿能力大、占地小，但制造较为复杂，价格高，适用于低压大直径管道。1)波形补偿器条件(1)比用弯管形式补偿器更为经济时或安装位置不够时。(2)连接两个间距小的设备的管道。其补偿能力不够时。(3)为了减少压降，推力或振动，在工艺过程上可行而且在经济上合理时。(4)为了保护有严格受力要求的设备嘴子。2)波形补偿器的形式及适用条件(1)直管段使用轴向位移型；(2)两个方向位移的L形，Z形管段使用角型：(3)三个方向位移的Z形管段使用万向角型；(4)吸收平行位移的使用横向型。3)选用无约束金属波纹

14、管膨胀行时应注意的问题(1)两个固定支座之间的管道中仅能布置一个波纹管膨胀节：(2)固定支座必须具有足够的强度，以承受内压推力的作用：(3)对管道必须进行严格地保护，尤其是靠近波纹管膨胀行的部位应设置导向架，第一个导向支架与膨 胀力的距离应小于或等于4DN,第二个导向支架与第一个导向支架的距离应小于或等于14DN,以防止 管道有弯曲和径向偏移造成膨胀行的破坏；4)带约束的金属波纹管膨胀节的类型带约束的金属波纹管膨胀行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 处，而是由约束波纹管膨胀方用的金属部件承受。(1)单式较链型膨胀正由一个波纹管及销轴和较链板组成，用于吸收单平面角

15、位移；(2)单式万向钱链型膨胀亿 由一个波纹管及万向环、销铀和钦链成，能吸收多平面角位移：(3)复式拉杆型膨胀行，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拉杆问膨 胀在本身的轴向位移；(4)复式较链型膨胀品由用中间管连接的两个波纹管及销轴和较链板组成，能吸收单平而横向位移和 膨胀行本身的轴向位移：(5)复式万向钦链型膨胀但由用中间管连接的两个波纹管及销轴和钦链板组成，能吸收互相垂直的两 个平而横向位移和膨胀节本身的轴向位移：(6)弯管压力平衡型膨张亿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

16、封头并承受管道内压，工作波纹付 和平衡波纹管外端间装有拉杆。此种膨胀方能吸收轴向位移和/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在，一般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而 积、位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拔起来。此 种膨胀方能吸收轴向位移。拉杆能约束波纹管压力推力。5)波纹管膨胀行在施工安装中应注意的问题(1)膨胀节的施工和安装应与设计要求相一致；(2)膨胀行的安装使用应严格按照产品安装说明书进行；(3)禁止采用使膨胀行变形的方法来调整管道的安装偏差；(4)固定支架和导向支架等

17、应严格按照设计图纸进行施工，需要改动时应经原分析设计人员认可；(5)膨胀日上的箭头表示介质流向，应与实际介质流向相一致，不能装反；(6)安装较链型膨胀行时，应按照施工图进行，较链板方向不能装错：(7)在管道系统(包括管道、膨胀行和支架等)安装完毕，系统试压之前，应将膨胀行的运输保护装置拆 除或松开。按照国标GB/T 12777的规定，运输保护装置涂有黄色油漆，应注意不能将其他部件随意拆 除；(8)对于复式大拉杆膨张亿不能随意松动大拉杆上的螺母，更不能将大拉杆拆除：(9)装有膨胀行的管道，做水压试验时，应考虑设置适当的临时支架以承受额外加到管道和膨胀节上的 荷载。试验后应将临时支架拆除。3.套管

18、式或球形补偿器套管式或球形补偿器因填料容易松弛，发生泄漏，在石化企业中很少采用。在有毒及可燃介质管道中 严禁采用填料函式补偿器。4.冷紧1)冷紧冷紧可降低操作时管道对连接设备或固定点的推力和力矩，防止法兰连接处弯矩过大而发生泄漏。冷 紧是将管道的热应变一部分集中在冷态，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。当管道沿坐标轴X、y、Z方向的冷紧比不同时，每个方向的冷紧值应根据该方向的冷紧进行计算。当 管道上有几个冷紧口时，沿坐标轴X、y、Z方向的冷紧值分别为各冷紧口在相应坐标轴方向冷紧值的 代数和。管道采用冷紧时，热态冷紧有效系数取2/3,冷态取1。2)连接转动设备的管道不应采用

19、冷紧由于施工误差使得冷紧量难于控制，另一方面，在管道安装完成后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。3)自冷紧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端变现象，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。但冷紧不改变热胀应力范闱。4)冷紧比冷紧比是冷紧值与全补偿量的比值。对于材料在阳变温度下工作的管道，冷紧比宜取0.7。对于材料在非蠕变温度下工作的管道，冷紧比 宜取0.5。第四章支吊架选用1.管道跨距管道基本跨距的确

20、定实际上就是管系承重支架（或起承重作用的支架）的位置和数量的确定，也就是说 管系中承重支架的位置和数量应满足管道基本跨距的要求。为了简化计算，对于水平连续敷设的管道, 以三跨连续梁作为计算模型，并按承受均布载荷（指管道自重、介质重和隔热材料重之和）分别根据刚度 条件和强度条件计算其最大允许跨距，取（L1和L2）两者之间的小值。刚度条件：Ll = 0.039（EtI/q）l/4 （装置内）L，l = 0.048（EtL q）l/4 （装置外）式中LI、Ll 装置内（外）由刚度条件决定的跨距，m：Et管材在设计温度下的弹性模量，MPa；I管子扣除腐蚀裕量及负偏差后的断面惯性矩，mm4：q 每米管道

21、的质量，N/nio（2）强度条件：L2 = 0.1 （a tW/q）l/2 （不考虑内压）L2 = 0.071（g tW/q）l/2 （考虑内压）式中ot管材在设计温度下的许用应力，MPa：W管子扣除腐蚀裕量及负偏差后的抗弯断面模数，mm3。I和W分别按以下二式计算：I=n （Do4-Di4） /64W=tt （Do4-Di4） /32Do式中 Di 管道内径，min：Do 管道外径，mm。2.管道支吊架的形式：管道支吊架的用途为：1）承受管道的重量荷载（包括自重、介质重和隔热材科重等）；2）限制管道的位移，阻止管道发生非预期方向的位移：3）用来控制管道的振动、摆动或冲击。因此，管道支撑的位置

22、确定、支撑型式的确定以及管道支吊架本身的强度设计也主要是围绕着上述支 吊架的三个功能展开的。根据管道支吊架的用途可以分为三大类：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。第四部分14.摩擦系数1）在管道柔性设计中，应考虑支架摩擦力的影响，摩擦系数应按下表选取。2）重要关系进行应力分析时应考虑摩擦力对整个管系的受力分配。3）对于转动设备应尽可能采用吊架，以减少摩擦力对设备嘴子受力的干扰。4）当采用吊杆或弹簧吊架承受管道荷载时，可不考虑摩擦力的影响。15.例题弹簧支吊架编号（弹簧号）的选定当用计算机程序对管道进行应

23、力分析时，某些程序有自动选择弹簧支吊架的功能，人工计算时，可 根据弹簧所能承受的最大荷载和管道最大的垂直位移量选择弹簧。管道的最大垂直位移量，可按本章第 四行介绍的方法计算，弹簧所承受的最大荷载由下述原则确定。管道热位移向上时：安装荷载=工作荷载+位移量x弹簧刚度管道热位移向下时：安装荷载=工作荷载一位移茧x弹簧刚度CD42135-89系列弹簧荷载选用见表15242。使用此表时，把管道的基本荷载视为弹簧的工作荷载, 再根据位移方向及大小，在表中查出安装荷载。查出安装荷载后，再根据下式计算荷载变化率，使其小 于或等于25%： 荷载变化率 =（IPG-PAI） /PGJX 100%25% 式中 P

24、G一一工作荷载；PA安装荷载。例1：某根管道的工作荷载为7628 N,运行时位移向上，位移量为10nlm,根据管道安装要求，需采用A型吊架，试选择吊架型号：解：查表15-2-42,暂定该吊架位移范围为VS3O(2)在表15-2-42的中线和上粗线之间查得工作荷载(基本荷载)为7628 N的弹簧编号为13。以7623 N对应的VS3O刻度值向下IO mm查得安装荷载为9123 N。(4)验算弹簧荷载变化率：(17628-91231)/7628 X 100% = 19.6%v 25%选用吊架型号为VS3OA13。当所选用的弹簧其荷载变化率25%时，应减小弹簧刚度，另选位移范围大一级的弹簧。例2：某

25、管道工作荷载为17350 N,运行时位移向上，位移量为12 mm。根据管道安装要求需采用G型 吊架，试选择吊架型号：解：查表15-2-42,暂定该吊架位移范围为VS30：(2)G型吊架每个吊架实际仅承受管道荷载的一半，即17350/2=8675 N。(3)在表15-2-42的中线和上粗线之间查得工作荷载为8675 N的弹簧编号为13。以8675 N对应的VS30刻度值向下12 mm查得安装荷载为10469 N。(5)验算弹簧荷载变化率：(18675-104691)/8675 X 100% =20.6% 25%(6)选用吊架型号为VS30Gl3。第五章应力分析1.进行应力分析的目的是1)使管道应

26、力在规范的许用范围内：2)使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准：3)计算出作用在管道支吊架上的荷载：4)解决管道动力学问题：5)帮助配管优化设计。2.管道应力分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？答：管道应力分析分为静力分析和动力分析。1)静力分析包括：压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算一一防止塑性变形破坏；(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一一防止疲劳破坏：管道对设备作用力的计算一防止作用力太大，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

27、。2)动力分析包括：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一控制管道振动及应力：(3)往复压缩机气柱频率分析一一防止气柱共振；(4)往复压缩机压力脉动分析控制压力脉动值。3.管道应力分析的方法管道应力分析的方法有：目测法、图表法、公式法、和计算机分析方法。选用什么分析方法，应根据管 道输送的介质、管道操作温度、操作压力、公称直径和所连接的设备类型等设计条件确定。4.对管系进行分析计算1)建立计算模型(编行点号)，进行计算机应力分析时，管道轴测图上需要提供给计算机软件数据的部位和需要计算机软件输出数据的部位称作节点：(1)管道端点(2)管道约束点、支撑点、给定位移点(3)管

28、道方向改变点、分支点(4)管径、壁厚改变点(5)存在条件变化点(温度、压力变化处)(6)定义边界条件(约束和附加位移)(7)管道材料改变处(包括刚度改变处，如刚性元件)(8)定义节点的荷载条件(保温材料重量、附加力、风载、雪载等)(9)需了解分析结果处(如跨距较长的跨中心点)(10) 动力分析需增设点2)初步计算(输入数据符合要求即可进行计算)利用计算机推荐工况(用CASWARII计算，集中荷载、均布荷载特别加入)(1)弹簧可由程序自动选取(2)计算结果分析(3)查看一次应力、二次应力的核算结果(4)查看冷态、热态位移(5)查看机器设备受力(6)查看支吊架受力(垂直荷载、水平荷载)(7)查看弹

29、簧表3)反复修改直至计算结果满足标准规范要求(计算结果不满足要求可能存在的问题)(1)一次应力超标，缺少支架(2)二次应力超标，管道柔性不够或三通需加强(3)冷态位移过大，缺少支架(4)热态水平位移过大，缺少固定点或口型(5)机器设备受力过大，管道柔性不够(6)固定、限位支架水平受力过大，固定、限位支架位置不当或管道柔性不够(7)支吊点垂直力过大，可考虑采用弹簧支吊架(8)弹簧荷载、位移范围选择不当，人为进行调整5.编制计算书，向相关专业提交分析计算结果1)计算书内容(1)一次应力校核内容(2)二次应力校核内容(3)约束点包括固定点、支吊点、限位导向点和位移点冷态、热态受力(4)各节点的冷态、热态位移(5)弹簧支吊架和膨胀节的型号等有关信息(6)离心泵、