1、油气管线安装工专业知识,第一章 管道常用计算知识 书中初、中、高级工中，管道常用计算知识已基本概括，为了系统与连贯，我把这些常用计算统编在一起，起到承前启后，复习熟练各种常用计算的计算内容，以便更好地理解工作中遇到的相关知识。,第一节 管子质量的计算,一、管子质量的计算理论计算公式：（上册171页） G= L（D-） 单位：千kg 式中 G管子质量，千kg； L管长，m； D管外径，m； 壁厚，m； 管材密度，钢管=7.85103kg/m3 铸铁=7.24103kg/m3,若把所有长度单位用dm（分米）表示，用kg/dm3,则G的单位就是kg。 二、经验公式 G=0.2466（D-）.L kg
2、 式中G、D、L含义同上；D、的单位用习惯表示的mm，L的单位用习惯表示的m，则G的单位是kg。若全部单位（长度）都用dm，系数改用24.66，则G的单位也是kg。,本公式只适用于钢管。若是铸铁管系数为0.02275，铜管改为0.02796，铝管改为0.00848，。所谓经验公式只不过是把密度和的积算出来，再把长度单位改成与kg相适的dm或习惯表示法。（这类公式不提倡）。 例：求21910无缝钢管20m的质量。 解：已知L=10m =0.01m =7.85千kg/m3 D=0.219m,将已知条件代入公式理论公式： G = 203.14（0.219-0.01）0.017.85=1.03033=
3、1.03千kg 经验公式：G = 2000.02466（2.19-0.1）0. 1=1.03千kg 答：所求钢管的质量为1.03千kg。 若把系数改为24.66，则G的单位亦为kg，上边例题答案1030kg。,三、查表计算：有关手册和所有管工教材附表都有钢管规格表，各种规格每米质量（原称重量）都在表中列出。 G = L.每米质量 L管长，m。 例如1000m公称直径40mm的加厚管的质量是多少？ 查表知该规格管壁厚4.25、每米4.58kg，那么总质量为：4.581000=4580kg=4.58吨。（未计接头焊道高处质量）,第二节 管内流量计算,一、体积流量 Q=V.A m3/s （平均流速v
4、, m/s，过流断面面积A，m2） 二、质量流量(上册171页） Q=.v.A.t kg/s 或千kg/s （为流体密度千kg/m3，有时用kg/dm3，v和A同上。） 注意：在Q用kg/s时，一定采用dm计v和A，这样不易出错，一般情况采用103kg/s（千kg/s），即所有长度单位取m。,关于两种流量的使用，多使用体积流量，因为管道尺寸固定，比较容易与尺寸相联系。在化工计算时多采用质量流量。除了冷水在计算流量时两种数值一样，其他流体都不一致。因为水的密度是1。,管径计算公式： （上册171页） 例：设某管线每天输油量为6190t，输送油的密度为流速为1.5/s，求该管线内径？ D = =
5、= 0.26m = 260mm 答：根据内径260可选2736.5的无缝钢管。 d 管道内径m； Q 输油量； p 管内介质密度，Kg/m V 管内流速，m/s,第四节 管子热膨胀计算,由于管线的安装温度多数不一致，若温差较大，则因温度变化引起的胀缩量会导致其他变形和内应力，还会涉及支承和安全问题，因此如何准确的计算胀缩量、去考虑支承形式问题、选择补偿方式和补偿条件等是管工应掌握的基础知识。,膨胀量计算公式（上册172页） L=.L.t 式中 L膨胀量，m； 管子材料的线膨胀系数， 或直接取1/。 钢1.210-5，（ 0.012mm即每度1道）铜1.6510-5，铝2.410-5 。 t工作
6、温度与安装温度之差，。,例4某段2Km供暖管线，施工温度20。最高工作温度60，试求热膨胀量。 解：已知t2=60 t1=20 t=60-20=70 L=2000m，供热管一般为钢管=1.210-5/ 把数据带入 L=.L.t=1.210-52000（60-20）=0.96（m） 答：这段管的总膨胀量为0.96m.,第五节 线自然补偿（L型）的计算,在管道安装时，必须考虑热应力过高带来的危害。如果限制因温差导致的变形量，则管子本身会产生巨大的内应力，这种应第五节 线自然补偿（L型）的计算 力称热应力，它会与内部流体压力一起联合作用加大管子的破坏和支承的破坏。因此必须采取应对措施，这些措施包括采
7、用活动管托，管夹、采用热补偿。热补偿又分自然补偿和补偿器补偿。所谓自然补偿就是利用管线某一弯曲管段的弹性变形，来吸收另一管段的变形量的方法。其弯曲部位就称自然补偿器。利用自然补偿器补偿管线长短变化，称线自然补偿。常见的自然补偿器有L型、Z型、U型及混合型，但其基本型是L型。（见图一）。所以我们先掌握好L型线自然补偿的计算。,M、计算公式： m（上册172页） 式中L1短臂长，m；L长臂L2的伸长量=.L2.tmmD管子外径，mm 。 例5如图所示(下篇）管线，L2长500m，施工温度20，工作温度80，求L1的长度。解：已知L2=500m D=60mm t=80-20=60， L=5001.2
8、10-560=0.36m=360mm 将已知条件代入公式:M 答：管段L1取长9.510m较合适。（一般不得小于计算值）,技师专业知识,603.5 无缝钢管,第六节 管道强度计算,管道强度计算就是对已知管道进行强度校核或根据给定材料确定管子的壁厚。 管道强度计算分别计算环向应力、温度应力、轴向应力和综合应力。 一、管道环向应力。环向应力是因管内流体压力使管壁周向引起的应力n。 n= 式中p流体压力，MPa；（上173、下42页 d管子内径，mm； 管子壁厚，mm；,例6某管线管子规格为3777，设计压力为4.8 MPa，求环向应力。 解：已知p=4.8 MPa d=377-27=363mm =
9、7mm 把已知条件代入公式 n= =124.46MPa 答：所求管线的环向应力为124.46MPa。,管线轴向应力的计算,管线轴向应力计算公式：管线的轴向应力（正值为拉应力，负值为压应力），MPa; E 钢材的弹性模量： a钢材的线性膨胀系数： ，管线安装温度， 管线工作温度， 管线环向应力，MPa;泊松比，取0.3.,温度应力计算,二、温度应力t。温度应力就是因热胀冷缩，而管又固定死不能伸缩，使管子内部产生的压或拉应力t,单位MPa。 t=.E.t 式中： 管材的线膨胀系数。钢取1.210-5/； E管材的弹性系数，钢的E为2.06105MPa； t工作温度t2 与施工温度t1之差，。,例7
10、某油罐出油管为1594.5，材料Q235，操作温度68，施工温度18，当管线在罐前1处被固定时，求管线的温度应力及对罐的推力。解：已知t2 =68，t1 =18， D外=159mm ，d内=150mm ，E=2.06105MPa； 将已知条件代入公式：t=68-18=50 A= =2180mm2 t=.E.t =1.210-52.0610550=123.6MPa 对罐的推力F=t.A=123.62180=269448N=269.45KN 答：管的温度应力为123.6MPa，管对罐的推力F为269.45KN。,三、管的轴向应力a（下册43页）。管的轴向应力是管的温度应力和环向应力对轴向应力的影响
11、之和，（对研究对象，拉为正，压为负。）温度应力是热胀为负（压），冷缩为正（拉），环向应力影响是正（拉），因为流体压力使管外胀，管有变短的倾向。 a=.E.t+.n 式中泊松比（横向变形系数）取0.3 t必须取t1- t2。 说明：t是施工温度减工作温度，保留差的正负号。以定前项是拉还是压。即前项正，轴向力的温度应力为拉应力，也就是工作温度低于施工温度。,四、管道应力核算,由于管子受力情况复杂，其主要破坏应力为环向应力和轴向应力，其破坏机理，对于塑性材料来讲，属于第三强度理论解决。 根据第三强度理论的公式 =1-3相当于管子应力n-a.（下册43页） 所以核算公式（强度条件）为： =n-a 式中
12、核算应力MPa，n和a分别是环向应力和轴向应力。 管子的许用应力=0.9s。s为材料的屈服强度极限。 注意：不管什么正应力，拉都为正，压都为负。,例8某管线需用604的管子，施工时的温度为12，工作温度70，工作压力16MPa，试问选用Q235AF材质管能否满足强度。（Q235AF的s=235 MPa）解：已知t2=70 t1=12 P=16MPa d=60-24=5.2cm =4 cm 先求n = = =104 MPa 再求a = E（t1-t2）+n =2.061051.210-5（12-70）+1040.3 =-143.4+31.2=-112.2 MPa 代入计算公式 =n-a =104
13、-（-112.2）=216.2 MPa 因 =0.9s=2350.9=211.5 MPa 即 答该管从理论上不能满足强度。,五、管道壁厚的计算,求管壁厚，考虑到各种受力情况，通过比较简化的实用计算式进行计算。mm 式中 P工作压力MPa；D管子外径，mm； 管子的许用应力=F.s.F为设计常数：野外取0.72；站厂内取0.6，输气管线站厂外取0.6，厂站内取0.5，为焊缝系数：无缝管取1.0，一般螺旋管取0.9。C为腐蚀余量。对腐蚀性介质一般取0.50.9。,例9现有一批Q235管材，规格为2736.5的螺旋焊接管，试计算。看能否用在工作压力为6.4MPa的输油管线和输气管线上？ 解：根据题给
14、条件，先求许用应力 =F.s.，假设在站外F油=0.72，F气=0.6 油=0.722350.9=152.3MPa 气=0.62350.9=126.9MPa 同取C为0.5 则油= =6.2mm， 气= =7.4mm， 所求油=6.2mm管子的壁厚6.5 mm，能用。,气=7.4mm管子的壁厚6.5 mm，不能用。 答：这批Q235 2736.5的焊管能用在压力为6.4MPa的输油管线上，但不能用在6.4MPa的输气管线上。,第七节 管线允许跨度的计算,管线的固定和支承，不管是跨沟过路，还是架空布线都涉及管线的跨度问题。所谓跨度计算，就是在考虑1管重、2介质重、3管外防腐保温材料重以及4雨雪影
15、响，甚至维护时的5人、6物重量、7风力、8抗震影响等因素,计算出两支承点的最大允许距离L。,公式 L0= (下册44页） 式中L0管线允许跨度，m； 管材的许用应力MPa；（N/mm2） W管子的抗弯截面系数cm3， W =0.098 D管子外径cm。 d管子内径cm。 K0弯距系数，（支墩少于3个取0.125；支墩大于7个取0.106；4个支墩取0.1；5个支墩取0.107；6个支墩取0.105.）q单位长度管线的重量=管子重量+介质重量+防腐保温材料重量+其他力等，N/m。（即单位载荷） 运用公式时注意单位： 用MPa，D，d用cm得W的单位cm3，q用N/m，正好得L0的单位为m。若全部
16、长度单位用m，则 用106Pa也行，但在求q时应全部用m。,例101144的输油管线，需跨过8 m宽的路，两个支墩位于路两边外，间距共12m，问管线跨过这12m间距，强度够否？ （已知管内介质密度860 kg，三防结构材料为30N/m） 解：已知D=11.4 cm （0.114m） d=10.6cm （0.106m） 油=860kg/m3, 钢=7850kg/m3,）则W = = = 36.7cm3（36.710-6m3）q=（D-d）钢g+油g+30 =3.14（0.114-0.0040.00478509.8+0.10628609.8+30 =210.62 Nm,取=141 MPa； K0=
17、0.125 得L0=14m 若w用m3，则L0=14m 答：该管线允许的最大跨度为14 m，对于现有过路支墩12 m的间距条件，强度足够。,第八节 盲板强度计算,在管道施工过程中，经常遇到分段施工分别试压或预留接口等，都涉及到盲板的选用问题，或盲法兰（法兰盖）的选用问题。（上册175页） 盲板的选用从强度方面考虑的主要因素是厚度，其计算公式为：式中D为盲板直径（指同管内径相等的直径）,P为介质压力，即工作压力。 盲板的许用应力=0.30.6s 例11某气管4268，设计压力2.5MPa，求盲板厚度。（取材为Q235） 解：已知D=426-28=410mm P=2.5 MPa =2350.6=1
18、41 MPa 代入 =0.4410=21.8 mm 答：可选板厚为22 mm的Q235钢板。,第九节 封头强度计算,封头是筒形设备的端头部分，凡是端头部分与筒体焊接成不可拆的称为封头。而用法兰连接成可拆的称端盖，这类设备属管线的相关设备。 常见封头的形式有：1半球形、2椭圆形、3碟形、4锥形及5平板形。前三种又称凸形封头。 半球形封头力学性能好，但制造困难，一般用于压力较高，直径较大的中高压容器。 椭圆形封头是半椭球和一段短圆筒组成（由一块板冲压成），虽然应力情况比不上半球形，但比它易做，目前被广泛采用于中低压容器。 碟形封头，初看形似椭圆封头，但它的弧面不是半椭球，而是一大弧面，周边带大弯角
19、，与园筒短节相接，制造容易，甚至可以锤打制做，但应力状态不太好，近年来慢慢被椭圆封头取代。,锥形封头仅用于收集或卸除粘度较大的悬浮物料或固体物料的立式筒体容器，制做较易。 平板形封头最简单，小尺寸高中低压均适应，但材质要求高，而且应对筒头加强。下面为几种封头的强度计算公式，即求封头板厚的公式。（上册175页）,平板接头（卧罐用）P卧罐的设计压力； R封头半径； E封头材料的弹性模量（弹性系数：Mpa） 封头材料的许用应力 C封头厚度附加量 碟形封头 （标准型）,式中P、C同上 D内塔或罐的内径，非标准应该用R弧面半径。 对于标准型 R=D内 焊缝系数，一般取0.9. 椭圆封头 有关参数含义同上
20、（标准型）半球形封头 有关参数同上,第十节 法兰强度计算法兰是管线中常用的重要管件。也是压力容器的重要附件。法兰分压力容器法兰和管法兰，二者各自有标准，即使公称直径相同的，这两种法兰也不能代用。因为二者的连接尺寸不同。 不管是平焊、对焊、活套还是螺纹式法兰，其强度计算均涉及两部分：法兰厚度和法兰螺栓，直径的确定（按抗拉强度计算、螺纹内径处）。,螺栓法兰的厚度计算公式和法兰螺栓抗拉计算公式 一、a =x= , M= 式中法兰厚 Q螺栓拉力（载荷） D1法兰螺栓孔中心线直径（基圆直径） D2法兰螺纹中径,D法兰外径 法兰材料许用应力 二、螺栓直径（内径）计算式 d= 式中 Q螺栓载荷（拉力） 螺栓
21、材料许用应力。 求出螺栓内径后，再查表确定螺栓规格，再定法兰螺孔直径。,第十一节 弯头强度计算由于施工过程中，碰到许多管线拐弯处，过去靠弯管或自己采用割管焊制弯头（虾米弯），工作量比较大。现在由于成品弯头的大量采用，减少了工作量，提高了质量。至于弯头的选用，主要依据强度条件，即根据强度条件求壁厚。确定壁厚的基本方法是计算，但施工人员一般不进行计算。下面介绍几种选用方法：,一、基本计算法（很少用）式中壁厚，mm； D弯头外径，mm； R弯头的曲率半径，mm； P工作压力，MPa 二、配套法选用：首先满足公称尺寸相同，其次材质相同或略高，壁厚相同或略厚，但尽量满足内径相同。这是保证流体是否流畅的关
22、键。如果手头有表可查，可查一下耐压等级，使弯头的耐压等级略高一些，如4MPa以下的工作压力，就选耐压4MPa的弯头代用，再不降低。 因为第二种方法方便、简单，因计算或查表参选用，还要考虑具体管线情况。要求严的地方，施工规范上也不允许施工人员随意去变动原设计用件。,复习思考题：,1、管工常用计算有哪些？熟悉本节例题的计算方法和过程。 2、求2736.5的无缝钢管20m长的重量。 3、某管线用4268的管，设计压力78MPa，求环向应力。 4、根据输油量的吨数（质量数）、流速、选用 公式求管径为什么是错的？应该选用哪个公式？ 5、某输油管426设计压力为25 MPa，若选Q235的管材，试确定壁厚。 6、现有一条1144的输水管，需跨一条30m的河，若支墩离河边1m，问能否跨过去？（设三防材料按30N/m计）,
