1、管道应力分析专题,工业管道材料设计与应力分析技术高级培训,一、管道应力分析的目的 1、使管道应力在规范的许用范围内，保证管道系统的整体安全 2、使动（静）设备管口载荷符合制造商或公认的标准使其能长周期、平稳运转 3、给结构及各种支撑提供设计载荷 4、确定管道热位移及各种冲击载荷所导致的管道位移 5、解决管道动力学问题：机械振动、脉动、安全阀排放等 6、优化配管设计,二、管道应力分析基础知识 2.1、应力、应变及应力状态 2.2、材料的机械性能 2.3、强度理论 2.4、管道变形的基本形式 2.5、管道中的应力状态 2.6、管道应力分类 2.6.1、应力分类校核遵循的原则 2.6.2、管道应力分
2、析中的应力分类 2.6.3、管道应力分析中一次和二次应力超标原因 2.7、管道应力分析所遵循的标准,三、管道的柔性设计 3.1、柔性定义及柔性设计的方法和目的 a)定义 b)目的 c)设计方法 d)端点位移考虑 3.2、是否进行详细柔性设计的判别方法 a)应进行详细柔性设计的管道 b)可以不进行详细柔性设计的管道 c)判别式的使用方法与注意事项 3.3、管道的热补偿,三、管道的柔性设计 3.4、应力增大因子 3.5、柔性分析方程 3.6、弹性模量随温度变化效应 3.7、柔性分析的另一规则,五、管道机械专业（应力分析）常用的标准规范 1、GB50316-2000工业金属管道设计规范 2、HG/T
3、20645-1998化工装置管道机械设计规定 3、SH/T3041-2002石油化工企业管道柔性设计规范 4、GB150钢制压力容器 5、JB/T8130.1-1999 恒力弹簧支吊架 6、JB/T8130.2-1999 可变弹簧支吊架 7、GB 50251-2003 输气管道工程设计规范 8、GB 50253-2003 输油管道工程设计规范 9、ASME/ANSI B31.1 - Power Piping,10、ASME/ANSI B31.3 Process Piping 11、ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution pipi
4、ng systems 12、ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systems 13、API610 - 离心泵 14、NEMA SM23 - 透平 15、API617 - 离心式压缩机 16、API618 - 往复式压缩机 17、API661 - 空冷器 18、ANSI/B31.1、APIRP520 - 安全阀、爆破膜,六、工程设计阶段管机专业的任务 6.1、初步设计、基础设计阶段 编制工程设计规定(应力分析、管架设计) (四级签署)； (2) 参加设备布置工作；(3) 对主要管线的走向进行应力分析和评定。,6.2、
5、详细设计阶段 修订工程设计规定(应力分析、管架设计)(四级签署)； 重要管线的壁厚计算，特殊管件的应力分析； 编制临界管线表(三级签署) 应力分析管线表静力分析 应力分析 (三、四级)；动力分析 卧式容器固定端确定，立式设备支耳标高确定； 支管补强计算； 动设备许用荷载校核(四级), 夹套管(蒸汽、热油、热水)计算(端部强度计算、内部导向翼板位置确定、同时包括任何应力分析管道的所有内容)； 往复式压缩机、往复泵动力分析(四级)； 安全阀、爆破膜泄放反力计算； 结构、建筑荷载条件； 设备管口荷载、预焊件条件； 编制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据表； 编制柔性件(膨胀节、软管等)采购MR文件及
6、技术数据表；,6.3、各文件应包含的内容： 工程规定内容A、适用范围； B、概述；C、设计中采用的标准规范；D、计算程序(软件)；E、设计温度、压力、安装温度(环境温度)、压力；F、设计荷载 风压值； 地震烈度； 雪荷载； 土壤的力学性质；G、临界管线表的确定准则（哪些管线该做哪类的应力分析）；H、计算及安全性评定准则；I、应力分析工作流程。J、其它, 壁厚计算 A、当 B、当t 的确定应根据断裂理论、疲劳、热应力及材料特性等因素综合考虑确定。 C、外压直管的壁厚，应根据GB150规定的方法确定。 D、其它的管件(如Y型三通、孔板等)依据相应的规范(GB50316-2000)公式进行计算。,
7、临界管线表公式法：D0 管外径(mm) Y 管段总位移(mm) Y=(X2+Y2 +Z2)1/2 L 管段两个固定点的展开长度(m) (AB+BC+CD) U 管段两个固定点的直线距离(m) (AD间的直线距离) (依据ASME/ANSI B31.1及B31.3),公式的适用范围,A、静力分析包含的内容a) 一次应力计算及评定 防止管道塑性变形破坏.b) 二次应力计算及评定 防止疲劳破坏。c) 设备管口受力计算(及评定) 防止作用力太大，保证设备正常运行。d) 支承点受力计算 为支吊架设计提供依据。e) 管道上法兰受力计算 防止法兰泄漏。f) 两相流及液击冲击载荷计算 为支吊架和结构设计提供依
8、据。,B、动力分析包含的内容a)管道固有频率分析 防止共振。b)管道强迫振动响应分析 控制管道振动及应力。c)往复式压缩机(泵)气(液)柱频率分析 防止气柱共振。d)往复式压缩机(泵)压力脉动分析 控制压力脉动值(值)。,C、动力分析要点b) 机器动平衡差修改基础设计,c)减少脉动和气柱共振的方法： 1)加大缓冲罐 依据API618计算缓冲罐的体积，一般为气缸容积的10倍以上，使缓冲罐尽量靠近进出口，但不能放在共振管长位置。 2)两台或三台压缩机的汇集总管截面积至少为进口管截面积的三倍，且应使柱塞流的冲击力不增加。 3)孔板消振 在缓冲罐的出口加一块孔板。孔径大小：孔板厚度=35mm 孔板位置
9、 在较大缓冲罐的进出口均可,d)减少激振力减少弯头、三通、异径管等管件。改90。为弯头45。弯头。 e)改变（提高）管线的固有频率，使其远离激振力频率。(1)共振区域, 放大因子 W1 固有频率（角频） W0 激振频率（角频）通常W1应避开0.8W0 1.2W0 的区域，在工程中最好避开 0.5W0 1.5W0的范围，这样振幅较小。,(2)通常W1应在W0（压缩机的吸入或吸出频率）的1.2倍以上，设计时最好控制在1.5倍以上。,(3)激振力频率n = 转/分 压缩机转数,(4)控制压力脉动,注：此为原苏联标准 (5)卧式容器固定端及立式设备支耳标高确定 提高管道柔性，减小位移量，防止对设备管口
10、的推力过大。 支管补强计算 降低局部应力 等面积补强 WRC329,支耳标高确定, 动设备管口许用荷载校核 API 610;API 617; NEMA SM 23; API 661。, 往复式机泵动力分析 安全阀，爆破膜泄放反力计算(见标准计算程序)ANSI/B 31.1(气体)；API RP 520(气体、气混) 结构，荷载条件： F1000Kgf，M750Kgf BfBf 梁翼缘宽度。需提条件给土建 ：沉降量的考虑；储罐抗震措施。,管端结构,安全阀与爆破片,设备管口荷载及预焊件条件 供设备专业校核局部应力和设计用编制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据表 选型、荷载、位移 串联 按最大荷载选
11、弹簧位移按最大位移量分配 并联 选同型号弹簧、荷载平均分配 荷载变化率 国标25（可改变） 编制柔性件（膨胀节、软管等）采购MR文件及柔性件技术数据表,插图,设备管口承载能力表,七、管道应力分析中的特殊问题 7.1、夹套管应力分析 7.2、埋地管应力分析 7.3、高压管道应力分析 八、有限元法在管道应力分析中的应用 九、管道应力分析程序 9.1、CAESAR II软件的应用 9.2、AUTOPIPE软件的应用,十、管道支架设计 10.1、管道支架的分类及定义 按支架的作用分为三大类：承重架、限制性支架和减振架。 1）承重架 : 用来承受管道的重力及其它垂直向下载荷的支架(含可调支架)。 a）滑
12、动架：在支承点的下方支撑的托架，除垂直方向支撑力及水平方向摩擦力以外，没有其他任何阻力。 b）弹簧架：包括恒力弹簧架和可变弹簧架。 c ）刚性吊架：在支承点的上方以悬吊的方式承受管道的重力及其他垂直向下的荷载，吊杆处于受拉状态。 d）滚动支架：采用滚筒支承，摩擦力较小。,吊架,2）限制性支架：用来阻止、限制或控制管道系统位移的支架(含可调限位架)。 a）导向架：使管道只能沿轴向移动的支架，并阻止因弯矩或扭矩引起的旋转。 b）限位架：限位架的作用是限制线位移。在所限制的轴线上，至少有一个方向被限制。 c）定值限位架：在任何一个轴线上限制管道的位移至所要求的数值，称为定值限位架。 d）固定架：限制
13、管道的全部位移。 3）减振架：用来控制或减小除重力和热膨胀作用以外的任何力(如物料冲击、机械振动、风力及地震等外部荷载)的作用所产生的管道振动的支架。减振架有弹簧及油压和机械三种类型。,10.2、管道跨距及导向间距 1）管道跨距 强度及刚度两项控制a)力学模型强度条件：连续敷设水平直管允许跨距强度条件是管道中最大 纵向应力不得大于设计温度下的材料的许用应力。 b)管道跨距计算 c) 不考虑内压最大允许跨距 d)考虑内压最大允许跨距 e)大直径薄壁管道,10.2、管道跨距及导向间距 2）导向间距：a）水平管b）垂直垂直管道的最大导向支架间距大致可按不保温管充水的水平管道支架间距进行圆整。,10.
14、3、 确定管道支架位置的要点 10.3.1 承重架距离应不大于支架的最大间距。 10.3.2 尽量利用已有的土建结构的构件支承，及在管廊的梁柱上支承。 10.3.3 在垂直管段弯头附近，或在垂直段重心以上做承重架，垂直段长时，可在下部增设导向架（当载荷大时，可采用弹簧架分载荷）。 10.3.4 在集中荷载大的管道组成件附近设承重架。 10.3.5 尽量使设备接管的受力减小。如支架靠近接管，对接管不会产生较大的热胀弯矩。 10.3.6 考虑维修方便，使拆卸管段时最好不需做临时支架。 10.3.7 支架的位置及类型应尽量减小作用力对被生根部件的不良影响,10.3.8 管道支吊架应设在弯管和大直径三
15、通式分支管附近 10.3.9 对于需要作详细应力计算的管道，应根据应力计算结果设计管架 10.3.10 在敏感的设备(泵、压缩机)附近，应设置弹簧支架，以防止设备口承受过大的管道荷载 10.3.11 往复式压缩机的吸入或排出管道以及其它有强烈振动的管道，宜单独设置有独立基础的支架，(支架生根于地面的管墩或管架上)，以避免将振动传递到建筑物上 10.3.12 除振动管道外，应尽可能利用建筑物、构筑物的梁柱作为支架的生根点，且应考虑生根点所能承受的荷载，生根点的构造应能满足生根件的要求 10.3.13 管道支吊架应设在不妨碍管道与设备的连接和检修的部位,10.4、管道布置过程中对支架位置的考虑 1
16、0.4.1 管道走向首先要满足安全生产、工艺要求，操作方便，安装维修方便； 10.4.2 管道尽量集中布置，如成排布置，便于做联合支架，尽量减少分散独立设置的柱式架。同时达到整齐美观。 10.4.3 管道布置应靠近可能作支架的点，如靠近为其它目的的做的构筑物，沿建筑物的墙、柱。或沿平台下敷设，以便利用梁和柱来支承。 10.4.4 管道成组布置时，各管道的被支承面应取齐，即水平管管托底面和不保温管的管底应取齐，竖直管管托底面和不保温管的管底应侧齐, 以便设计支架。 10.4.5 采用弹簧支座或吊架时，管道与生根构件之间应有足够的空间。,10.5、管道支吊架选用的原则： 10.5.1 在选用管道支
17、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、是否保温或保冷、管道的材质等条件选用适合的支吊架；对于冷管,在管架设计时,应该有防止冷桥产生的措施; 10.5.2 设计管道支吊架时，应尽可能选用标准管卡、管托和管吊； 10.5.3 下列情况，不得采用焊接型的管托和管吊： a）管内介质温度等于或大于400的碳素钢材质的管道； b）低温管道； c）合金钢材质的管道； d）生产中需要经常拆卸检修的管道；,e）架空敷设且不易施工焊接的管道； f）非金属衬里管道； g）需热处理的管道（消除应力） 10.5.4 为防止管道过大的横向位移和可能承受的冲击荷载，一般在下列位置设置导向管托
18、，以保证管道只沿着轴向位移： a）可能产生振动的两相流管道； b）横向位移过大可能影响邻近管道时；固定支架之间的距离过长，可能产生横向不稳定时；（柱失稳） c）为防止法兰和活接头泄漏要求管道不宜有过大的横向位移时；,10.5.5 当架空敷设的管道热胀量超过100mm时，应选用加长管托，以免管托滑到管架梁下； 10.5.6 凡支架生根在设备上时，应向设备专业提出所用预焊件的条件； 10.5.7 对于荷载较大的支架位置要事先与有关专业设计人联系，并提出支架位置、标高和载荷情况； 10.5.8 凡需要限制管道位移量时，应考虑设置限位架。 10.5.9 安全阀出口管线的支架要高度重视，应足以抵抗泄放时
19、冲击荷载的作用 10.6、管道固定点的设置应满足下列要求： 10.6.1 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形管段、U形管段、Z形管段等以便进行分析计算；,10.6.2 确定管道固定点位置时，使其有利于两固定点间管段的自然补偿； 10.6.3 选用形补偿器时，宜将其设置在两固定点的中部； 10.6.4 固定点宜靠近需要限制分支管位移的地方； 10.6.5 固定点应设置在需要承受管道振动、冲击荷载或需要限制管道多方向位移的地方； 10.6.6 作用于管道中固定点的荷载，应考虑其两侧各滑动支架的摩擦反力； 10.6.7 进出装置的工艺管道和非常温的公用工程管道，宜在装置分
20、界处设固定点。,形补偿器,10.7、管道支架生根的结构型式 10.7.1 在设备（VESSEL）上生根： 在设计从设备上生根的支架时，要求在设备上预焊生根件。如果现场安装支架在设备壁上直接焊接，许多设备需要重新检验，且拖延施工进度。焊后残余应力会影响设备的防腐能力和机械性能。对于非金属衬里的设备，现场焊接会损坏内衬如橡胶、塑料、玻璃等。 对容器类设备的管口、设备上的生根件(包括管道支架预焊件、平台预焊件及保温(冷)的预焊件等)都确定下来，把条件及资料送交设备制造厂，这对于提前制造设备是十分有利的。越是复杂的及制造周期长的设备，越需提前提出条件。,在设计中，应将生根件(预焊件)的位置、荷载(力及
21、力矩)、预焊件的尺寸或标准等提供给设备设计者，以满足支架设计的要求。 10.7.2 在混凝土（CONCRETE）结构上生根 通常采用的方法有：预埋钢板或型钢或套管、在混凝土结构上钻孔后用膨胀螺栓固定等。 10.7.3 在墙上（WALL）生根 墙上预留孔、砌预制块(带有预埋钢板)，以及采用膨胀螺栓固定等。 10.7.4 在地面/基础（FOUNDATION）上生根 10.7.5 在钢结构/大管上（STEEL）生根,10.8、管架设计注意事项： (1) 和配管焊接时，注意材料一致性及可焊性 (2) 注意焊缝位置 (3) 管架基础注意躲地沟及设备基础 (4) 注意生根部位的强度和刚度 (5) 尽量不把
22、力矩传给结构及设备 (6) 要有力学概念 (7) 支架的可行性 (8) 管架设计的统一性,（常压）设备管口承载能力表（仅供参考）,注： F=N，M=N M；该表依据 R=1000mm，t=10mm；若不同，则加修正系数若为压力容器，则取表列值的75。,返回,L1=L1 t1 L2=L2 t2 L1与L2尽可能接近。,返回,返回,返回,适用性：同直径，两端固定，无支管，无中间约束。 不适用：1、剧烈循环条件下工作管道（循环次数大于7000）；2、大直径的薄壁管（t/D0.02);3、端点位移量占总位移量大部分的管道；4、L/U 2.5的不等腿U形管道或近似锯齿形的管道；5、约束点的约束力有要求的管道；6、非钢的管道。,返回,返回,设计吊架时不仅要计算承载力，同时要考虑管道在该处的位移量。,返回,返回,
