CAESARII基礎(chǔ)知識

1、CAESARII 基咄知識所有資料版權(quán)屬艾思弗軟件公司所有，未經(jīng)許可，不得拷貝！CAESARII-管道應(yīng)力分析軟件（系列培訓(xùn)教材）管道應(yīng)力分析基礎(chǔ)知識北京市艾思弗計算機軟件技術(shù)有限責任公司2003年1月15日管道應(yīng)力分析基礎(chǔ)知識1管道應(yīng)力分析的原則管道應(yīng)力分析應(yīng)保證管道在設(shè)計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、管道支撐或端點附加位移造成應(yīng)力問題。2管道應(yīng)力分析的主要內(nèi)容 管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動力分析。 靜力分析包括： 1）壓力荷載和持續(xù)荷載作用下的一次應(yīng)力計算防止塑性變形破壞； 2）管道熱脹冷縮以及端點附加位移等位移荷載作用下的二次應(yīng)力計算防止疲勞破壞； 3）管道對設(shè)備作用力的計算

2、防止作用力太大，保證設(shè)備正常運行； 4）管道支吊架的受力計算為支吊架設(shè)計提供依據(jù)； 5）管道上法蘭的受力計算防止法蘭匯漏。 動力分析包括： l）管道自振頻率分析防止管道系統(tǒng)共振； 2）管道強迫振動響應(yīng)分析控制管道振動及應(yīng)力； 3）往復(fù)壓縮機（泵）氣（液）柱頻率分析防止氣柱共振； 4）往復(fù)壓縮機（泵）壓力脈動分析控制壓力脈動值。3管道上可能承受的荷載 （1）重力荷載：包括管道自重、保溫重、介質(zhì)重和積雪重等； （2）壓力荷載：壓力載荷包括內(nèi)壓力和外壓力； （3）位移荷載：位移載荷包括管道熱脹冷縮位移、端點附加位移、支撐沉降等； （4）風荷載； （5）地震荷載； （6）瞬變流沖擊荷載：如安全閥啟跳或

3、閥門的快速啟閉時的壓力沖擊： （7）兩相流脈動荷載； （8）壓力脈動荷載：如往復(fù)壓縮機往復(fù)運動所產(chǎn)生的壓力脈動； （9）機械振動荷載：如回轉(zhuǎn)設(shè)備的振動。 4管道應(yīng)力分析的目的 （1）為了使管道和管件內(nèi)的應(yīng)力不超過許用應(yīng)力值； （2）為了使與管系相連的設(shè)備的管道荷載在制造商或國際規(guī)范（如 NEMA SM-23、API-610、API-6 17等）規(guī)定的許用范圍內(nèi)； （3）為了使與管系相連的設(shè)備管口的局部應(yīng)力在 ASME Vlll的允許范圍內(nèi)； （4）為了計算管系中支架和約束的設(shè)計荷載； （5）為了進行操作工況碰撞檢查而確定管于的位移； （6）為了優(yōu)化管系設(shè)計。5管道柔性設(shè)計方法的確定 一般說來，

4、下述管系必須利用應(yīng)力分析軟件（如 CAESAR II）通過計算機進行計算及分析。 （1）與貯罐相連的，公稱管徑12”及以上且設(shè)計溫度在100度及上的管線； （2）離心式壓縮機（API 617）及往復(fù)式壓縮機（API 618）的3”及以上的進、出口管線： （3）蒸汽透平（NAME SM23）的入口、出口和抽提管線； （4）泵（API 610）公稱管徑4”及以上且溫度 100度及以上或溫度-20度及以下的吸入。排出管線； （5）空冷器（API 661）公稱管徑 6”及以上且溫度 120度及以上的進、出口管線； （6）加熱爐（API 560）與管口相連的 6”及以上和溫度 200度及以上的管線； （

5、7）相當長的直管，如界區(qū)外的管廊上的管線； （8）法蘭處的泄漏會造成重大危險的管線，如氧氣管線、環(huán)氧乙烷管線等。 （9）公稱管徑4”及以上且100度及以上或-50度及以下的所有管線；6摩擦系數(shù)的確定 除非另有規(guī)定，在進行管道柔性分析時摩擦系數(shù)應(yīng)作如下考慮： 滑動支架： 鋼對鋼 0.3 不銹鋼對聚四氟乙烯 0.1 聚四氟乙烯對聚四氟乙烯 0.08 鋼對混凝土 0.6 滾動支架： 鋼對鋼（滾珠） 0.3 鋼對鋼（滾柱） 0.3 注：滾珠沿軸向運動時應(yīng)采用滑動摩擦系數(shù)7管道柔性設(shè)計 管道柔性是反映管道變形難易程度的一個物理概念，表示管道通過自身變形吸收熱脹、冷縮和其它位移變形的能力。 進行管道設(shè)計時

6、，應(yīng)在保證管道具有足夠的柔性來吸收位移應(yīng)變的前提下，使管道的長度盡可能短或投資盡可能少。在管道柔性設(shè)計中，除考慮管道本身的熱脹冷縮外，還應(yīng)考慮管道端點的附加位移。設(shè)計時，一般采用下列一種或幾種措施來增加管道的柔性： （1）改變管道的走向； （2）選用波形補償器、套管式補償器或球形補償器；（3）選用彈性支吊架。8管道柔性設(shè)計的目的 管道柔性設(shè)計的目的是保證管道在設(shè)計條件下具有足夠的柔性，防止管道回熱脹冷縮、端點附加位移、管道支撐設(shè)置不當?shù)仍蛟斐上铝袉栴}； （1）管道應(yīng)力過大引起金屬疲勞和（或）管道推力過大造成支架破壞； （2）管道連接處產(chǎn)生泄漏；（3）管道推力或力矩過大，使與其相連接的設(shè)備產(chǎn)生

7、過大的應(yīng)力或變形，影響設(shè)備正常運行。9應(yīng)進行詳細柔性設(shè)計的管道 （1）進出加熱爐及蒸汽發(fā)生器的高溫管道； （2）進出汽輪機的蒸汽管道； （3）進出離心壓縮機，透平鼓風機的工藝管道； （4）進出離心分離機的工藝管道； （5）進出高溫反應(yīng)器的管道； （6）溫度超過400的管道； （7）利用圖表或其他簡化法初步分析后，表明需要進一步詳細分析的管道：（8）與有受力要求的其他設(shè)備相連的管道。10管道柔性設(shè)計計算結(jié)果的內(nèi)容 （1）輸入數(shù)據(jù)； （2）各節(jié)點的位移和轉(zhuǎn)角； （3）各約束點的力和力矩； （4）各節(jié)點的應(yīng)力； （5）二次應(yīng)力最大值的節(jié)點號、應(yīng)力值和許用應(yīng)力范圍值；（6）彈簧參數(shù)表。11管道柔性設(shè)計

8、合格的標準 （1）管道上各點的一、二次應(yīng)力值應(yīng)小于許用應(yīng)力范圍； （2）管道對設(shè)備管口的推力和力矩應(yīng)在允許的范圍內(nèi)；（3）管道的最大位移量應(yīng)能滿足管道布置的要求。12冷緊問題 冷緊是指在安裝時（冷態(tài)）使管道產(chǎn)生一個初位移和初應(yīng)力的一種方法。 如果熱脹產(chǎn)生的初應(yīng)力較大時，在運行初期，初始應(yīng)力超過材料的屈服強度而發(fā)生塑性變形，或在高溫持續(xù)作用下，管道上產(chǎn)生應(yīng)力松弛或發(fā)生蠕變現(xiàn)象，在管道重新回到冷態(tài)時，則產(chǎn)生反方向的應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為自冷緊。 冷緊的目的是將管道的熱應(yīng)變一部分集中在冷態(tài)，從而降低管道在熱態(tài)時的熱脹應(yīng)力和對端點的推力和力矩，也可防止法蘭連接處彎矩過大而發(fā)生泄漏。但冷緊不改變熱脹應(yīng)力范圍

9、。 冷緊比是冷緊值與全補償量的比值。 通常應(yīng)盡量避免采用冷緊，在必須采用冷緊的情況下，要遵循下列原則：l 為了降低管道運行初期在工作狀態(tài)下的應(yīng)力和管道對連接設(shè)備或固定點的推力、力矩以及位移量，可以采用冷緊，但冷緊不能降低管道的應(yīng)力范圍；l 對于材料在蠕變條件下（碳鋼380度以上，低合金鋼和高鉻鋼420度以上）工作的管道進行冷緊時，冷緊比（亦即冷緊值與全補償量的比值）應(yīng)不小于0.7。對于材料在非蠕變條件下工作的管道，冷緊比取0.5。對冷緊有效系數(shù)，熱態(tài)取2/3，冷態(tài)取1。l 對連接轉(zhuǎn)動設(shè)備的管道，不宜采用冷緊。l 與敏感設(shè)備相連的管道不宜采用冷緊。因為由于施工誤差使得冷緊量難于控制，另一方面，在

10、管道安裝完成要將與敏感設(shè)備管口相連的管口法蘭卸開，以檢查該法蘭與設(shè)備法蘭的同軸度和平行度，如果采用冷緊將無法進行這一檢查。13帶約束的金屬波紋管膨脹節(jié)類型 （1）單式鉸鏈型膨脹節(jié)，由一個波紋管及銷軸和鉸鏈板組成，用于吸收單平面角位移； （2）單式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)，由一個波紋管及萬向環(huán)、銷軸和鉸鏈組成，能吸收多平面角位移；（3）復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)，由用中間管連接的兩個波紋管及拉桿組成，能吸收多平面橫向位移和膨脹節(jié)本身的軸向位移；（4）復(fù)式鉸鏈型膨脹節(jié)，由用中間管連接的兩個波紋管及銷軸和鉸鏈板組成，能吸收單平面橫向位移和膨脹節(jié)本身的軸向位移；（5）復(fù)式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)，由用中間管連接的兩個波紋管及銷

11、軸和鉸鏈板組成，能吸收互相垂直的兩個平面橫向位移和膨脹節(jié)本身的軸向位移；（6）彎管壓力平衡型膨脹節(jié)，由一個工作波紋管或用中間管連接的兩個工作波紋管及一個平衡波紋管構(gòu)成，工作波紋管與平衡波紋管間裝有彎頭或三通，平衡波紋管一端有封頭并承受管道內(nèi)壓，工作波紋管和平衡波紋管外端間裝有拉桿。此種膨脹節(jié)能吸收軸向位移和或橫向位移。拉桿能約束波紋管壓力推力。常用于管道方向改變處；（7）直管壓力平衡型膨脹節(jié)，一般由位于兩端的兩個工作波紋管及有效面積等于二倍工作波紋管有效面積、位于中間的一個平衡波紋管組成，兩套拉桿分別將每一個工作波紋管與平衡波紋管相互連接起來。此種膨脹節(jié)能吸收軸向位移。拉桿能約束波紋管壓力推力

12、。帶約束的金屬波紋管膨脹節(jié)的共同特點是管道的內(nèi)壓推力（俗稱盲板力）沒有作用于固定點或限位點外，而是由約束波紋膨脹節(jié)用的金屬部件承受。14對轉(zhuǎn)動設(shè)備允許推力的限制 管道對轉(zhuǎn)動設(shè)備的允許推力和力矩就由制造廠提出，當制造廠無數(shù)據(jù)時，可按下列規(guī)定進行核算：（1）單列、中心線安裝、兩點支撐的離心泵，其允許推力和力矩應(yīng)符合API610規(guī)定；（2）尺寸較小的非冷凝式通用汽輪機，蒸汽管道對汽輪機接管法蘭的最大允許推力和力矩應(yīng)符合NEMA SM23的規(guī)定。（3）離心壓縮機的管道對壓縮機接管法蘭的最大允許推力和力矩應(yīng)取NEMA SM23規(guī)定值的1.85 倍。15熱膨脹量（初位移）的確定（l）封頭中心管口熱膨脹量的

13、計算 封頭中心管口只有一個方向的熱膨脹，即垂直方向，考慮到從分離塔固定點至封頭中心管口之間可能存在操作溫度和材質(zhì)的變化，故總膨脹量按下式計算；（2）封頭斜插管口熱膨脹量的計算 封頭斜插管口有兩個方向的熱膨脹，即垂直方向和水平方向的熱膨脹，垂直方向的熱膨脹量計算公式，水平方向的熱膨脹量按下式計算： （3）上部筒體徑向管口有兩個方向的熱膨脹，即垂直方向和水平方向的熱膨脹，垂直方向的熱膨脹量計算同式，水平方向的熱膨脹量按下式計算：16管道設(shè)計中可能遇到的振動 （l）往復(fù)式壓縮機及往復(fù)泵進出口管道的振動； （2）兩相流管道呈柱塞流時的振動； （3）水錘： （4）安全閥排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的振動； （5）風載荷

14、、地震載荷引起的振動。17往復(fù)壓縮機、往復(fù)泵的管道振動分析的內(nèi)容 振動分析應(yīng)包括： （1）氣（液）柱固有頻率分析，使其避開激振力的頻率； （2）壓力脈動不均勻度分析，采用設(shè)置緩沖器或孔板等脈動抑制措施，將壓力不均勻度控制在允許范圍內(nèi)： （3）管系結(jié)構(gòu)振動固有頻率、振動及各節(jié)點的振幅及振動應(yīng)力分析，通過設(shè)置防振支架優(yōu)化管道布置，消除過大管道振動。18共振 當作用在系統(tǒng)上的激振力頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率時，振動系統(tǒng)的振幅會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為共振。 往復(fù)泵管道設(shè)計中可能引發(fā)共振的因素有：管道布置出現(xiàn)共振管長：緩沖器和管徑設(shè)計不當造成流體固有頻率與激振頻率重疊導(dǎo)致氣（液）柱共振；支撐型式設(shè)置不

15、當，轉(zhuǎn)彎過多等造成管系機械振動固有頻率與激振力頻率重疊。 要避免發(fā)生共振，應(yīng)使氣（液）柱固有頻率、管系的結(jié)構(gòu)固有頻率與激振力頻率錯開。管道設(shè)計時應(yīng)進行振動分析，合理設(shè)置緩沖器，避開共振管長，盡可能減少彎頭，合理設(shè)置支架。 19管道支吊架的類型 管道支吊架可分為三大類：承重支吊架、限制性支吊架和防振支架。 承重支吊架可分為：剛性支吊架、可調(diào)剛性支吊架、彈簧支吊架和恒力支吊架。 限制性支吊架可分為：固定支架、限位支架和導(dǎo)向支架。 防振支架可分為：減振器和阻尼器。20管道支吊架選用的原則（1）在選用管道支吊架時，應(yīng)按照支撐點所承受的荷載大小和方向、管道的位移情況、工作溫度是否保溫式保冷、管道的材質(zhì)等

16、條件選用合適的支吊架： （2）設(shè)計管道支吊架時，應(yīng)盡可能選用標準管卡、管托和管吊； （3）焊接型的管托、管吊比卡箍型的管托、管吊省鋼材，且制作簡單，施工方例，因此，除下列情況外，應(yīng)盡量采用焊接型的管插和管吊； l）管內(nèi)介質(zhì)溫度等于或大于400度的碳素鋼材質(zhì)的管道； 2）低溫管道； 3）合金鋼材質(zhì)的管道； 4）生產(chǎn)中需要經(jīng)常拆卸檢修的管道；21管道支吊架的作用 第一：承受管道的重量荷載（包括自重、介質(zhì)重等）； 第二：起限位作用，阻止管道發(fā)生非預(yù)期方向的位移； 第三：控制振動，用來控制擺動、振動或沖擊。 固定架限制了三個方向的線位移和三個方向的角位移； 導(dǎo)向架限制了兩個方向的線位移； 支托架（或單

17、向止推架）限制了一個方向的線位移。22恒力彈簧支吊架、可變彈簧支吊架和剛性支吊架的剛度 恒力彈簧支吊架的剛度理論上為零： 剛性支吊架的剛度理論上為無窮大； 可變彈簧支吊架的剛度等于彈簧產(chǎn)生單位變形所需要的力。23恒力彈簧支吊架和可變彈簧支吊架在應(yīng)用上的限制 恒力彈簧支吊架適用于垂直位移量較大或受力要求荷刻的場合，避免冷熱態(tài)受力變化太大，導(dǎo)致設(shè)備受力或管系應(yīng)力超標。恒力彈簧的恒定度應(yīng)小于或等6，以保證支吊點發(fā)生位移時，支撐力的變化很小。 可變彈簧適用于支撐點有垂直位移，用剛性支撐會脫空或造成過大熱脹推力的場合。與恒力彈簧相比，使用可變彈簧會造成一定的荷載轉(zhuǎn)移，為防止過大的荷載轉(zhuǎn)移，可變彈簧的荷載

18、變化率應(yīng)小于或等于25。24設(shè)計振動管道支架時，應(yīng)注意下列問題 （1）支架應(yīng)采用防振管卡； （2）支架間距應(yīng)經(jīng)過振動分析后確定； （3）支架結(jié)構(gòu)和支架的生根部分應(yīng)有足夠的剛度； （4）宜設(shè)獨立基礎(chǔ)，盡量避免生根在廠房的梁柱上； （5）當管內(nèi)介質(zhì)溫度較高，產(chǎn)生熱脹時，應(yīng)滿足柔性分析的要求； （6）支架應(yīng)盡量沿地面設(shè)置。25管道支吊架位置的確定（1）應(yīng)滿足管道最大允許跨度的要求；（2）當有集中載荷時，支架應(yīng)布置在靠近集中載荷的地方，以減少偏心載荷和彎曲應(yīng)力；（3）在敏感的設(shè)備（泵、壓縮機）附近，應(yīng)設(shè)置支架，以防止設(shè)備嘴于承受過的管道荷載；(4）往復(fù)式壓縮機的吸入或排出管道以及其它有強烈振動的管道，

19、直單獨設(shè)置支架，（支架生根于地面的管墩或管架上），以避免將振動傳遞到建筑物上；（5）除振動管道外，應(yīng)盡可能利用建筑物、構(gòu)筑物的梁柱作為支架的上根點，且應(yīng)考慮生根點所能承受的荷載，生根點的構(gòu)造應(yīng)能滿足生根件的要求。 （6）對于復(fù)盡可能的管道，尤其是需要作詳細應(yīng)力計算的管道，尚應(yīng)根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果調(diào)整（7）管道支吊架應(yīng)設(shè)在不妨礙管道與設(shè)備的連接和檢修的部位；（8）管道支吊架應(yīng)設(shè)在彎管和大直徑三通式分支管附近；（9）安全泄壓裝置出口管道應(yīng)根據(jù)需要，考慮是否設(shè)置支架。26設(shè)置管道固定點應(yīng)考慮下列問題 （l）對于復(fù)雜管道可用固定點將其劃分成幾個形狀較為簡單的管段，如L形管段、U形管段、Z形管段等以便進行分析計算： （2）確定管道固定點位置時，使其有利于兩固定點間管段的自然補償； （3）選用II形補償器時，宜將其設(shè)置在兩固定點的中部； （4）固定點直靠近需要限制分支管位移的地方； （5）固定點應(yīng)設(shè)置在需要承受管道振動、沖擊載荷或需要限制管道多方向位移的地方。 （6）作用于管道中固定點