金屬管道的應(yīng)力分析

金屬管道的應(yīng)力分析1.1一般規(guī)定1.1.1管道系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的柔性，以防止管道系統(tǒng)由于熱脹冷縮、管道支撐及端部附加位移等產(chǎn)生下列情況：1應(yīng)力超限或疲勞原因造成的管道或支吊架失效；2荷載過大造成的管道連接部位發(fā)生泄漏；3荷載過大造成的管道支吊架、管道元件或與管道連接的設(shè)備產(chǎn)生過大應(yīng)力或變形。1.1.2管道對所連接機器設(shè)備的荷載應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定或滿足設(shè)備制造廠提出的允許荷載的要求。管道對壓力容器管口上的荷載應(yīng)作為校核容器強度的條件。1.1.3經(jīng)柔性分析確認為劇烈循環(huán)條件的管道時，應(yīng)按本規(guī)范核對管道組成件選用的規(guī)定；當(dāng)不能滿足要求時，應(yīng)修改設(shè)計，降低計算的位移應(yīng)力范圍，使劇烈循環(huán)條件變?yōu)榉莿×已h(huán)條件。1.1.4管道柔性設(shè)計時還應(yīng)計及本規(guī)范第3.1.5條所述動態(tài)荷載。1.2管道應(yīng)力分析的范圍及方法1.2.1管道應(yīng)力分析的范圍應(yīng)符合下列規(guī)定：1管道均應(yīng)進行應(yīng)力分析，工程設(shè)計中宜根據(jù)管道的溫度、壓力、公稱直徑、介質(zhì)危險程度、連接的設(shè)備類型以及設(shè)備和管道布置情況等確定分析方法和詳細程度。2具備下列條件之一的管道，可免除應(yīng)力分析：1)該管道系統(tǒng)與某一運行情況良好的管道系統(tǒng)完全相同；2)該管道系統(tǒng)與已經(jīng)過應(yīng)力分析合格的管道系統(tǒng)相比較，管道布置和管架設(shè)置等相同。1.2.2管道應(yīng)力分析方法應(yīng)符合下列規(guī)定：1管道應(yīng)力分析方法包括簡化分析方法和詳細分析方法。簡化分析方法包括目測法、表格法、圖解法、公式法等，所采用的表和圖應(yīng)經(jīng)計算驗證；2符合下列條件之一的管道，可使用簡化分析方法進行應(yīng)力分析：1)公稱直徑小于DN50；2)設(shè)計溫度大于-46°C小于150°C；3)設(shè)計溫度大于或等于150°C，小于200°C，公稱直徑大于或等于DN50，小于或等于DN400；4)設(shè)計溫度大于或等于200°C，小于350°C，公稱直徑大于或等于DN50，小于或等于DN200；5)對無分支管道或管系的局部，在詳細的應(yīng)力分析前進行初步柔性判斷時，可采用簡化的分析方法。3符合下列條件之一的管道，應(yīng)采用詳細分析方法進行應(yīng)力分析：1)與敏感機器、設(shè)備相連；2)與有特殊荷載要求的設(shè)備管口相連；3)預(yù)期壽命內(nèi)溫度循環(huán)次數(shù)超過7000次；4)設(shè)計溫度高于或等于350℃，或者低于或等于-46℃，且管道公稱直徑大于或等于DN100；5)利用簡化分析方法后，表明需要進行詳細應(yīng)力分析的。1.3管道應(yīng)力分析的基本要求1.3.1計算管系的劃分應(yīng)符合下列規(guī)定：1管系可按設(shè)備連接點或固定點劃分為若干計算分管系，每一計算分管系中應(yīng)包括其所有管道組成件和各種支吊架。2分支管道不宜從分支點處進行分段計算，僅當(dāng)支管剛度與主管剛度的差別導(dǎo)致分支管對主管牽制作用可略去不計時才可分段，但計算支管時應(yīng)計入主管在分支點處附加給支管的線位移和角位移。1.3.2應(yīng)力分析應(yīng)符合下列規(guī)定：1管道與設(shè)備相連接時，應(yīng)計入管道端點處的附加位移，包括線位移和角位移；2管道應(yīng)力分析應(yīng)計及膨脹節(jié)和其它管道元件的剛度。各種管道元件的柔性系數(shù)和應(yīng)力增大系數(shù)按本規(guī)范附錄E或其它方法計算；3應(yīng)計入不同類型的支吊架的作用；4應(yīng)按管道運行中可能出現(xiàn)的各工況條件計算；5分析中的任何假設(shè)與簡化，不應(yīng)對計算結(jié)果產(chǎn)生不利或不安全的影響；6支吊架生根在有位移的設(shè)備上時，計算時應(yīng)計入此項位移值；7受室外環(huán)境溫度影響的無絕熱層管道應(yīng)計及太陽輻射溫度。1.4管道的位移應(yīng)力范圍1.4.1計算位移應(yīng)力范圍時，應(yīng)計算最低溫度到最高溫度（若環(huán)境溫度為最低或最高溫度時按環(huán)境溫度）的位移應(yīng)力范圍，并可用本規(guī)范附錄B表B.0.2中的線膨脹系數(shù)和本規(guī)范附錄B表B.0.1中在常溫下管道材料的彈性模量。1.4.2位移應(yīng)力范圍的計算，應(yīng)符合下列規(guī)定：1管道由于熱脹、冷縮和其它位移受到約束而產(chǎn)生的位移應(yīng)力范圍σE應(yīng)按式（1.4.2-1）計算：σ(1.4.2-1)其中：σ(1.4.2-2)σ(1.4.2-2)σ(1.4.2-3)式中：σE位移應(yīng)力范圍(MPa)；σa’由位移應(yīng)變產(chǎn)生的軸向應(yīng)力范圍(MPa)；σb’由位移應(yīng)變產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力范圍(MPa)；σt’由位移應(yīng)變產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力范圍(MPa)；Fa’要評估的兩種工況間，由位移應(yīng)變產(chǎn)生的軸向力范圍(N)；ia軸向應(yīng)力增大系數(shù)，缺少更多可用數(shù)據(jù)時，對彎管、彎頭、斜接彎頭(單斜接、寬間距、窄間距斜接彎頭)，取1.0，附錄E中的其它管道組件；AP名義壁厚減去壁厚裕量的管道橫截面積(mm2)；ii平面內(nèi)應(yīng)力增大系數(shù)，見附錄E；Mi’要評估的兩個工況間的平面內(nèi)彎矩范圍(N·mm)；io平面外應(yīng)力增大系數(shù)，見附錄E；Mo’要評估的兩個工況間的平面外彎矩范圍(N·mm)；Z名義壁厚減去壁厚裕量的管道截面模量(mm3)，見本規(guī)范第1.4.3條第1款規(guī)定；it扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增大系數(shù)，缺少更多可用數(shù)據(jù)時，取1.0；Mt’要評估的兩種工況之間，由位移應(yīng)變產(chǎn)生的扭矩范圍(N·mm)；2彎頭、斜接彎頭、三通的主管端和支管端(圖1.4.2)，式（1.4.2-1）中按式（1.4.2-3）計算。圖1.4.2平面內(nèi)和平面外彎矩和扭矩1.4.3直管、彎管、彎頭、三通的主管端及支管端的截面模量，應(yīng)按式(1.4.3)計算。Z=(1.4.3)式中：Z名義壁厚減去壁厚裕量的管道截面模量(mm3)，見本規(guī)范第1.4.3條第1款規(guī)定；Do管子外徑(mm)；Di管子內(nèi)徑(mm)；1.4.4管道計算的最大位移應(yīng)力范圍σE，應(yīng)滿足式(1.4.4)：σE(1.4.4)式中許用的位移應(yīng)力范圍[σ]A，應(yīng)符合本規(guī)范第3.2.7條的規(guī)定。1.5管道對設(shè)備或端點的作用力1.5.1管道設(shè)計應(yīng)根據(jù)管道系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種工況，包括開車、運行、停車、再生、吹掃和試壓等，用以設(shè)計管架及評估設(shè)備管口荷載。計算時應(yīng)計及支架處的摩擦力的影響。1.5.2對于無中間約束、只有兩個固定端點的簡單管道系統(tǒng)，當(dāng)管道無冷緊或各方向采用相同冷緊比時，端點或設(shè)備管口的作用力或力矩可按下列規(guī)定計算：1在最高溫度或最低溫度下，管道對設(shè)備或端點的作用力或力矩，應(yīng)按式(1.5.2-1)計算。R(1.5.2-1)2在安裝溫度下，管道對設(shè)備或端點的作用力或力矩，應(yīng)按式(1.5.2-2)及式(1.5.2-3)計算。RC(1.5.2-2)R(1.5.2-3)當(dāng)σ?σE×E20E當(dāng)σ?σE×式中：Cs冷緊比，由設(shè)計者根據(jù)需要確定，可在0～100％中取用，對于在非蠕變溫度下工作的管線，其冷緊比宜取50%，對于在蠕變溫度下工作的管線，其冷緊比宜取70%；Eh在最高或最低溫度下管道材料的彈性模量(MPa)；E20在安裝溫度下的管道材料的彈性模量，一般可取材料在20℃時的彈性模量(MPa)；Rh管道運行初期在最高或最低溫度下對設(shè)備或端點的作用力(N)和力矩(N?mm)；RC管道運行初期在安裝溫度下對設(shè)備或端點的作用力(N)和力矩(N?mm)；RE以E20和全補償值計算的管道對端點的作用力(N)和力矩(N?mm)；RC1管道應(yīng)變自均衡后在安裝溫度下對設(shè)備或端點的作用力(N)和力矩(N?mm)；[σ]h在分析中的位移循環(huán)內(nèi)，金屬材料在熱態(tài)(預(yù)計最高溫度)下的許用應(yīng)力(MPa)；σE計算的位移應(yīng)力范圍(MPa)。1.5.3當(dāng)管道為多固定點或中間有約束的兩個固定點的復(fù)雜管系或沿坐標(biāo)軸各方向采用不同冷緊比時，式(1.5.2-1)、(1.5.2-2)和(1.5.2-3)不再適用，應(yīng)采用更為詳細的方法進行計算。1.5.4與轉(zhuǎn)動設(shè)備相連的管道，不得使用冷緊。1.5.5管道采用冷緊時，有效冷緊宜取冷緊值的2/3。1.6改善管道柔性的措施1.6.1管道設(shè)計中可利用管道自身的彎曲或扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的變形來達到熱脹或冷縮時的自補償，當(dāng)其柔性不能滿足要求時，可采用下列辦法改善管道的柔性：1調(diào)整支吊架的型式與位置；2改變管道走向。1.6.2當(dāng)受條件限制，不能采用本規(guī)范第1.6.1條的方法改善管道的柔性時，可根據(jù)管道設(shè)計參數(shù)和類別選用補償裝置，尤其是DN400以上可燃氣體排放總管，宜選用金屬波紋膨脹節(jié)進行補償，選用的金屬波紋膨脹節(jié)應(yīng)滿足本規(guī)范附錄M的要求。1.7持續(xù)荷載分析1.7.1管道系統(tǒng)由于壓力、重力及其它持續(xù)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力σL應(yīng)符合本規(guī)范第3.2.6條第3款的規(guī)定。1.7.2由壓力、重力及其它持續(xù)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力σL，按式(1.7.2-1)計算：σ(1.7.2-1)其中σa、σb、σt分別由式(1.7.2-2)、(1.7.2-3)和(1.7.2-4)計算：σ(1.7.2-2)σ(1.4.2-2)σ(1.4.2-3)式中：σa由持續(xù)縱向力產(chǎn)生的應(yīng)力(MPa)；σb由持續(xù)彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力(MPa)；σt由持續(xù)扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力(MPa)；Fa由持續(xù)荷載如壓力和重力產(chǎn)生的縱向力(N)；Ia持續(xù)縱向力系數(shù)，在缺少更多可用數(shù)據(jù)時，取1.0；AP名義壁厚減去壁厚裕量的管道橫截面積(mm2)；Ii平面內(nèi)持續(xù)彎矩系數(shù)，在缺少有效更多可用數(shù)據(jù)時，取0.75倍平面內(nèi)應(yīng)力增大系數(shù)和1.0兩者的較大值；Mi由持續(xù)荷載如壓力和重力產(chǎn)生的平面內(nèi)彎矩(N·mm)；Io平面外持續(xù)彎矩系數(shù)，在缺少有效更多可用數(shù)據(jù)時，取0.75倍平面外應(yīng)力增