管道應(yīng)力分析及計算

1、管道應(yīng)力分析專題,工業(yè)管道材料設(shè)計與應(yīng)力分析技術(shù)高級培訓(xùn),一、管道應(yīng)力分析的目的 1、使管道應(yīng)力在規(guī)范的許用范圍內(nèi)，保證管道系統(tǒng)的整體安全 2、使動（靜）設(shè)備管口載荷符合制造商或公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)使其能長周期、平穩(wěn)運轉(zhuǎn) 3、給結(jié)構(gòu)及各種支撐提供設(shè)計載荷 4、確定管道熱位移及各種沖擊載荷所導(dǎo)致的管道位移 5、解決管道動力學(xué)問題：機械振動、脈動、安全閥排放等 6、優(yōu)化配管設(shè)計,二、管道應(yīng)力分析基礎(chǔ)知識 2.1、應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)力狀態(tài) 2.2、材料的機械性能 2.3、強度理論 2.4、管道變形的基本形式 2.5、管道中的應(yīng)力狀態(tài) 2.6、管道應(yīng)力分類 2.6.1、應(yīng)力分類校核遵循的原則 2.6.2、管道應(yīng)力分

2、析中的應(yīng)力分類 2.6.3、管道應(yīng)力分析中一次和二次應(yīng)力超標(biāo)原因 2.7、管道應(yīng)力分析所遵循的標(biāo)準(zhǔn),三、管道的柔性設(shè)計 3.1、柔性定義及柔性設(shè)計的方法和目的 a)定義 b)目的 c)設(shè)計方法 d)端點位移考慮 3.2、是否進(jìn)行詳細(xì)柔性設(shè)計的判別方法 a)應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)柔性設(shè)計的管道 b)可以不進(jìn)行詳細(xì)柔性設(shè)計的管道 c)判別式的使用方法與注意事項 3.3、管道的熱補償,三、管道的柔性設(shè)計 3.4、應(yīng)力增大因子 3.5、柔性分析方程 3.6、彈性模量隨溫度變化效應(yīng) 3.7、柔性分析的另一規(guī)則,四、管道應(yīng)力分析的職責(zé) 4.1、應(yīng)力分析（靜力分析、動力分析）; 4.2、對重要管線的壁厚進(jìn)行計算，包括特

3、殊管件的應(yīng)力分析； 4.3、對動設(shè)備（機泵、空冷器、透平等）管口受力進(jìn)行校核計算； 4.4、管架設(shè)計； 4.5、審核供貨商文件； 4.6、編制、修改相關(guān)規(guī)定； 4.7、編制應(yīng)力分析及管架設(shè)計工程規(guī)定； 4.8、本專業(yè)人員培訓(xùn)； 4.9、進(jìn)度、質(zhì)量及人工時控制 ； 4.10、參加現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)；,五、管道機械專業(yè)（應(yīng)力分析）常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 1、GB50316-2000工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范 2、HG/T20645-1998化工裝置管道機械設(shè)計規(guī)定 3、SH/T3041-2002石油化工企業(yè)管道柔性設(shè)計規(guī)范 4、GB150鋼制壓力容器 5、JB/T8130.1-1999 恒力彈簧支吊架 6、JB/T8

4、130.2-1999 可變彈簧支吊架 7、GB 50251-2003 輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范 8、GB 50253-2003 輸油管道工程設(shè)計規(guī)范 9、ASME/ANSI B31.1 - Power Piping,10、ASME/ANSI B31.3 Process Piping 11、ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution piping systems 12、ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systems 13、API610 - 離心泵 14、NE

5、MA SM23 - 透平 15、API617 - 離心式壓縮機 16、API618 - 往復(fù)式壓縮機 17、API661 - 空冷器 18、ANSI/B31.1、APIRP520 - 安全閥、爆破膜,六、工程設(shè)計階段管機專業(yè)的任務(wù) 6.1、初步設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計階段 編制工程設(shè)計規(guī)定(應(yīng)力分析、管架設(shè)計) (四級簽署)； (2) 參加設(shè)備布置工作； (3) 對主要管線的走向進(jìn)行應(yīng)力分析和評定。,6.2、詳細(xì)設(shè)計階段 修訂工程設(shè)計規(guī)定(應(yīng)力分析、管架設(shè)計) (四級簽署)； 重要管線的壁厚計算，特殊管件的應(yīng)力分析； 編制臨界管線表(三級簽署) 應(yīng)力分析管線表 靜力分析 應(yīng)力分析 (三、四級)； 動力分

6、析 臥式容器固定端確定，立式設(shè)備支耳標(biāo)高確定； 支管補強計算； 動設(shè)備許用荷載校核(四級), 夾套管(蒸汽、熱油、熱水)計算(端部強度計算、內(nèi)部導(dǎo)向翼板位置確定、同時包括任何應(yīng)力分析管道的所有內(nèi)容)； 往復(fù)式壓縮機、往復(fù)泵動力分析(四級)； 安全閥、爆破膜泄放反力計算； 結(jié)構(gòu)、建筑荷載條件； 設(shè)備管口荷載、預(yù)焊件條件； 編制彈簧架采購MR文件及彈簧架技術(shù)數(shù)據(jù)表； 編制柔性件(膨脹節(jié)、軟管等)采購MR文件及技術(shù)數(shù)據(jù)表；,6.3、各文件應(yīng)包含的內(nèi)容： 工程規(guī)定內(nèi)容 A、適用范圍； B、概述； C、設(shè)計中采用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范； D、計算程序(軟件)； E、設(shè)計溫度、壓力、安裝溫度(環(huán)境溫度)、壓力； F、

7、設(shè)計荷載 風(fēng)壓值； 地震烈度； 雪荷載； 土壤的力學(xué)性質(zhì)； G、臨界管線表的確定準(zhǔn)則（哪些管線該做哪類的應(yīng)力分析）； H、計算及安全性評定準(zhǔn)則； I、應(yīng)力分析工作流程。 J、其它, 壁厚計算 A、當(dāng) B、當(dāng) t 的確定應(yīng)根據(jù)斷裂理論、疲勞、熱應(yīng)力及材料特性等因素綜合考慮確定。 C、外壓直管的壁厚，應(yīng)根據(jù)GB150規(guī)定的方法確定。 D、其它的管件(如Y型三通、孔板等)依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范(GB50316-2000)公式進(jìn)行計算。, 臨界管線表 公式法： D0 管外徑(mm) Y 管段總位移(mm) Y=(X2+Y2 +Z2)1/2 L 管段兩個固定點的展開長度(m) (AB+BC+CD) U 管段兩個

8、固定點的直線距離(m) (AD間的直線距離) (依據(jù)ASME/ANSI B31.1及B31.3),公式的適用范圍,A、靜力分析包含的內(nèi)容 a) 一次應(yīng)力計算及評定 防止管道塑性變形破壞. b) 二次應(yīng)力計算及評定 防止疲勞破壞。 c) 設(shè)備管口受力計算(及評定) 防止作用力太大，保證設(shè)備正常運行。 d) 支承點受力計算 為支吊架設(shè)計提供依據(jù)。 e) 管道上法蘭受力計算 防止法蘭泄漏。 f) 兩相流及液擊沖擊載荷計算 為支吊架和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。,B、動力分析包含的內(nèi)容 a)管道固有頻率分析 防止共振。 b)管道強迫振動響應(yīng)分析 控制管道振動及應(yīng)力。 c)往復(fù)式壓縮機(泵)氣(液)柱頻率分析 防

9、止氣柱共振。 d)往復(fù)式壓縮機(泵)壓力脈動分析 控制壓力脈動值(值)。,C、動力分析要點 b) 機器動平衡差修改基礎(chǔ)設(shè)計,c)減少脈動和氣柱共振的方法： 1)加大緩沖罐 依據(jù)API618計算緩沖罐的體積，一般為氣缸容積的10倍以上，使緩沖罐盡量靠近進(jìn)出口，但不能放在共振管長位置。 2)兩臺或三臺壓縮機的匯集總管截面積至少為進(jìn)口管截面積的三倍，且應(yīng)使柱塞流的沖擊力不增加。 3)孔板消振 在緩沖罐的出口加一塊孔板。 孔徑大?。?孔板厚度=35mm 孔板位置 在較大緩沖罐的進(jìn)出口均可,d)減少激振力減少彎頭、三通、異徑管等管件。 改90。為彎頭45。彎頭。 e)改變（提高）管線的固有頻率，使其遠(yuǎn)離

10、激振力頻率。 (1)共振區(qū)域, 放大因子 W1 固有頻率（角頻） W0 激振頻率（角頻） 通常W1應(yīng)避開0.8W0 1.2W0 的區(qū)域，在工程中最好避開 0.5W0 1.5W0的范圍，這樣振幅較小。,(2)通常W1應(yīng)在W0（壓縮機的吸入或吸出頻率）的1.2倍以上，設(shè)計時最好控制在1.5倍以上。,(3)激振力頻率 n = 轉(zhuǎn)/分 壓縮機轉(zhuǎn)數(shù),(4)控制壓力脈動,注：此為原蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn) (5)臥式容器固定端及立式設(shè)備支耳標(biāo)高確定 提高管道柔性，減小位移量，防止對設(shè)備管口的推力過大。 支管補強計算 降低局部應(yīng)力 等面積補強 WRC329,支耳標(biāo)高確定, 動設(shè)備管口許用荷載校核 API 610;API 6

11、17; NEMA SM 23; API 661。, 往復(fù)式機泵動力分析 安全閥，爆破膜泄放反力計算(見標(biāo)準(zhǔn)計算程序) ANSI/B 31.1(氣體)；API RP 520(氣體、氣混) 結(jié)構(gòu)，荷載條件： F1000Kgf，M750Kgf Bf Bf 梁翼緣寬度。 需提條件給土建 ：沉降量的考慮；儲罐抗震措施。,管端結(jié)構(gòu),安全閥與爆破片,設(shè)備管口荷載及預(yù)焊件條件 供設(shè)備專業(yè)校核局部應(yīng)力和設(shè)計用 編制彈簧架采購MR文件及彈簧架技術(shù)數(shù)據(jù)表 選型、荷載、位移 串聯(lián) 按最大荷載選彈簧 位移按最大位移量分配 并聯(lián) 選同型號彈簧、荷載平均分配 荷載變化率 國標(biāo)25（可改變） 編制柔性件（膨脹節(jié)、軟管等）采購

12、MR文件及柔性件技術(shù)數(shù)據(jù)表,插圖,設(shè)備管口承載能力表,七、管道應(yīng)力分析中的特殊問題 7.1、夾套管應(yīng)力分析 7.2、埋地管應(yīng)力分析 7.3、高壓管道應(yīng)力分析 八、有限元法在管道應(yīng)力分析中的應(yīng)用 九、管道應(yīng)力分析程序 9.1、CAESAR II軟件的應(yīng)用 9.2、AUTOPIPE軟件的應(yīng)用,十、管道支架設(shè)計 10.1、管道支架的分類及定義 按支架的作用分為三大類：承重架、限制性支架和減振架。 1）承重架 : 用來承受管道的重力及其它垂直向下載荷的支架(含可調(diào)支架)。 a）滑動架：在支承點的下方支撐的托架，除垂直方向支撐力及水平方向摩擦力以外，沒有其他任何阻力。 b）彈簧架：包括恒力彈簧架和可變彈

13、簧架。 c ）剛性吊架：在支承點的上方以懸吊的方式承受管道的重力及其他垂直向下的荷載，吊桿處于受拉狀態(tài)。 d）滾動支架：采用滾筒支承，摩擦力較小。,吊架,2）限制性支架：用來阻止、限制或控制管道系統(tǒng)位移的支架(含可調(diào)限位架)。 a）導(dǎo)向架：使管道只能沿軸向移動的支架，并阻止因彎矩或扭矩引起的旋轉(zhuǎn)。 b）限位架：限位架的作用是限制線位移。在所限制的軸線上，至少有一個方向被限制。 c）定值限位架：在任何一個軸線上限制管道的位移至所要求的數(shù)值，稱為定值限位架。 d）固定架：限制管道的全部位移。 3）減振架：用來控制或減小除重力和熱膨脹作用以外的任何力(如物料沖擊、機械振動、風(fēng)力及地震等外部荷載)的作

14、用所產(chǎn)生的管道振動的支架。 減振架有彈簧及油壓和機械三種類型。,10.2、管道跨距及導(dǎo)向間距 1）管道跨距 強度及剛度兩項控制 a)力學(xué)模型 強度條件：連續(xù)敷設(shè)水平直管允許跨距強度條件是管道中最大 縱向應(yīng)力不得大于設(shè)計溫度下的材料的許用應(yīng)力。 b)管道跨距計算 c) 不考慮內(nèi)壓最大允許跨距 d)考慮內(nèi)壓最大允許跨距 e)大直徑薄壁管道,10.2、管道跨距及導(dǎo)向間距 2）導(dǎo)向間距： a）水平管 b）垂直 垂直管道的最大導(dǎo)向支架間距大致可按不保溫管充水的水平管道支架間距進(jìn)行圓整。,10.3、 確定管道支架位置的要點 10.3.1 承重架距離應(yīng)不大于支架的最大間距。 10.3.2 盡量利用已有的土建

15、結(jié)構(gòu)的構(gòu)件支承，及在管廊的梁柱上支承。 10.3.3 在垂直管段彎頭附近，或在垂直段重心以上做承重架，垂直段長時，可在下部增設(shè)導(dǎo)向架（當(dāng)載荷大時，可采用彈簧架分載荷）。 10.3.4 在集中荷載大的管道組成件附近設(shè)承重架。 10.3.5 盡量使設(shè)備接管的受力減小。如支架靠近接管，對接管不會產(chǎn)生較大的熱脹彎矩。 10.3.6 考慮維修方便，使拆卸管段時最好不需做臨時支架。 10.3.7 支架的位置及類型應(yīng)盡量減小作用力對被生根部件的不良影響,10.3.8 管道支吊架應(yīng)設(shè)在彎管和大直徑三通式分支管附近 10.3.9 對于需要作詳細(xì)應(yīng)力計算的管道，應(yīng)根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果設(shè)計管架 10.3.10 在敏感的

16、設(shè)備(泵、壓縮機)附近，應(yīng)設(shè)置彈簧支架，以防止設(shè)備口承受過大的管道荷載 10.3.11 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，宜單獨設(shè)置有獨立基礎(chǔ)的支架，(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 10.3.12 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生根點，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 10.3.13 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,10.4、管道布置過程中對支架位置的考慮 10.4.1 管道走向首先要滿足安全生產(chǎn)、工藝要求，操作方便，安裝維修方便； 10.4.2 管道盡量集中布置，如成

17、排布置，便于做聯(lián)合支架，盡量減少分散獨立設(shè)置的柱式架。同時達(dá)到整齊美觀。 10.4.3 管道布置應(yīng)靠近可能作支架的點，如靠近為其它目的的做的構(gòu)筑物，沿建筑物的墻、柱。或沿平臺下敷設(shè)，以便利用梁和柱來支承。 10.4.4 管道成組布置時，各管道的被支承面應(yīng)取齊，即水平管管托底面和不保溫管的管底應(yīng)取齊，豎直管管托底面和不保溫管的管底應(yīng)側(cè)齊, 以便設(shè)計支架。 10.4.5 采用彈簧支座或吊架時，管道與生根構(gòu)件之間應(yīng)有足夠的空間。,10.5、管道支吊架選用的原則： 10.5.1 在選用管道支吊架時，應(yīng)按照支承點所承受的荷載大小和方向、管道的位移情況、工作溫度、是否保溫或保冷、管道的材質(zhì)等條件選用適合的

18、支吊架；對于冷管,在管架設(shè)計時,應(yīng)該有防止冷橋產(chǎn)生的措施; 10.5.2 設(shè)計管道支吊架時，應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)管卡、管托和管吊； 10.5.3 下列情況，不得采用焊接型的管托和管吊： a）管內(nèi)介質(zhì)溫度等于或大于400的碳素鋼材質(zhì)的管道； b）低溫管道； c）合金鋼材質(zhì)的管道； d）生產(chǎn)中需要經(jīng)常拆卸檢修的管道；,e）架空敷設(shè)且不易施工焊接的管道； f）非金屬襯里管道； g）需熱處理的管道（消除應(yīng)力） 10.5.4 為防止管道過大的橫向位移和可能承受的沖擊荷載，一般在下列位置設(shè)置導(dǎo)向管托，以保證管道只沿著軸向位移： a）可能產(chǎn)生振動的兩相流管道； b）橫向位移過大可能影響鄰近管道時；固定支架之間的

19、距離過長，可能產(chǎn)生橫向不穩(wěn)定時；（柱失穩(wěn)） c）為防止法蘭和活接頭泄漏要求管道不宜有過大的橫向位移時；,10.5.5 當(dāng)架空敷設(shè)的管道熱脹量超過100mm時，應(yīng)選用加長管托，以免管托滑到管架梁下； 10.5.6 凡支架生根在設(shè)備上時，應(yīng)向設(shè)備專業(yè)提出所用預(yù)焊件的條件； 10.5.7 對于荷載較大的支架位置要事先與有關(guān)專業(yè)設(shè)計人聯(lián)系，并提出支架位置、標(biāo)高和載荷情況； 10.5.8 凡需要限制管道位移量時，應(yīng)考慮設(shè)置限位架。 10.5.9 安全閥出口管線的支架要高度重視，應(yīng)足以抵抗泄放時沖擊荷載的作用 10.6、管道固定點的設(shè)置應(yīng)滿足下列要求： 10.6.1 對于復(fù)雜管道可用固定點將其劃分成幾個形

20、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(jìn)行分析計算；,10.6.2 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； 10.6.3 選用形補償器時，宜將其設(shè)置在兩固定點的中部； 10.6.4 固定點宜靠近需要限制分支管位移的地方； 10.6.5 固定點應(yīng)設(shè)置在需要承受管道振動、沖擊荷載或需要限制管道多方向位移的地方； 10.6.6 作用于管道中固定點的荷載，應(yīng)考慮其兩側(cè)各滑動支架的摩擦反力； 10.6.7 進(jìn)出裝置的工藝管道和非常溫的公用工程管道，宜在裝置分界處設(shè)固定點。,形補償器,10.7、管道支架生根的結(jié)構(gòu)型式 10.7.1 在設(shè)備（VESSEL）上生根： 在設(shè)計從設(shè)備上生根的支架時，要求在設(shè)備上預(yù)焊生根件。如果現(xiàn)場安裝支架在設(shè)備壁上直接焊接，許多設(shè)備需要重新檢驗，且拖延施工進(jìn)度。焊后殘余應(yīng)力會影響設(shè)備的防腐能力和機械性能。對于非金屬襯里的設(shè)備，現(xiàn)場焊接會損壞內(nèi)襯如橡膠、塑料、玻璃等。 對容器類設(shè)備的管口、設(shè)備上的生根件(包括管道支架預(yù)焊件、平臺預(yù)焊件及保溫(冷)的預(yù)焊件等)都確定下來，把條件及資料送交設(shè)備制造廠，這對于提前制造設(shè)備是十分有利的。越是復(fù)雜的及制造周期長的設(shè)備，越需提前提出條