管道应力计算指导.docx

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管道应力计算指导

[转贴]压力管道应力分析部分

第一章任务与职责

1.  管道柔性设计的任务

压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、内压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况；

1）  因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏；

2）  管道接头处泄漏；

3）  管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行；

4）  管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏；

2.  压力管道柔性设计常用标准和规范

1）    GB50316-2000《工业金属管道设计规范》

2）    SH/T3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》

3）    SH3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》

4）    SH3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》

5）    SH3073-95《石油化工企业管道支吊架设计规范》

6）    JB/T8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》

7）    JB/T8130.2-1999《可变弹簧支吊架》

8）    GB/T12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》

9）    HG/T20645-1998《化工装置管道机械设计规定》

10）  GB150-1998《钢制压力容器》

3.  专业职责

1）    应力分析（静力分析动力分析）

2）    对重要管线的壁厚进行计算

3）    对动设备管口受力进行校核计算

4）    特殊管架设计

4.  工作程序

1）    工程规定

2）    管道的基本情况

3）    用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿

4）    用目测法判断管道是否进行柔性设计

5）    L型U型管系可采用图表法进行应力分析

6）    立体管系可采用公式法进行应力分析

7）    宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道

8）    采用CAESARII进行应力分析

9）    调整设备布置和管道布置

10）  设置、调整支吊架

11）  设置、调整补偿器

12）  评定管道应力

13）  评定设备接口受力

14）  编制设计文件

15）  施工现场技术服务

5.  工程规定

1）  适用范围

2）  概述

3）  设计采用的标准、规范及版本

4）  温度、压力等计算条件的确定

5）  分析中需要考虑的荷载及计算方法

6）  应用的计算软件

7）  需要进行详细应力分析的管道类别

8）  管道应力的安全评定条件

9）  机器设备的允许受力条件（或遵循的标准）

10）防止法兰泄漏的条件

11）膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求

12）业主的特殊要求

13）计算中的专门问题（如摩擦力、冷紧等的处理方法）

14）不同专业间的接口关系

15）环境设计荷载

16）其它要求

第二章  压力管道柔性设计

1.  管道的基础条件

包括：

介质温度压力管径壁厚材质荷载端点位移等。

2.  管道的计算温度确定

管道的计算温度应根据工艺设计条件及下列要求确定：

1）  对于无隔热层管道：

介质温度低于65℃时，取介质温度为计算温度；介质温度等于或高于65℃时，取介质温度的95%为计算温度；

2）  对于有外隔热层管道，除另有计算或经验数据外，应取介质温度为计算温度；

3）  对于夹套管道应取内管或套管介质温度的较高者作为计算温度；

4）  对于外伴热管道应根据具体条件确定计算温度；

5）  对于衬里管道应根据计算或经验数据确定计算温度；

6）  对于安全泄压管道，应取排放时可能出现的最高或最低温度作为计算温度；

7）  进行管道柔性设计时，不仅应考虑正常操作条件下的温度，还应考虑开车、停车、除焦、再生及蒸汽吹扫等工况。

3.  管道安装温度宜取20℃（除另有规定外）。

4.  管道计算压力应取计算温度下对应的操作压力。

5.  管道钢材参数按《石油化工管道柔性设计规范》SH/T3041－2002执行

1）  钢材平均线膨胀系数可参照附录A选取。

2）  钢材弹性模量可参照附录B选取。

3）  计算二次应力范围时，管材的弹性模量应取安装温度下钢材的弹性模量。

6.  管道壁厚计算

1）  内压金属直管的壁厚

根据SH3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》确定：

当S0

S0=PD0/（2[σ]tΦ+2PY）

直管的选用壁厚为：

  S=S0+C

式中  

S0――直管的计算壁厚，mm；

P――  设计压力，MPa；

D0――  直管外径，mm；

[σ]t――设计温度下直管材料的许用应力，MPa；

Φ――  焊缝系数，对无缝钢管，Φ＝1；

S――  包括附加裕量在内的直管壁厚，mm；

C――直管壁厚的附加裕量，mm；

Y――  温度修正系数，按下表选取。

当S0≥D0/6或P/[σ]t>0.385时，直管壁厚应根据断裂理论、疲劳、热应力及材料特性等因素综合考虑确定。

2）对于外压直管的壁厚

应根据GB150-1998《钢制压力容器》规定的方法确定。

7.  管道上的荷载

管道上可能承受的荷载有：

1）重力荷载，包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等；

2）  压力荷载，压力荷载包括内压力和外压力；

3）  位移荷载，位移荷载包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；

4）  风荷载；

5）  地震荷载；

6）  瞬变流冲击荷载，如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击；

7）  两相流脉动荷载；

8）  压力脉动荷载，如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动；

9）  机器振动荷载，如回转设备的振动。

8.  管道端点的附加位移

在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑下列管道端点的附加位移：

1）  静设备热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；

2）  转动设备热胀冷缩在连接管口处产生的附加位移；

3）  加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移；

4）  储罐等设备基础沉降在连接管口处产生的附加位移；

5）  不和主管一起分析的支管，应将分支点处主管的位移作为支管端点的附加位移。

9.  管道布置

管道的布置尽量利用自然补偿能力：

1）  改变管道的走向，以增加整个管道的柔性；

2）  利用弹簧支吊架放松约束；

3）  改变设备布置。

4）  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、Π形、Z形等管段。

确定管道固定点位置时，宜使两固定点间的管段能够自然补偿。

10.  宜采用计算机分析方法进行详细柔性设计的管道

1）  操作温度大于400℃或小于－50℃的管道；

2）  进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道；

3）  进出反应器的高温管道；

4）  进出汽轮机的蒸汽管道；

5）  进出离心压缩机、往复式压缩机的工艺管道；

6）  与离心泵连接的管道，可根据设计要求或按图1-1确定柔性设计方法；

图1-1  与离心泵连接管道柔性设计方法的选择

7）  设备管口有特殊受力要求的其他管道；

8）  利用简化分析方法分析后，表明需进一步详细分析的管道。

11.  不需要进行计算机应力分析的管道

1）  与运行良好的管道柔性相同或基本相当的管道；

2）  和已分析管道相比较，确认有足够柔性的管道；

3）  对具有同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无中间约束并能满足式

（1）和式

（2）要求的非极度危害或非高度危害介质管道。

Do·Y/（L-U）2≤208.3        ――

（1）

Y=（⊿X2+⊿Y2+⊿Z2）1/2        ――

（2）

式中：

DO――管道外径，mm；

Y――管道总线位移全补偿值，mm；

Δx、Δy、Δz分别为管道沿坐标轴x、y、z方向的线位移全补偿值，mm；

L――管系在两固定点之间的展开长度，m；

U――管系在两固定点之间的直线距离，m。

式（l）不适用于下列管道：

（1）在剧烈循环条件下运行，有疲劳危险的管道：

（2）大直径薄壁管道（管件应力增强系数i≥5）：

（3）不在这接固定点方向的端点附加位移量占总位移量大部分的管道；

（4）  L/U>2.5的不等腿"U"形弯管，或近似直线的锯齿状管道。

12.管道端点无附加角位移时管道线位移全补偿值计算

当管道端点无附加角位移时，管道线位移全补偿值应按下列公式计算：

⊿X=⊿XB-⊿XA-⊿XtAB

⊿Y=⊿YB-⊿YA-⊿YtAB  

⊿Z=⊿ZB-⊿ZA-⊿ZtAB

⊿XtAB=α1（XB–XA）（T–T0）

⊿YtAB=α1（YB–YA）（T–T0）

⊿ZtAB=α1（ZB–ZA）（T–T0）

式中：

⊿X、⊿Y、⊿Z――分别为管道沿坐标轴X、Y、Z方向的线位移全补偿值，mm：

⊿XA、⊿YA、⊿ZA――分别为管道的始端A沿坐标轴X、Y、Z方向的附加线位移，mm；

⊿XB、⊿YB、⊿ZB――分别为管道的末端B沿坐标轴X、Y、Z方向的附加线位移，mm；

⊿XtAB、⊿YtAB、⊿ZtAB――分别为管道AB沿坐标轴X、Y、Z方向的热伸长值，mm；

αt――管道材料在安装温度与计算温度间的平均线膨胀系数，mm/mm·℃；

XA、YA、ZA――管道始端A的坐标值，mm；

XB、YB、ZB――管道末端B的坐标值，mm；

T――管道计算温度，℃；

T0――管道安装温度，℃。

13.例题

利用判别式解题有两种方法：

第一种方法注意如下四点和上面“＋”、“－”号的取值。

1）  假定一个始端，一个终端

2）  始端固定，终端放开

3）  热膨胀方向由始端向终端

4）  热伸长量取正直

第二种方法注意如下四点。

和SH/T3041-2002中的公式一致

1）  假定一个始端，一个终端

2）  始端固定，终端放开

3）  热膨胀方向由始端向终端

4）  建立坐标系，端点附加位移和热伸长量与坐标轴同向取“＋”，与坐标轴反向取“－”。

上题计算如下：

⊿Y=⊿YB－⊿YA－⊿YtAB=0－4－12=－16mm

⊿Y=⊿YB－⊿YA－⊿YtAB=4－（－5）－（－20）=29mm

⊿Z=⊿ZB－⊿ZA－⊿ZtAB=2－0－（－24）=26mm

Y=（⊿Y2＋⊿Y2＋⊿Z2）1/2=[（－16）2＋292＋262]1/2=42.1mm

DO．Y/（L－U）2=159*42.1/（14－8.4）2=6693.9/31.36=213.45>208.3

所以需要进行详细分析，与上面的计算结果不同。

这里需要说明的是，不是计算过程错误，而是新旧标准管径取的不一致，新标准为外径。

第三章  补偿器的选用

首先应利用改变管道走向获得必要的柔性，但由于布置空间的限制或其他原因也可采用补偿器获得柔性。

1.  补偿器的形式

压力管道设计中常用的补偿器有三种：

Π型补偿器、波形补偿器、套管式或球形补偿器

2.  Π型补偿器

Π型补偿器结构简单、运行可靠、投资少，在石油化工管道设计中广泛采用。

采用Π形管段补偿时，宜将其设置在两固定点中部，为防止管道横向位移过大，应在Π型补偿器两侧设置导向架。

3.  波形补偿器

波形补偿器，补偿能力大、占地小，但制造较为复杂，价格高，适用于低压大直径管道。

1）  波形补偿器条件

（1）比用弯管形式补偿器更为经济时或安装位置不够时。

（2）连接两个间距小的设备的管道。

其补偿能力不够时。

（3）为了减少压降，推力或振动，在工艺过程上可行而且在经济上合理时。

（4）为了保护有严格受力要求的设备嘴子。

2）  波形补偿器的形式及适用条件

（1）直管段使用轴向位移型；

（2）两个方向位移的L形，Z形管段使用角型；

（3）三个方向位移的Z形管段使用万向角型；

（4）吸收平行位移的使用横向型。

3）  选用无约束金属波纹管膨胀节时应注意的问题

（1）两个固定支座之间的管道中仅能布置一个波纹管膨胀节；

（2）固定支座必须具有足够的强度，以承受内压推力的作用；

（3）对管道必须进行严格地保护，尤其是靠近波纹管膨胀节的部位应设置导向架，第一个导向支架与膨胀节的距离应小于或等于4DN，第二个导向支架与第一个导向支架的距离应小于或等于14DN，以防止管道有弯曲和径向偏移造成膨胀节的破坏；

4）  带约束的金属波纹管膨胀节的类型

带约束的金属波纹管膨胀节的共同特点是管道的内压推力（俗称盲板力）没有作用于固定点或限位点处，而是由约束波纹管膨胀节用的金属部件承受。

（1）单式铰链型膨胀节，由一个波纹管及销轴和铰链板组成，用于吸收

单平面角位移；

（2）单式万向铰链型膨胀节，由一个波纹管及万向环、销铀和铰链组

成，能吸收多平面角位移；

（3）复式拉杆型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管及拉杆组成，能

吸收多平面横向位移和拉杆问膨胀节本身的轴向位移；

（4）复式铰链型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管及销轴和铰链板

组成，能吸收单平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；

（5）复式万向铰链型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管及销轴和铰链板组成，能吸收互相垂直的两个平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；

（6）弯管压力平衡型膨胀节，由一个工作波纹管或用中间管连接的两个工作波纹管及一个平衡波纹管构成，工作波纹管与平衡波纹管间装有弯头或三通，平衡波纹管一端有封头并承受管道内压，工作波纹付和平衡波纹管外端间装有拉杆。

此种膨胀节能吸收轴向位移和/或横向位移。

拉杆能约束波纹管压力推力.常用于管道方向改变处；

（7）直管压力平衡型膨胀节，一般位于两端的两个工作波纹管及有效面积等于二倍工作波纹管有效面积、位中间的一个平衡波纹管组成，两套拉杆分别将每一个工作波纹管与平衡波纹管相互连拔起来。

此种膨胀节能吸收轴向位移。

拉杆能约束波纹管压力推力。

5）  波纹管膨胀节在施工安装中应注意的问题

（1）膨胀节的施工和安装应与设计要求相一致；

（2）膨胀节的安装使用应严格按照产品安装说明书进行；

（3）禁止采用使膨胀节变形的方法来调整管道的安装偏差；

（4）固定支架和导向支架等应严格按照设计图纸进行施工，需要改动时应经原分析设计人员认可；

（5）膨胀节上的箭头表示介质流向，应与实际介质流向相一致，不能装反；

（6）安装铰链型膨胀节时，应按照施工图进行，铰链板方向不能装错；

（7）在管道系统（包括管道、膨胀节和支架等）安装完毕，系统试压之前，应将膨胀节的运输保护装置拆除或松开。

按照国标GB/T12777的规定，运输保护装置涂有黄色油漆，应注意不能将其他部件随意拆除；

（8）对于复式大拉杆膨胀节，不能随意松动大拉杆上的螺母，更不能将大拉杆拆除；

（9）装有膨胀节的管道，做水压试验时，应考虑设置适当的临时支架以承受额外加到管道和膨胀节上的荷载。

试验后应将临时支架拆除。

3.  套管式或球形补偿器

套管式或球形补偿器因填料容易松弛，发生泄漏，在石化企业中很少采用。

在有毒及可燃介质管道中严禁采用填料函式补偿器。

4.  冷紧

1）  冷紧

冷紧可降低操作时管道对连接设备或固定点的推力和力矩，防止法兰连接处弯矩过大而发生泄漏。

冷紧是将管道的热应变一部分集中在冷态，在安装时（冷态）使管道产生一个初位移和初应力的一种方法。

当管道沿坐标轴X、y、Z方向的冷紧比不同时，每个方向的冷紧值应根据该方向的冷紧进行计算。

当管道上有几个冷紧口时，沿坐标轴X、y、Z方向的冷紧值分别为各冷紧口在相应坐标轴方向冷紧值的代数和。

管道采用冷紧时，热态冷紧有效系数取2/3，冷态取1。

2）  连接转动设备的管道不应采用冷紧

由于施工误差使得冷紧量难于控制，另一方面，在管道安装完成后要将与敏感设备管口相连的管法兰卸开，以检查该法兰与设备法兰的同轴度和平行度，如果采用冷紧将无法进行这一检查。

3）  自冷紧

如果热胀产生的初应力较大时，在运行初期，初始应力超过材料的屈服强度而发生塑性变形，或在高温持续作用下，管道上产生应力松弛或发生蠕变现象，在管道重新回到冷态时，则产生反方向的应力，这种现象称为自冷紧。

但冷紧不改变热胀应力范围。

4）  冷紧比

冷紧比是冷紧值与全补偿量的比值。

对于材料在阳变温度下工作的管道，冷紧比宜取0.7。

对于材料在非蠕变温度下工作的管道，冷紧比宜取0.5。

第四章  支吊架选用

1.  管道跨距

管道基本跨距的确定实际上就是管系承重支架（或起承重作用的支架）的位置和数量的确定，也就是说管系中承重支架的位置和数量应满足管道基本跨距的要求。

为了简化计算，对于水平连续敷设的管道，以三跨连续梁作为计算模型，并按承受均布载荷（指管道自重、介质重和隔热材料重之和）分别根据刚度条件和强度条件计算其最大允许跨距，取（Ll和L2）两者之间的小值。

（l）刚度条件：

Ll=0.039（EtI/q）1/4 （装置内）  

L’l=0.048（EtI/q）1/4  （装置外）

式中

L1、L'1――装置内（外）由刚度条件决定的跨距，m；

Et――管材在设计温度下的弹性模量，MPa；

I――管子扣除腐蚀裕量及负偏差后的断面惯性矩，mm4；

q――每米管道的质量，N/m。

（2）强度条件：

L2=0.1（[σ]tW/q）1/2    （不考虑内压）

L2=0.071（[σ]tW/q）1/2  （考虑内压）

式中

[σ]t――管材在设计温度下的许用应力，MPa；

W――管子扣除腐蚀裕量及负偏差后的抗弯断面模数，mm3。

I和W分别按以下二式计算：

I=π（Do4-Di4）/64

W=π（Do4-Di4）/32Do

式中  Di――管道内径，mm；

Do――管道外径，mm。

2.  管道支吊架的形式：

管道支吊架的用途为：

1）  承受管道的重量荷载（包括自重、介质重和隔热材科重等）；

2）  限制管道的位移，阻止管道发生非预期方向的位移；

3）  用来控制管道的振动、摆动或冲击。

因此，管道支撑的位置确定、支撑型式的确定以及管道支吊架本身的强度设计也主要是围绕着上述支吊架的三个功能展开的。

根据管道支吊架的用途可以分为三大类：

固定架限制了三个方向的线位移和三个方向的角位移；导向架限制了两个方向的线位移；支托架（或单向止推架）限制了一个方向的线位移。

3.  承重支吊架

以支撑管道自重及其它持续载荷为目的的支吊架统称为承重支吊架，它主要用于防止管道因自重及其它持续载荷（如介质重、隔热材料重、雪载荷等）而导致的管道强度或刚度超出标准要求。

根据管道相对于支撑结构的空间位置不同，承重支吊架可分为支架和吊架两大类。

支撑件将管道支撑在它的上方时，这类支撑件叫做支架。

用可以空间摆动的支撑件（吊杆）将管道吊在其下面支撑时，这类支撑件叫做吊架。

支架和吊架都可以完全或部分限制管道的向下位移，但二者的支撑效果有所不同。

支架因与支撑管道之间可能存在摩擦而使得管道的水平位移受到一定的阻碍，同时产生摩擦力。

支架的刚度也比较大，故其稳定性较好。

吊架对管道的约束刚度相对较小（除竖直方向外），也不存在摩擦力，如果在一根较长的管道中吊架用的太多，会使管系不稳定，故在一条管道中，一般不宜均用吊架进行支撑。

根据承受管道重量的特点不同，承重支吊架又分为刚性支吊架、可调刚性支吊架、可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架四类。

1）  刚性支吊架

刚性支吊架仅限制管道一个方向（通常为-Y方向）的自由度。

它常用于管道在支撑点无向上垂直热位移和附加位移的情况下，或用于支撑点有较小的向下位移和附加位移但不会由此在管系中造成较大的管系力的情况下。

刚性支吊架是应用最多的一种支吊架。

根据应用场合和生根条件的不同，常用的刚性支吊架系列有平（弯）管支托、假管支托、悬臂支架、临管支架等。

2）  可调刚性支吊架

可调刚性支吊架是一般刚性支吊架的一种特殊型式，即通过旋拧可调螺丝，使支吊架的高度在一定范围内得到调整，用于有少量竖直方向的热位移或附加位移的场合。

在工作工况下，当支撑点有竖直方向的热位移或附加位移时，会使管道脱离支架（俗称支架脱空）而起不到支撑作用，或使支架被顶死而产生较大的管系力，此时应采用下面将要介绍的弹簧支吊架。

如果支撑点竖直方向的热位移或附加位移比较小而且又位于容易接近的地方时，采用可调刚性支吊架比弹簧支吊架会更经济、更方便。

3）  可变弹簧支吊架

可变弹簧支吊架适用于支撑点有垂直位移、用刚性支吊架会脱空或造成过大热胀推力的场合。

与恒力弹簧支吊架相比，使用可变弹簧支吊架会造成一定的荷载转移。

为防止过大的荷载转移，可变弹簧支吊架的荷载变化率应控制在25%以下。

当然，有时根据实际需要而有意识地去分配管系在各支撑点的载荷，即有意识地给定一个较大的安装载荷而获得较大的载荷转移。

常用强型的可变弹簧支吊架有支、吊两种，根据载荷情况和受力条件还可采用串联和并联两种型式。

4）  恒力弹簧支吊架

恒力弹簧支吊架适用于管道支撑点垂直位移量较大或管系受为要求较苛刻的场合。

通过采用恒力弹簧支吊架，可以避免管道支撑点冷态和热态的受力变化太大而导致管系本身的应力或相连设备的受力超标。

恒力弹簧的恒定度应小于或等于6%，以保证支吊点发生位移时，支承力的变化很小。

恒力弹簧支吊架一般采用描架型式，且根据受力情况可并联使用。

如果认为刚性支吊架的刚度理论上为无穷大的话，那么恒力弹簧支吊架的刚度理论上则为零，而可变弹簧支吊架的刚度介于二者之间，它等于弹簧产生单位变形所需要的力。

4.  限位支吊架

以限制和约束因热胀而引起的管系位移为目的支吊架称为限位支吊架。

管系受热而发生热胀时，管系中的各点将发生位移。

在管系中适当设置限位支吊架，可控制支撑点的位移或某些方向的位移，使管系的变形或各点的位移朝着有利于保护敏感设备或有利于热补偿的方向进行。

根据对管系热位移约束的方式不同，限位支吊架又可分为固定支架、导向支架和止推支架三种。

1）  固定支架

固定支架可限制管道支撑点三个方向的线位移和三个方向的

角位移，因此它常用于管道上不允许有任何位移的地方。

固定支架一般同时又能起承重作用。

常用的固定支架型式有焊接型管托和螺拴固定管托两种。

2）  导向支架

导向支架可限制管道支撑点两个方向的线位移，因此常用于引导管道位移方向、使管道能沿轴向位移而不能横向位移的情况。

当用于水平情况时，导向支架又同时能起承重作用。

常用的导向支架型式有管托型导向支架、光管型导向支架、管卡型导向支架等型式。

3）  止推支架

止推支架常代替固定支架用于限制管道的轴向位移。

根据限位方式的不同，常用的止推支架又分为"+X/+Z"和"-X/-Z"双向止推支架和"+X/+Z"或"-X/-Z"单向止推支架两种。

常用的止推支架为单向止推架，它可限制管道支撑点一个方向的线位移。

5.  防振支架

专门用于控制管道振动的支吊架叫做防振支架。

防振支架常用于控制