管道应力计算指导.docx
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管道应力计算指导
.....
[转贴]压力管道应力剖析部分
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拥有足够的柔性
,用以防备因为管系的温度、自重、内压和外
载或因管道支架受限和管道端点的附带位移而发生以下状况
;
1)
因应力过大或金属疲惫而惹起管道破坏
;
2)
管道接头处泄露;
3)
管道的推力或力矩过大,而使与管道连结的设备产生过大的应力或变形
,影响设备正常运转;
4)
管道的推力或力矩过大惹起管道支架破坏
;
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公则
》
4)
SH3059-2001
《石油化工管道设计器械采纳公则
》
5)
SH3073-95《石油化工公司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《金属涟漪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)应力剖析(静力剖析动力剖析)
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)特别管架设计
4.工作程序
1)工程规定
2)管道的基本状况
3)用固定点将复杂管系区分为简单管系,尽量利用自然赔偿
4)用目测法判断管道能否进行柔性设计
5)L型U型管系可采纳图表法进行应力剖析
6)立体管系可采纳公式法进行应力剖析
7)宜采纳计算机剖析方法进行柔性设计的管道
8)采纳CAESARII进行应力剖析
9)调整设备部署和管道部署
10)设置、调整支吊架
11)设置、调整赔偿器
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)合用范围
.专业word可编写.
.....
2)概括
3)设计采纳的标准、规范及版本
4)温度、压力等计算条件确实定
5)剖析中需要考虑的荷载及计算方法
6)应用的计算软件
7)需要进行详尽应力剖析的管道类型
8)管道应力的安全评定条件
9)机器设备的同意受力条件(或依照的标准)
10)防备法兰泄露的条件
11)膨胀节、弹簧等特别元件的采纳要求
12)业主的特别要求
13)计算中的特意问题(如摩擦力、冷紧等的办理方法)
14)不一样专业间的接口关系
15)环境设计荷载
16)其余要求
第二章压力管道柔性设计
1.管道的基础条件
包含:
介质温度压力管径壁厚材质荷载端点位移等。
2.管道的计算温度确立
管道的计算温度应依据工艺设计条件及以下要求确立:
1)关于无隔热层管道:
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)关于有外隔热层管道,除还有计算或经验数据外,应取介质温度为计算温度;
3)
关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)
关于外伴热管道应依据详细条件确立计算温度
;
5)
关于衬里管道应依据计算或经验数据确立计算温度
;
6)
关于安全泄压管道,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,不单应试虑正常操作条件下的温度,还应试虑开车、泊车、除焦、重生及蒸汽吹扫等工况。
3.管道安装温度宜取20℃(除还有规定外)。
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履行
1)
钢材均匀线膨胀系数可参照附录
A选用。
2)钢材弹性模量可参照附录B选用。
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
依据SH3059-2001《石油化工管道设计器械采纳公则》确立:
当S0 S0=PD0/(2[σ]tΦ+2PY) 直管的采纳壁厚为: S=S0+C 式中 S0――直管的计算壁厚,mm; P――设计压力,MPa; .专业word可编写. ..... D0――直管外径,mm; [σ]t――设计温度下直管资料的许用应力,MPa; Φ――焊缝系数,对无缝钢管,Φ=1; S――包含附带裕量在内的直管壁厚,mm; C――直管壁厚的附带裕量,mm; Y――温度修正系数,按下表选用。 当S0≥D0/6或P/[σ]t>0.385时,直管壁厚应依据断裂理论、疲惫、热应力及资料特征等因素综合考虑确 定。 2)关于外压直管的壁厚 应依据GB150-1998《钢制压力容器》规定的方法确立。 7.管道上的荷载 管道上可能蒙受的荷载有: 1)重力荷载,包含管道自重、保温重、介质重和积雪重等; 2)压力荷载,压力荷载包含内压力和外压力; 3)位移荷载,位移荷载包含管道热胀冷缩位移、端点附带位移、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迅速启闭时的压力冲击; 7)两相流脉动荷载; 8)压力脉动荷载,如来去压缩机来去运动所产生的压力脉动; 9)机器振动荷载,如展转设备的振动。 8.管道端点的附带位移 在管道柔性设计中,除考虑管道自己的热胀冷缩外 ,还应试虑以下管道端点的附带位移 : 1) 静设备热胀冷缩时对连结收道施加的附带位移 ; 2) 转动设备热胀冷缩在连结收口处产生的附带位移 ; 3) 加热炉管对加热炉出入口管道施加的附带位移 ; 4) 储罐等设备基础沉降在连结收口处产生的附带位移 ; 5) 不睦主管一同剖析的支管,应将分支点处主管的位移作为支管端点的附带位移。 9.管道部署 管道的部署尽量利用自然赔偿能力: 1)改变管道的走向,以增添整个管道的柔性; .专业word可编写. ..... 2)利用弹簧支吊架放松拘束; 3)改变设备部署。 4) 关于复杂管道可用固定点将其区分红几个形状较为简单的管段 ,如L形、Π形、Z形等管段。 确立管 道固定点地点时,宜使两固定点间的管段能够自然赔偿。 10. 宜采纳计算机剖析方法进行详尽柔性设计的管道 1)操作温度大于400℃或小于-50℃的管道; 2)出入加热炉及蒸汽发生器的高温管道; 3)出入反响器的高温管道; 4)出入汽轮机的蒸汽管道; 5)出入离心压缩机、来去式压缩机的工艺管道; 6)与离心泵连结的管道,可依据设计要求或按图1-1确立柔性设计方法;图1-1与离心泵连结收道柔性设计方法的选择 7)设备管口有特别受力要求的其余管道; 8)利用简化剖析方法剖析后,表示需进一步详尽剖析的管道。 11.不需要进行计算机应力剖析的管道 1)与运转优秀的管道柔性相同或基真相当的管道; 2)和已剖析管道对比较,确认有足够柔性的管道; 3)对拥有同向来径、同一壁厚、无支管、两头固定、无中间拘束并能知足式 (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――管道总线位移全赔偿值,mm; x、y、分Δz别为管道沿坐标轴x、y、z方向的线位移全赔偿值,mm; L――管系在两固定点之间的睁开长度,m; U――管系在两固定点之间的直线距离,m。 式(l)不合用于以下管道: (1)在激烈循环条件下运转,有疲惫危险的管道: (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带位移量占总位移量大多半的管道; (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.管道端点无附带角位移时管道线位移全赔偿值计算 当管道端点无附带角位移时,管道线位移全赔偿值应按以下公式计算: ⊿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方向的线位移全赔偿值,mm: ⊿XA、⊿YA、⊿ZA――分别为管道的始端A沿坐标轴X、Y、Z方向的附带线位移,mm; ⊿XB、⊿YB、⊿ZB――分别为管道的尾端B沿坐标轴X、Y、Z方向的附带线位移,mm; .专业word可编写. ..... ⊿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――管道资料在安装温度与计算温度间的均匀线膨胀系数,mm/mm·℃; XA、YA、ZA――管道始端A的坐标值,mm; XB、YB、ZB――管道尾端B的坐标值,mm; T――管道计算温度,℃; T0――管道安装温度,℃。 13.例题 利用鉴别式解题有两种方法: 第一种方法注意以下四点和上边“+”、“-号”的取值。 1)假设一个始端,一个终端 2)始端固定,终端松开 3)热膨胀方向由始端向终端 4)热伸长量取正直 第二种方法注意以下四点。 和SH/T3041-2002中的公式一致 1)假设一个始端,一个终端 2)始端固定,终端松开 3)热膨胀方向由始端向终端 4)成立坐标系,端点附带位移和热伸长量与坐标轴同向取“+”,与坐标轴反向取“-”。 上题计算以下: ⊿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 所以需要进行详尽剖析 ,与上边的计算结果不一样。 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 赔偿器的采纳 第一应利用改变管道走向获取必需的柔性 ,但因为部署空间的限制或其余原由也可采纳赔偿器获取柔性 。 1.赔偿器的形式 压力管道设计中常用的赔偿器有三种: Π型赔偿器、波形赔偿器、套管式或球形赔偿器 2.Π型赔偿器 Π型赔偿器构造简单、运转靠谱、投资少,在石油化工管道设计中宽泛采纳。 采纳Π形管段赔偿时,宜将其设置在两固定点中部,为防备管道横向位移过大,应在Π型赔偿器双侧设置导向架。 3.波形赔偿器 波形赔偿器,赔偿能力大、占地小,但制造较为复杂,价钱高,合用于低压大直径管道。 1)波形赔偿器条件 (1)比用弯管形式赔偿器更加经济时或安装地点不够时。 (2)连结两个间距小的设备的管道。 其赔偿能力不够时。 (3)为了减少压降,推力或振动,在工艺过程上可行并且在经济上合理时。 (4)为了保护有严格受力要求的设备嘴子。 2)波形赔偿器的形式及合用条件 (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; .专业word可编写. ..... (3)三个方向位移的Z形管段使用万向角型; (4)汲取平行位移的使用横向型。 3)采纳无拘束金属涟漪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部署一个涟漪管膨胀节; (2)固定支座一定拥有足够的强度,以蒙受内压推力的作用; (3)对管道一定进行严格地保护,特别是凑近涟漪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,以防备管道 有曲折和径向偏移造成膨胀节的破坏; 4)带拘束的金属涟漪管膨胀节的种类 带拘束的金属涟漪管膨胀节的共同特色是管道的内压推力(俗称盲板力)没有作用于固定点或限位点处, 而是由拘束涟漪管膨胀节用的金属零件蒙受。 (1)单式铰链型膨胀节,由一个涟漪管及销轴和铰链板构成,用于汲取单平面角位移; (2)单式万向铰链型膨胀节,由一个涟漪管及万向环、销铀和铰链构成,能汲取多平面角位移; (3)复式拉杆型膨胀节,由用中间管连结的两个涟漪管及拉杆构成,能 汲取多平面横向位移和拉杆问膨胀节自己的轴向位移; (4)复式铰链型膨胀节,由用中间管连结的两个涟漪管及销轴和铰链板 构成,能汲取单平面横向位移和膨胀节自己的轴向位移; (5)复式万向铰链型膨胀节,由用中间管连结的两个涟漪管及销轴和铰链板构成,能汲取相互垂直的两个 平面横向位移和膨胀节自己的轴向位移; (6)弯管压力均衡型膨胀节,由一个工作涟漪管或用中间管连结的两个工作涟漪管及一个均衡涟漪管构 成,工作涟漪管与均衡涟漪管间装有弯头或三通,均衡涟漪管一端有封头并蒙受管道内压,工作涟漪付和 均衡涟漪管外端间装有拉杆。 此种膨胀节能汲取轴向位移和/或横向位移。 拉杆能拘束涟漪管压力推力.常 用于管道方向改变处; (7)直管压力均衡型膨胀节,一般位于两头的两个工作涟漪管及有效面积等于二倍工作涟漪管有效面积、 位中间的一个均衡涟漪管构成,两套拉杆分别将每一个工作涟漪管与均衡涟漪管相互连拔起来。 此种膨胀 节能汲取轴向位移。 拉杆能拘束涟漪管压力推力。 5)涟漪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依照产品安装说明书进行 ; (3) 禁止采纳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依照设计图纸进行施工 ,需要变动时应经原剖析设计人员认同 ; (5)膨胀节上的箭头表示介质流向,应与实质介质流向相一致,不可以装反; (6)安装铰链型膨胀节时,应依照施工图进行,铰链板方向不可以装错; (7)在管道系统(包含管道、膨胀节和支架等)安装完成,系统试压以前,应将膨胀节的运输保护装置拆掉 或松开。 依照国标GB/T12777的规定,运输保护装置涂有黄色油漆,应注意不可以将其余零件任意拆掉; (8)关于复式大拉杆膨胀节,不可以任意松动大拉杆上的螺母,更不可以将大拉杆拆掉; (9)装有膨胀节的管道,做水压试验时,应试虑设置适合的暂时支架以蒙受额外加到管道和膨胀节上的荷载。 试验后应将暂时支架拆掉。 3.套管式或球形赔偿器 套管式或球形赔偿器因填料简单废弛,发生泄露,在石化公司中极少采纳。 在有毒及可燃介质管道中禁止采纳填料函式赔偿器。 4.冷紧 .专业word可编写. ..... 1)冷紧 冷紧可降低操作时管道对连结设备或固定点的推力和力矩 ,防备法兰连结处弯矩过大而发生泄露 。 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方向的冷紧比不一样时,每个方向的冷紧值应依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 。 管道采纳冷紧时,热态冷紧有效系数取2/3,冷态取1。 2)连结转动设备的管道不该采纳冷紧 因为施工偏差使得冷紧量难于控制,另一方面,在管道安装达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,假如采纳冷紧将没法进行这一检查。 3)自冷紧 假如热胀产生的初应力较大时,在运转早期,初始应力超出资料的折服强度而发生塑性变形,或在高温持 续作用下,管道上产生应力废弛或发生蠕变现象,在管道从头回到冷态时,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赔偿量的比值。 关于资料在阳变温度下工作的管道,冷紧比宜取0.7。 关于资料在非蠕变温度下工作的管道,冷紧比宜取 0.5。 第四章支吊架采纳 1.管道跨距 管道基本跨距确实定实质上就是管系承重支架(或起承重作用的支架)的地点和数目确实定,也就是说管系 中承重支架的地点和数目应知足管道基本跨距的要求。 为了简化计算,关于水平连续敷设的管道,以三跨 连续梁作为计算模型,并按蒙受均布载荷(指管道自重、介质重和隔热资料重之和)分别依据刚度条件和强 度条件计算其最大同意跨距,取(Ll和L2)二者之间的小值。 (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――管子扣除腐化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――管子扣除腐化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。 .专业word可编写. ..... 2.管道支吊架的形式: 管道支吊架的用途为: 1)蒙受管道的重量荷载(包含自重、介质重和隔热材科重等); 2)限制管道的位移,阻挡管道发生非预期方向的位移; 3)用来控制管道的振动、摇动或冲击。 所以,管道支撑的地点确立、支撑型式确实定以及管道支吊架自己的强度设计也主假如环绕着上述支吊架 的三个功能睁开的。 依据管道支吊架的用途能够分为三大类: 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余连续载荷为目的的支吊架统称为承重支吊架,它主要用于防备管道因自重及其余持 续载荷(如介质重、隔热资料重、雪载荷等)而致使的管道强度或刚度高出标准要求。 依据管道有关于支撑构造的空间地点不一样 ,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,这种支撑件叫做支架。 用能够空间摇动的支撑件 (吊杆)将管道吊在其下边支撑时 ,这种支撑件 叫做吊架。 支架和吊架都能够完整或部分限制管道的向下位移 ,但二者的支撑成效有所不一样 。 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遇到必定的阻挡 ,同时产生摩擦力。 支架的刚度也比较 大,故其稳固性较好。 吊架对管道的拘束刚度相对较小 (除竖直方向外),也不存在摩擦力,假如在一根较 长的管道中吊架用的太多,会使管系不稳固,故在一条管道中,一般不宜均用吊架进行支撑 。 依据蒙受 管道重量的特色不一样,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 .专业word可编写. ..... 刚性支吊架仅限制管道一个方向(往常为-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带位移的状况下,或用于支撑点有较小的向下位移和附带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。 依据应用处合和生根条件的不一样,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别型式,即经过旋拧可调螺丝,使支吊架的高度在必定范围内 获取调整,用于有少许竖直方向的热位移或附带位移的场合。 在工作工况下,当支撑点有竖直方向的热位 移或附带位移时,会使管道离开支架(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,此时应采纳下边将要介绍的弹簧支吊架。 假如支撑点竖直方向的热位移或附带位移比较小并且又位 于简单凑近的地方时,采纳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 可变弹簧支吊架合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 支吊架对比,使用可变弹簧支吊架会造成必定的荷载转移。 为防备过大的荷载转移,可变弹簧支吊架的荷 载变化率应控制在25%以下。 自然,有时依据实质需要而存心识地去分派管系在各支撑点的载荷,即存心 识地给定一个较大的安装载荷而获取较大的载荷转移。 常用强型的可变弹簧支吊架有支、吊两
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