管道应力分析及计算

1、管道应力分析专题 一、管道应力分析的目的一、管道应力分析的目的 1 1、使管道应力在规范的许用范围内，保证管道系、使管道应力在规范的许用范围内，保证管道系 统的整体安全统的整体安全 2 2、使动（静）设备管口载荷符合制造商或公认的、使动（静）设备管口载荷符合制造商或公认的 标准标准使其能长周期、平稳运转使其能长周期、平稳运转 3 3、给结构及各种支撑提供设计载荷、给结构及各种支撑提供设计载荷 4 4、确定管道热位移及各种冲击载荷所导致的管道、确定管道热位移及各种冲击载荷所导致的管道 位移位移 5 5、解决管道动力学问题：机械振动、脉动、安全、解决管道动力学问题：机械振动、脉动、安全 阀排放等阀

2、排放等 6 6、优化配管设计、优化配管设计 二、管道应力分析基础知识二、管道应力分析基础知识 2.12.1、应力、应变及应力状态、应力、应变及应力状态 2.22.2、材料的机械性能、材料的机械性能 2.32.3、强度理论、强度理论 2.42.4、管道变形的基本形式、管道变形的基本形式 2.52.5、管道中的应力状态、管道中的应力状态 2.62.6、管道应力分类、管道应力分类 2.6.12.6.1、应力分类校核遵循的原则、应力分类校核遵循的原则 2.6.22.6.2、管道应力分析中的应力分类、管道应力分析中的应力分类 2.6.32.6.3、管道应力分析中一次和二次应力超标原因、管道应力分析中一次

3、和二次应力超标原因 2.72.7、管道应力分析所遵循的标准、管道应力分析所遵循的标准 三、管道的柔性设计三、管道的柔性设计 3.13.1、柔性定义及柔性设计的方法和目的、柔性定义及柔性设计的方法和目的 a)a)定义定义 b)b)目的目的 c)c)设计方法设计方法 d)d)端点位移考虑端点位移考虑 3.23.2、是否进行详细柔性设计的判别方法、是否进行详细柔性设计的判别方法 a)a)应进行详细柔性设计的管道应进行详细柔性设计的管道 b)b)可以不进行详细柔性设计的管道可以不进行详细柔性设计的管道 c)c)判别式的使用方法与注意事项判别式的使用方法与注意事项 3.33.3、管道的热补偿、管道的热补

4、偿 三、管道的柔性设计三、管道的柔性设计 3.43.4、应力增大因子、应力增大因子 3.53.5、柔性分析方程、柔性分析方程 3.63.6、弹性模量随温度变化效应、弹性模量随温度变化效应 3.73.7、柔性分析的另一规则柔性分析的另一规则 四、管道应力分析的职责四、管道应力分析的职责 4.14.1、应力分析（静力分析、动力分析）、应力分析（静力分析、动力分析）; ; 4.24.2、对重要管线的壁厚进行计算，包括特殊管件的应力、对重要管线的壁厚进行计算，包括特殊管件的应力 分析；分析； 4.34.3、对动设备（机泵、空冷器、透平等）管口受力进行、对动设备（机泵、空冷器、透平等）管口受力进行 校核

5、计算；校核计算； 4.44.4、管架设计；、管架设计； 4.54.5、审核供货商文件；、审核供货商文件； 4.64.6、编制、修改相关规定；、编制、修改相关规定； 4.74.7、编制应力分析及管架设计工程规定；、编制应力分析及管架设计工程规定； 4.84.8、本专业人员培训；、本专业人员培训； 4.94.9、进度、质量及人工时控制、进度、质量及人工时控制 ； 4.104.10、参加现场技术服务；、参加现场技术服务； 五、管道机械专业（应力分析）常用的标准规范五、管道机械专业（应力分析）常用的标准规范 1 1、GB50316-2000GB50316-2000工业金属管道设计规范工业金属管道设计规

6、范 2 2、HG/T20645-1998HG/T20645-1998化工装置管道机械设计规定化工装置管道机械设计规定 3 3、SH/T3041-2002SH/T3041-2002石油化工企业管道柔性设计规范石油化工企业管道柔性设计规范 4 4、GB150GB150钢制压力容器钢制压力容器 5 5、JB/T8130.1-1999 JB/T8130.1-1999 恒力弹簧支吊架恒力弹簧支吊架 6 6、JB/T8130.2-1999 JB/T8130.2-1999 可变弹簧支吊架可变弹簧支吊架 7 7、GB 50251-2003 GB 50251-2003 输气管道工程设计规范输气管道工程设计规范

7、8 8、GB 50253-2003 GB 50253-2003 输油管道工程设计规范输油管道工程设计规范 9 9、ASME/ANSI B31.1 - Power PipingASME/ANSI B31.1 - Power Piping 1010、ASME/ANSI B31.3 Process PipingASME/ANSI B31.3 Process Piping 1111、ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution piping Distributio

8、n piping systemssystems 1212、ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systemsDistribution piping systems 1313、API610 - API610 - 离心泵离心泵 1414、NEMA SM23 - NEMA SM23 - 透平透平 1515、API617 - API617 - 离心式压缩机离心式压缩机 1616、API618 - API618 - 往复式压缩机往复式压缩机 1717、A

9、PI661 - API661 - 空冷器空冷器 1818、ANSI/B31.1ANSI/B31.1、APIRP520 - APIRP520 - 安全阀、爆破膜安全阀、爆破膜 六、工程设计阶段管机专业的任务六、工程设计阶段管机专业的任务 6.16.1、初步设计、基础设计阶段、初步设计、基础设计阶段 编制工程设计规定编制工程设计规定( (应力分析、管架设计应力分析、管架设计) () (四级签四级签 署署) )； (2) (2) 参加设备布置工作；参加设备布置工作； (3) (3) 对主要管线的走向进行应力分析和评定对主要管线的走向进行应力分析和评定。 6.26.2、详细设计阶段、详细设计阶段 修订

10、工程设计规定修订工程设计规定( (应力分析、管架设计应力分析、管架设计) ) ( (四级签署四级签署) )； 重要管线的壁厚计算，特殊管件的应力分析；重要管线的壁厚计算，特殊管件的应力分析； 编制临界管线表编制临界管线表( (三级签署三级签署) ) 应力分析管线表应力分析管线表 静力分析静力分析 应力分析应力分析 ( (三、四级三、四级) )； 动力分析动力分析 卧式容器固定端确定，立式设备支耳标高确定；卧式容器固定端确定，立式设备支耳标高确定； 支管补强计算；支管补强计算； 动设备许用荷载校核动设备许用荷载校核( (四级四级) ) 夹套管夹套管( (蒸汽、热油、热水蒸汽、热油、热水) )计算

11、计算( (端部强端部强 度计算、内部导向翼板位置确定、同时度计算、内部导向翼板位置确定、同时 包括任何应力分析管道的所有内容包括任何应力分析管道的所有内容) )； 往复式压缩机、往复泵动力分析往复式压缩机、往复泵动力分析( (四级四级) )； 安全阀、爆破膜泄放反力计算；安全阀、爆破膜泄放反力计算； 结构、建筑荷载条件；结构、建筑荷载条件； 设备管口荷载、预焊件条件；设备管口荷载、预焊件条件； 编制弹簧架采购编制弹簧架采购MRMR文件及弹簧架技术数据文件及弹簧架技术数据 表；表； 编制柔性件编制柔性件( (膨胀节、软管等膨胀节、软管等) )采购采购MRMR文件文件 及技术数据表；及技术数据表；

12、 6.36.3 工程规定内容工程规定内容 A A、适用范围；、适用范围； B B、概述；、概述； C C、设计中采用的标准规范；、设计中采用的标准规范； D D、计算程序、计算程序( (软件软件) )； E E、设计温度、压力、安装温度、设计温度、压力、安装温度( (环境温度环境温度) )、压力；、压力； F F、设计荷载、设计荷载 风压值；风压值； 地震烈度；地震烈度； 雪荷载；雪荷载； 土壤的力学性质；土壤的力学性质； J J、其它、其它 壁厚计算壁厚计算 A A、当、当 B B、当、当 t t 的确定应根据断裂理论、疲劳、热应力及材的确定应根据断裂理论、疲劳、热应力及材 料特性等因素综合

13、考虑确定。料特性等因素综合考虑确定。 C C、外压直管的壁厚，应根据、外压直管的壁厚，应根据GB150GB150规定的方法确定。规定的方法确定。 D D、其它的管件、其它的管件( (如如Y Y型三通、孔板等型三通、孔板等) )依据相应的规范依据相应的规范 (GB50316-2000)(GB50316-2000)公式进行计算。公式进行计算。 YP22 PD t 385.0 P 6 D t t 0 t 0 时时且且 时时或或385.0 P 6 D t t 0 临界管线表临界管线表 公式法：公式法： D D0 0 管外径管外径(mm)(mm) Y Y 管段总位移管段总位移(mm) (mm) Y=(X

14、Y=(X2 2+Y+Y2 2 +Z +Z2 2) )1/2 1/2 L L 管段两个固定点的展开长度管段两个固定点的展开长度(m) (AB+BC+CD)(m) (AB+BC+CD) U U 管段两个固定点的直线距离管段两个固定点的直线距离(m) (AD(m) (AD间的直线距离间的直线距离) ) ( (依据依据ASME/ANSI B31.1ASME/ANSI B31.1及及B31.3)B31.3) 3.208 )UL( YD 2 0 计算机计算计算机计算(BY COMPUTER(BY COMPUTER） （350350C) 简单手算简单手算( (公式法、图表法公式法、图表法) ) (BY FO

15、RMULA)(BY FORMULA) 目测法目测法(BY VISUAL)(BY VISUAL) A B CD(固定) (固定) 公式的适用范围公式的适用范围 A A、静力分析包含的内容、静力分析包含的内容 a) a) 一次应力计算及评定一次应力计算及评定 防止管道塑性变形破坏防止管道塑性变形破坏. . b) b) 二次应力计算及评定二次应力计算及评定 防止疲劳破坏。防止疲劳破坏。 c) c) 设备管口受力计算设备管口受力计算( (及评定及评定) ) 防止作用力太大，防止作用力太大， 保证设备正常运行。保证设备正常运行。 d) d) 支承点受力计算支承点受力计算 为支吊架设计提供依据。为支吊架设

16、计提供依据。 e) e) 管道上法兰受力计算管道上法兰受力计算 防止法兰泄漏。防止法兰泄漏。 f) f) 两相流及液击冲击载荷计算两相流及液击冲击载荷计算 为支吊架和结构为支吊架和结构 设计提供依据。设计提供依据。 B B、动力分析包含的内容、动力分析包含的内容 a)a)管道固有频率分析管道固有频率分析 防止共振。防止共振。 b)b)管道强迫振动响应分析管道强迫振动响应分析 控制管道振动及应力。控制管道振动及应力。 c)c)往复式压缩机往复式压缩机( (泵泵) )气气( (液液) )柱频率分析柱频率分析 防止气柱防止气柱 共振。共振。 d)d)往复式压缩机往复式压缩机( (泵泵) )压力脉动分

17、析压力脉动分析 控制压力脉动控制压力脉动 值值(值值) )。 C C、动力分析要点、动力分析要点 b) b) 机器动平衡差机器动平衡差修改基础设计修改基础设计 c)c)减少脉动和气柱共振的方法：减少脉动和气柱共振的方法： 1)1)加大缓冲罐加大缓冲罐 依据依据API618API618计算缓冲罐的体积，一计算缓冲罐的体积，一 般为气缸容积的般为气缸容积的1010倍以上，使缓冲罐尽量靠近进出倍以上，使缓冲罐尽量靠近进出 口，但不能放在共振管长位置。口，但不能放在共振管长位置。 2)2)两台或三台压缩机的汇集总管截面积至少为进口管两台或三台压缩机的汇集总管截面积至少为进口管 截面积的三倍，且应使柱塞

18、流的冲击力不增加。截面积的三倍，且应使柱塞流的冲击力不增加。 3)3)孔板消振孔板消振 在缓冲罐的出口加一块孔板。在缓冲罐的出口加一块孔板。 孔径大小：孔径大小： 孔板厚度孔板厚度=3=35mm 5mm 孔板位置孔板位置 在较大缓冲罐的进出口均可在较大缓冲罐的进出口均可 介介质质内内的的声声速速 气气体体流流速速 V V U,U D d 4 5.03.0 D d d)d)减少激振力减少激振力减少弯头、三通、异径管等管件。减少弯头、三通、异径管等管件。 改改9090。 。为弯头 为弯头4545。 。弯头。 弯头。 e)e)改变（提高）管线的固有频率，使其远离激振力频率。改变（提高）管线的固有频率

19、，使其远离激振力频率。 (1)(1)共振区域共振区域 放大因子放大因子 W1 固有频率（角频）固有频率（角频） W0 激振频率（角频）激振频率（角频） 通 常通 常 W 1 应 避 开应 避 开 0 . 8 W 0 1.2W0 的区域，在工程中的区域，在工程中 最好避开最好避开 0.5W0 1.5W0的的 范围，这样振幅较小。范围，这样振幅较小。 (2)(2)通常通常W W1 1应在应在W W0 0（压缩机的吸入或吸出频率）的（压缩机的吸入或吸出频率）的1.21.2 倍以上，设计时最好控制在倍以上，设计时最好控制在1.51.5倍以上。倍以上。 (3)(3)激振力频率激振力频率 n = n =

20、转转/ /分分 压缩机转数压缩机转数 )/1()( 60 n W0秒秒作用数作用数双双单单缸数缸数 振幅 (4)控制压力脉动控制压力脉动 注：此为原苏联标准注：此为原苏联标准 (5)(5)卧式容器固定端及立式设备支耳标高确定卧式容器固定端及立式设备支耳标高确定 提高管提高管 道柔性，减小位移量，防止对设备管口的推力过大。道柔性，减小位移量，防止对设备管口的推力过大。 支管补强计算支管补强计算 降低局部应力降低局部应力 等面积补强等面积补强 WRC329WRC329 支耳标高确定支耳标高确定 动设备管口许用荷载校核动设备管口许用荷载校核 API 610;API 617; NEMA SM 23;

21、API 661。 往复式机泵动力分析往复式机泵动力分析 安全阀，爆破膜泄放反力计算安全阀，爆破膜泄放反力计算( (见标准计算程序见标准计算程序) ) ANSI/B 31.1( (气体气体) )；API RP 520( (气体、气混气体、气混) ) 结构，荷载条件：结构，荷载条件： F1000Kgf，M750Kgf Bf Bf 梁翼缘宽度。梁翼缘宽度。 需提条件给土建需提条件给土建 ：沉降量的考虑；储罐抗震措施。：沉降量的考虑；储罐抗震措施。 管端结构管端结构 安全阀与爆破片安全阀与爆破片 设备管口荷载及预焊件条件设备管口荷载及预焊件条件 供设备专业校核供设备专业校核 局部应力和设计用局部应力和

22、设计用 编编制弹簧架采购制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据表文件及弹簧架技术数据表 选型、荷载、位移选型、荷载、位移 串联串联 按最大荷载选弹簧按最大荷载选弹簧 位移按最大位移量分配位移按最大位移量分配 并联并联 选同型号弹簧、荷载平均分配选同型号弹簧、荷载平均分配 荷载变化率荷载变化率 国标国标2525（可改变）（可改变） 编制柔性件编制柔性件（膨胀节、软管等）（膨胀节、软管等）采购采购MRMR文件及柔文件及柔 性件技术数据表性件技术数据表 插图插图 设备管口承载能力表设备管口承载能力表 七、管道应力分析中的特殊问题七、管道应力分析中的特殊问题 7.1、夹套管应力分析、夹套管应力分析 7.

23、2、埋地管应力分析、埋地管应力分析 7.3、高压管道应力分析、高压管道应力分析 八、有限元法在管道应力分析中的应用八、有限元法在管道应力分析中的应用 九、管道应力分析程序九、管道应力分析程序 9.1、CAESAR II软件的应用软件的应用 9.2、AUTOPIPE软件的应用软件的应用 十、管道支架设计十、管道支架设计 10.1、管道支架的分类及定义、管道支架的分类及定义 按支架的作用分为三大类：按支架的作用分为三大类：承重架、限制性支架和减振承重架、限制性支架和减振 架。架。 1）承重架）承重架 : 用来承受管道的重力及其它垂直向下载荷的用来承受管道的重力及其它垂直向下载荷的 支架支架( (含

24、可调支架含可调支架) )。 a）滑动架：）滑动架：在支承点的下方支撑的托架，除垂直方向在支承点的下方支撑的托架，除垂直方向 支撑力及水平方向摩擦力以外，没有其他任何阻力。支撑力及水平方向摩擦力以外，没有其他任何阻力。 b）弹簧架：）弹簧架：包括恒力弹簧架和可变弹簧架。包括恒力弹簧架和可变弹簧架。 c ）刚性吊架：）刚性吊架：在支承点的上方以悬吊的方式承受管道在支承点的上方以悬吊的方式承受管道 的重力及其他垂直向下的荷载，吊杆处于受拉状态。的重力及其他垂直向下的荷载，吊杆处于受拉状态。 d）滚动支架：）滚动支架：采用滚筒支承，摩擦力较小。采用滚筒支承，摩擦力较小。 吊架吊架 10.2、管道跨距及

25、导向间距、管道跨距及导向间距 1）管道跨距）管道跨距 强度及刚度两项控制强度及刚度两项控制 a)力学模型力学模型 强度条件：连续敷设水平直管允许跨距强度条件是管强度条件：连续敷设水平直管允许跨距强度条件是管 道中最大道中最大 纵向应力不得大于设计温度下的材纵向应力不得大于设计温度下的材 料的许用应力。料的许用应力。 b)管道跨距计算管道跨距计算 c) 不考虑内压最大允许跨距不考虑内压最大允许跨距 d)考虑内压最大允许跨距考虑内压最大允许跨距 10.2、管道跨距及导向间距、管道跨距及导向间距 2）导向间距：）导向间距： a）水平管）水平管 b）垂直）垂直 形补偿器形补偿器 DNPTLTCMLMCMT 3”150015001500600600600 4”210021002100110011001100 6”460046004600340034003400 8”600060006000570057005700 10”760076007600690069006900 12