氨制冷压力管道危险因素分析与检验

1、氨制冷压力管道氨制冷压力管道危险因素分析与检验危险因素分析与检验林卫平林卫平一、引言n1 1、近年来氨制冷压力管道事故多发，一些事故引起、近年来氨制冷压力管道事故多发，一些事故引起群死群伤，已经引起各方面的重视，群死群伤，已经引起各方面的重视，20132013年年以来，以来，各地都开展了涉氨压力管道整治工作，但因管道停各地都开展了涉氨压力管道整治工作，但因管道停机检验给使用单位带来的不变，严重地影响了检验机检验给使用单位带来的不变，严重地影响了检验工作的开展。工作的开展。n2 2、按照、按照6161号文的规定，大部分冷库压力管道检验后号文的规定，大部分冷库压力管道检验后将被判为不合格，大批冷库

2、的停用会带来不少的经将被判为不合格，大批冷库的停用会带来不少的经济损失，也可能出现一些不稳定因素。济损失，也可能出现一些不稳定因素。n3 3、通过在线或停机检验，对压力管道安全状况做以、通过在线或停机检验，对压力管道安全状况做以综合判断，分门别类制定有针对性的整改要求，提综合判断，分门别类制定有针对性的整改要求，提升一批，整改一批，关停一批，才能达到最佳效果。升一批，整改一批，关停一批，才能达到最佳效果。n4 4、仁寿县仁寿县4.214.21事故事故5 5、上海翁牌事故、上海翁牌事故n8 8月月3131日日8 8时左右，翁牌公司员工陆续进入加工车间作业。时左右，翁牌公司员工陆续进入加工车间作业

3、。至至1010时时4040分，约分，约2424人在单冻机生产线区域作业，人在单冻机生产线区域作业，3838人在人在水产加工整理车间作业。约水产加工整理车间作业。约1010时时4545分，氨压缩机房操作分，氨压缩机房操作工潘泽旭在氨调节站进行热氨融霜作业。工潘泽旭在氨调节站进行热氨融霜作业。1010时时4848分分2020秒秒起，单冻机生产线区域内的监控录像显示现场陆续发生起，单冻机生产线区域内的监控录像显示现场陆续发生约约7 7次轻微震动，单次震动持续时间约次轻微震动，单次震动持续时间约1 1至至6 6秒不等。秒不等。1010时时5050分分1515秒，正在进行融霜作业的单冻机回气集管北端秒，

4、正在进行融霜作业的单冻机回气集管北端管帽脱落，导致氨泄漏。事故造成管帽脱落，导致氨泄漏。事故造成1515人死亡，人死亡，7 7人重伤，人重伤，1818人轻伤。人轻伤。n事故直接原因是，严重违规采用热氨融霜方式，导致发事故直接原因是，严重违规采用热氨融霜方式，导致发生液锤现象，压力瞬间升高，致使存有严重焊接缺陷的生液锤现象，压力瞬间升高，致使存有严重焊接缺陷的单冻机回气集管管帽脱落，造成氨泄漏。单冻机回气集管管帽脱落，造成氨泄漏。 n事故间接原因事故间接原因 涉及翁牌公司：涉及翁牌公司：n（1 1）违规设计、违规施工和违规生产。在主体）违规设计、违规施工和违规生产。在主体建筑的南、西、北侧，建设

5、违法构筑物，并将建筑的南、西、北侧，建设违法构筑物，并将设备设施移至西侧构筑物内组织生产。设备设施移至西侧构筑物内组织生产。n（2 2）主体建筑竣工验收后，擅自改变功能布局。）主体建筑竣工验收后，擅自改变功能布局。将原单冻机生产线区域、预留的水产精深加工将原单冻机生产线区域、预留的水产精深加工区域及部分水产加工整理车间改为冷库等。区域及部分水产加工整理车间改为冷库等。n（3 3）水融霜设备缺失，无法按规程进行水融霜）水融霜设备缺失，无法按规程进行水融霜作业；无单冻机热氨融霜的操作规程，违规进作业；无单冻机热氨融霜的操作规程，违规进行热氨融霜。行热氨融霜。n（4 4）氨调节站布局不合理。操作人员

6、在热氨融）氨调节站布局不合理。操作人员在热氨融霜控制阀门时，无法同时对融霜的关键计量设霜控制阀门时，无法同时对融霜的关键计量设备进行监测。备进行监测。n（5 5）氨制冷设备及其管道附近，设置加工车间）氨制冷设备及其管道附近，设置加工车间组织生产。组织生产。n6 6、乳山合和食品、乳山合和食品11.2811.28事故事故n20132013年年1111月月2828日日1717时时1313分，山东省乳山合和食分，山东省乳山合和食品有限公司发生氨泄漏事故，造成品有限公司发生氨泄漏事故，造成1313人中毒，人中毒，其中其中7 7人经抢救无效死亡，人经抢救无效死亡，1 1人危重，人危重，3 3人伤势较人伤

7、势较重，重，2 2人轻伤。人轻伤。n事故发生的直接原因事故发生的直接原因 n在回气管道布置和安装存在缺陷的情况下，制在回气管道布置和安装存在缺陷的情况下，制冷操作工严重违犯热氨融霜安全操作规程，导冷操作工严重违犯热氨融霜安全操作规程，导致发生液锤现象，致使存在焊接缺陷的单冻机致发生液锤现象，致使存在焊接缺陷的单冻机回气集管与封头连接处的焊缝开裂，导致封头回气集管与封头连接处的焊缝开裂，导致封头脱落，造成氨泄漏。脱落，造成氨泄漏。 二、氨压缩制冷原理n1、基本要件n最简单的制冷系统由四大要件组成：压缩机；冷凝器；节流阀；蒸发器；2 2、简化的氨制冷系统、简化的氨制冷系统n 3 3、冷库制冷系统常

8、见设备、冷库制冷系统常见设备n氨制冷压缩机n作用：作用：对制冷剂作功，使其能在系统中完成循环对制冷剂作功，使其能在系统中完成循环中间冷却器中间冷却器n作用：作用：降低低压级的排气温度；分离低压级排气降低低压级的排气温度；分离低压级排气中所夹带的润滑油；冷却蛇形盘管内的制冷剂使中所夹带的润滑油；冷却蛇形盘管内的制冷剂使其过冷。其过冷。冷凝器冷凝器n作用：作用：排出热量使制冷剂由气态凝结为液态排出热量使制冷剂由气态凝结为液态 油分离器油分离器作用：作用：将压缩机排气中的润滑油分离出来将压缩机排气中的润滑油分离出来高压储液器高压储液器n作用：作用： 贮存从冷凝器来的液体制冷剂，保证冷凝器的传贮存从冷

9、凝器来的液体制冷剂，保证冷凝器的传热面积得以充分发挥；供应和调节制冷系统内各部分设备热面积得以充分发挥；供应和调节制冷系统内各部分设备的液体循环量，一适应工况变动的需要；起液封作用，防的液体循环量，一适应工况变动的需要；起液封作用，防止高压侧气体窜到低压系统而造成事故止高压侧气体窜到低压系统而造成事故空气分离器空气分离器n作用：作用：排除制冷系统中的空气及其它不凝性气体。排除制冷系统中的空气及其它不凝性气体。低压循环桶低压循环桶n低压循环桶：低压循环桶：将节流后的闪发气体和回气携带的液滴分将节流后的闪发气体和回气携带的液滴分离，让液体进入冷却设备，提高传热效率。离，让液体进入冷却设备，提高传热

10、效率。紧急泄氨器紧急泄氨器n作用：作用：紧急情况下使系统中的氨与水混合后排出紧急情况下使系统中的氨与水混合后排出4 4、氨的有关参数、氨的有关参数 n 三、气液两相流动简介n1、在气液两相流的管路中，由于各相流体的流速不同，管路边界条件的变化等原因，气相与液相之间，可以有各种连续、不连续的流动，如层状流、环状流、弹形流、搅拌流或塞状流。当管路中形成液塞或气塞，会对流体的正常流动形成阻塞，这些阻塞有时是在瞬间产生的，类似于阀门的迅速关闭，会引起液击现象。 2 2、水平直管内两相流的六种流型、水平直管内两相流的六种流型 3 3、垂直管的流型、垂直管的流型4 4、液击的产生及危害、液击的产生及危害n

11、我们知道，当液体在管道中流动阀门突我们知道，当液体在管道中流动阀门突然关闭或泵因故突然停止工作，使流体然关闭或泵因故突然停止工作，使流体流速急剧变化时，管内压强会发生大幅流速急剧变化时，管内压强会发生大幅度交替升降。这种变化以一定的速度向度交替升降。这种变化以一定的速度向上游或下游传播，并且在边界上发生反上游或下游传播，并且在边界上发生反射，其强大的作用力可破坏阀门、管道射，其强大的作用力可破坏阀门、管道等，这种现象叫作等，这种现象叫作液击。液击。n液击能激发管系的振动。液击能激发管系的振动。 n产生液击现象的原因是由于液体存在惯性产生液击现象的原因是由于液体存在惯性和可压缩性，其实质是由于管

12、道内流体流和可压缩性，其实质是由于管道内流体流速的改变，导致流体的动量发生急剧改变速的改变，导致流体的动量发生急剧改变而引起作用力变化的结果。输送湿蒸汽或而引起作用力变化的结果。输送湿蒸汽或者气体的管道中，有时会积存少量液体，者气体的管道中，有时会积存少量液体，当阀门突然打开，气（汽）就会推动液塞当阀门突然打开，气（汽）就会推动液塞冲入管路，造成对管路、阀门等的破坏，冲入管路，造成对管路、阀门等的破坏，也是属于液击。也是属于液击。n在气液两相流的管路中，当管路中形成液在气液两相流的管路中，当管路中形成液塞或气塞，会对流体的正常流动形成阻塞，塞或气塞，会对流体的正常流动形成阻塞，这些阻塞有时是在

13、瞬间产生的，类似于阀这些阻塞有时是在瞬间产生的，类似于阀门的迅速关闭，会引起液击现象。门的迅速关闭，会引起液击现象。 n由于气液两相流动中各种参数变化复杂，由于气液两相流动中各种参数变化复杂，可能短时间内形成上述多次（个）液击，可能短时间内形成上述多次（个）液击，产生一系列多源性液击波在管路中传播。产生一系列多源性液击波在管路中传播。多源性液击波叠加的结果可能产生两种多源性液击波叠加的结果可能产生两种情况，一是互相消弱，一是互相加强，情况，一是互相消弱，一是互相加强，甚至发生共振。在诸波出现共振的情况甚至发生共振。在诸波出现共振的情况下，就可能使管路中的压力升高到原来下，就可能使管路中的压力升

14、高到原来的几十倍甚至几百倍，形成破坏力远远的几十倍甚至几百倍，形成破坏力远远大于单波源液击的复合波液击。有报道，大于单波源液击的复合波液击。有报道，某单位锅炉房蒸汽总管发生液击（水锤）某单位锅炉房蒸汽总管发生液击（水锤）事故，其液击压力升值是正常运行压力事故，其液击压力升值是正常运行压力的的288.32288.32倍（倍（管道中气一水锤探管道中气一水锤探讨讨）。）。 n液体在长的低温垂直输送管路中，由于液体在长的低温垂直输送管路中，由于液体汽化产生汽泡，汽泡不断增多并聚液体汽化产生汽泡，汽泡不断增多并聚集堵塞管路，最终将液柱挤出管路产生集堵塞管路，最终将液柱挤出管路产生喷发的现象称之为间歇泉现

15、象。这种现喷发的现象称之为间歇泉现象。这种现象导致低温液体产生类似液击的压力波象导致低温液体产生类似液击的压力波动，会对供应管道、阀门和管路造成结动，会对供应管道、阀门和管路造成结构性损害。构性损害。 n有资料介绍（有资料介绍（弯管中的气液两相流水弯管中的气液两相流水击现象击现象），气液两相流中液击波在弯），气液两相流中液击波在弯管中的传播与在直管中明显不同，液击管中的传播与在直管中明显不同，液击压力在弯管外侧大（高于进口）、内侧压力在弯管外侧大（高于进口）、内侧小，但出弯管后这种内外差别很快消失。小，但出弯管后这种内外差别很快消失。弯管内外侧压差的大小与表观液速及含弯管内外侧压差的大小与表观

16、液速及含气率有关。经过弯管液击压力衰减比在气率有关。经过弯管液击压力衰减比在直管中快，其衰减程度与含气率有关。直管中快，其衰减程度与含气率有关。5 5、氨压缩制冷系统中，各管路可能产生、氨压缩制冷系统中，各管路可能产生液击的情况分析液击的情况分析n1 1）高温气氨管路。正常工作时，管内为）高温气氨管路。正常工作时，管内为气体，密度低，不会出现液击。但在压气体，密度低，不会出现液击。但在压缩机启动时，如果管路安装坡度有问题，缩机启动时，如果管路安装坡度有问题，管中积存液态氨，则可能出现液击。因管中积存液态氨，则可能出现液击。因此，管路安装坡度、走向及积液的排出此，管路安装坡度、走向及积液的排出对

17、防止液击非常重要。对防止液击非常重要。 n2 2）冷凝器至循环桶间的液氨管路。当）冷凝器至循环桶间的液氨管路。当管路较长时，快速关闭阀门可能出现管路较长时，快速关闭阀门可能出现液击。如果气氨经冷凝器冷却不充分，液击。如果气氨经冷凝器冷却不充分，管路中出现气液两相流，一定情况下管路中出现气液两相流，一定情况下可能产生液击。较短的管道、合理的可能产生液击。较短的管道、合理的管路布置，减少管路含气率，对防止管路布置，减少管路含气率，对防止液相或气液两相液击很重要。液相或气液两相液击很重要。 n3 3）循环桶至液体调节站到速冻间、冷）循环桶至液体调节站到速冻间、冷藏库和单冻机的液氨管路。由于这些管藏库

18、和单冻机的液氨管路。由于这些管路一般较长，快速关闭阀门可能出现液路一般较长，快速关闭阀门可能出现液击。该管路在通液降温初期，可能有一击。该管路在通液降温初期，可能有一部分氨液吸热气化，特殊情况下在管路部分氨液吸热气化，特殊情况下在管路形成气塞，导致液击。形成气塞，导致液击。 n速冻间、冷藏库和单冻机至气体调节站速冻间、冷藏库和单冻机至气体调节站到循环桶的气氨管。如果管路安装坡度、到循环桶的气氨管。如果管路安装坡度、走向有问题，系统（设备）运行初期，走向有问题，系统（设备）运行初期，管中积存液态氨，在气氨的冲击下可能管中积存液态氨，在气氨的冲击下可能出现液击；运行中，如出现用冷量波动，出现液击；

19、运行中，如出现用冷量波动，导致管中氨气的干度（气液比例）出现导致管中氨气的干度（气液比例）出现波动，则可能出现液击。管路安装、供波动，则可能出现液击。管路安装、供冷时阀门开关速度、冷量的控制，对防冷时阀门开关速度、冷量的控制，对防止液击有重要意义。止液击有重要意义。 n热氨融霜管路。如果管路安装坡度有问题热氨融霜管路。如果管路安装坡度有问题或氨气回抽时间不够，管路中积存液态氨，或氨气回抽时间不够，管路中积存液态氨，通入热氨气进行融霜，则易出现液击。在通入热氨气进行融霜，则易出现液击。在热氨融霜过程中，尤其要注意防止初期热热氨融霜过程中，尤其要注意防止初期热氨气通入量过大，形成气推动液的液塞冲氨

20、气通入量过大，形成气推动液的液塞冲击（液击）；融霜前期、中期的气液两相击（液击）；融霜前期、中期的气液两相流可能形成的单、复合波源液击。因此，流可能形成的单、复合波源液击。因此，氨液回抽、充霜阀门的调节应引起高度重氨液回抽、充霜阀门的调节应引起高度重视。管路（包括设备上）的设计、施工，视。管路（包括设备上）的设计、施工，对防止液击液有重要作用。对防止液击液有重要作用。6 6、汇管、集管（集箱）的设计对于各支管、汇管、集管（集箱）的设计对于各支管流量分配的影响流量分配的影响n有试验证实（平行流蒸发器内气液两相流分有试验证实（平行流蒸发器内气液两相流分配均匀性实验研究），介质进口位置不同，配均匀性

21、实验研究），介质进口位置不同，对集箱各支管的流量分配有较大影响。对集箱各支管的流量分配有较大影响。n1）介质自集箱一侧进入）介质自集箱一侧进入 2 2）介质至集管中部进入）介质至集管中部进入 n从实验结果来看，流量增大，不均匀性从实验结果来看，流量增大，不均匀性趋向减小；干度（含气率）增大，不均趋向减小；干度（含气率）增大，不均匀性趋向减小。匀性趋向减小。n调节站、冷冻间、速冻间的集管、汇管调节站、冷冻间、速冻间的集管、汇管应由制冷系统（冷库）的工艺设计人员应由制冷系统（冷库）的工艺设计人员设计，安装单位应按图纸施工，不能凭设计，安装单位应按图纸施工，不能凭经验施工，事后补设计。这种做法隐患经

22、验施工，事后补设计。这种做法隐患很大。很大。n乳山乳山11.2811.28事故原介质是从中间进出集管，事故原介质是从中间进出集管，后改从一侧进入。后改从一侧进入。四、管道应力与缺陷对安全的影响四、管道应力与缺陷对安全的影响n1 1、管道应力简要回顾、管道应力简要回顾n压力管道所承受的静载荷，常见的有介质的内压力管道所承受的静载荷，常见的有介质的内压、管道元件的自重、管道内的介质重量、管压、管道元件的自重、管道内的介质重量、管道外的隔热材料重量、管道的热胀和位移载荷道外的隔热材料重量、管道的热胀和位移载荷等。这些载荷作用于管道上的特点和方式是不等。这些载荷作用于管道上的特点和方式是不同的，因此它

23、们对管道强度的影响特点也不同，同的，因此它们对管道强度的影响特点也不同，由此也导致了管道力学研究的复杂性。由此也导致了管道力学研究的复杂性。n管子及其元件因受载荷过大而导致的断裂、爆管子及其元件因受载荷过大而导致的断裂、爆破等损坏称之为强度破坏。换句话说管子及其破等损坏称之为强度破坏。换句话说管子及其元件的强度是指它在载荷的作用下抵抗断裂、元件的强度是指它在载荷的作用下抵抗断裂、爆破的能力。同理，管子及其元件因受载荷过爆破的能力。同理，管子及其元件因受载荷过大而导致的过度变形使其不能正常工作，通常大而导致的过度变形使其不能正常工作，通常称之为刚度破坏。换句话说，管子及其元件的称之为刚度破坏。换

24、句话说，管子及其元件的刚度是指它在载荷的作用下抵抗变形的能力。刚度是指它在载荷的作用下抵抗变形的能力。 n管道元件变形的基本形式有拉伸（压缩）、剪管道元件变形的基本形式有拉伸（压缩）、剪切、扭转和弯曲共四种，受多种载荷作用的管切、扭转和弯曲共四种，受多种载荷作用的管子变形都可视为这四种基本变形形式的组合。子变形都可视为这四种基本变形形式的组合。n试验证明，材料的许用剪切应力与许用拉伸应试验证明，材料的许用剪切应力与许用拉伸应力存在下列近似关系：力存在下列近似关系：n对塑性材料：对塑性材料：=(0.6-0.8)=(0.6-0.8)n对脆性材料：对脆性材料：=(0.6-1.0)=(0.6-1.0)

25、n扭转许用剪应力扭转许用剪应力与拉伸许用应力与拉伸许用应力存在存在如下近似关系：如下近似关系：n )6 . 05 . 0( n a a、径向应力、径向应力r r和周和周向应力向应力沿管道壁厚沿管道壁厚分布是不均匀的，且分布是不均匀的，且内壁上的值最大。轴内壁上的值最大。轴向应力向应力z z沿管道壁厚沿管道壁厚均匀分布；均匀分布；nb b、在管道内壁上的各、在管道内壁上的各应力值中以周应向力应力值中以周应向力的值最大，且大于的值最大，且大于操作压力；操作压力；nc c、周向应力、周向应力和径和径向应力向应力r r沿壁厚的分沿壁厚的分布情况因径比布情况因径比k k的不同的不同而不同。而不同。K K

26、值越大，内值越大，内外壁的差值越大。外壁的差值越大。)1 (1222rRkPoi)1 (1222rRkPoir12kPiz n内外壁的应力比为：内外壁的应力比为：n当当K=1.2时，由上式可以求得内外壁的应力比值为时，由上式可以求得内外壁的应力比值为1.22。其物理意义是：若取平均应力作为强度校核值时，即取其物理意义是：若取平均应力作为强度校核值时，即取nm=s/1.5时，那么有：时，那么有：n 1.5ms n即其最大应力仍然不会超过屈服极限，也就是说此时管道即其最大应力仍然不会超过屈服极限，也就是说此时管道中各点均处于弹性变形状态，管道是安全的。中各点均处于弹性变形状态，管道是安全的。n此结

27、论对于薄壁管道是非常有用的，因为薄壁管道是以平此结论对于薄壁管道是非常有用的，因为薄壁管道是以平均应力作为校核值的。由此也可以知道，薄壁管道应力计均应力作为校核值的。由此也可以知道，薄壁管道应力计算公式中常限制算公式中常限制Ro/Ri1.2或管子壁厚或管子壁厚SDo/6的原因的原因就在于此，工程上通常以就在于此，工程上通常以k1.2来划分薄壁管和厚管的来划分薄壁管和厚管的道理也在于此。道理也在于此。21)()(2kRorRir n2、薄壁直管在受内时的简化应力公式：、薄壁直管在受内时的简化应力公式：nP=2.0MPa，DO=273mm，S=6mm时时n=21.75MPa， Z =43.5MPa

28、SPDSDPDiiiz442SPDi23 3、强度分析、强度分析n1 1）常用压力管道设计规范强度校核原则）常用压力管道设计规范强度校核原则n管道强度条件，无论是简单应力状态，管道强度条件，无论是简单应力状态，还是复杂应力状态，都是限定其最大应还是复杂应力状态，都是限定其最大应力（或根据强度理论组合的当量最大应力（或根据强度理论组合的当量最大应力）在材料的屈服极限范围内，即认为力）在材料的屈服极限范围内，即认为最大应力超出材料的屈服极限最大应力超出材料的屈服极限s s，管道，管道元件将发生破坏。元件将发生破坏。2 2）应力集中问题）应力集中问题n工程上根据实际的需要，经常遇到压力管道元工程上根

29、据实际的需要，经常遇到压力管道元件开孔分支、变径、拐弯等问题，以致压力管件开孔分支、变径、拐弯等问题，以致压力管道在这些局部区域发生了形状或断面面积的变道在这些局部区域发生了形状或断面面积的变化。试验和实践都证明，当管道元件的形状或化。试验和实践都证明，当管道元件的形状或截面发生突变时，或者受到的外力发生突变时，截面发生突变时，或者受到的外力发生突变时，该局部区域的应力将急剧增加，且随着远离这该局部区域的应力将急剧增加，且随着远离这个区域，其应力水平则迅速降低并在某一尺寸个区域，其应力水平则迅速降低并在某一尺寸处而趋于正常。通常把因管道元件的外形突然处而趋于正常。通常把因管道元件的外形突然变化

30、或载荷的突然变化而引起局部应力增大的变化或载荷的突然变化而引起局部应力增大的现象称为应力集中。现象称为应力集中。 n从微观上讲，管道元件中总避免不了从微观上讲，管道元件中总避免不了气孔、夹渣、夹杂甚至裂纹等制造缺气孔、夹渣、夹杂甚至裂纹等制造缺陷的存在，这些缺陷的存在导致了材陷的存在，这些缺陷的存在导致了材料的微观不连续，它不仅直接消弱了料的微观不连续，它不仅直接消弱了管道元件的承载能力，而且也会引起管道元件的承载能力，而且也会引起应力集中问题。应力集中问题。 n由于应力集中的存在，可能会使得压力管由于应力集中的存在，可能会使得压力管道元件的整体应力在尚未达到材料的屈服道元件的整体应力在尚未达

31、到材料的屈服极限时，而应力集中区域的最大应力已经极限时，而应力集中区域的最大应力已经达到或远远超过了材料的屈极限。塑性力达到或远远超过了材料的屈极限。塑性力学认为，结构中某区域因受过大的应力而学认为，结构中某区域因受过大的应力而发生屈服时，其塑性变形的区域有向外扩发生屈服时，其塑性变形的区域有向外扩展的趋势，而相邻部分因受力较小而处于展的趋势，而相邻部分因受力较小而处于弹性变形状态，它将对塑性变形区的扩展弹性变形状态，它将对塑性变形区的扩展起到约束和限制作用，使变形趋于协调而起到约束和限制作用，使变形趋于协调而不在继续发展，这一现象称为材料的自限不在继续发展，这一现象称为材料的自限性。由此可见

32、，由于材料存在自限性，既性。由此可见，由于材料存在自限性，既使管道元件局部发生塑性变形，也不会导使管道元件局部发生塑性变形，也不会导致强度破坏。致强度破坏。 nmaxmax与与的比的比值称之为应力值称之为应力集中系数集中系数n在管系应力计在管系应力计算中，由于弯算中，由于弯头（或弯管）头（或弯管）横截面的扁平横截面的扁平化而使得其截化而使得其截面惯性矩或抗面惯性矩或抗弯（抗扭）截弯（抗扭）截面模量减少的面模量减少的倍数，为弯头倍数，为弯头（或弯管）的（或弯管）的柔度系数柔度系数。 n管道元件中还常常存在焊接残余应力、加管道元件中还常常存在焊接残余应力、加工残余应力、铸造残余应力和装配应力工残余

33、应力、铸造残余应力和装配应力（如强行组焊）等应力。这些应力与上述（如强行组焊）等应力。这些应力与上述载荷引起的管系应力叠加后，有时对管道载荷引起的管系应力叠加后，有时对管道元件的强度破坏影响较小，有时则影响较元件的强度破坏影响较小，有时则影响较大，例如当它与腐蚀介质共同作用而引起大，例如当它与腐蚀介质共同作用而引起材料应力腐蚀破坏时，这些应力的影响是材料应力腐蚀破坏时，这些应力的影响是不可忽视的。但这些应力并非属于管系应不可忽视的。但这些应力并非属于管系应力，也不能由管系应力分析中求得，故在力，也不能由管系应力分析中求得，故在此不作讨论，仅仅提醒压力管道检验人员，此不作讨论，仅仅提醒压力管道检

34、验人员，当该管系在有应力腐蚀环境下工作时，应当该管系在有应力腐蚀环境下工作时，应注意其应力水平，注意应力腐蚀。注意其应力水平，注意应力腐蚀。3 3）压力管道的安定分析）压力管道的安定分析n一般情况下，压力管道元件在静力的作用下存一般情况下，压力管道元件在静力的作用下存在三种不同性质的应力，即一次应力、二次应在三种不同性质的应力，即一次应力、二次应力和峰值应力。力和峰值应力。n一次应力是指由于外加载荷作用而产生的应力。一次应力是指由于外加载荷作用而产生的应力。这类应力的特点是：它满足与外加载荷的平衡这类应力的特点是：它满足与外加载荷的平衡关系，且随外加载荷的增加而增加，无自限性。关系，且随外加载

35、荷的增加而增加，无自限性。当一次应力值超过材料的屈服极限时，管道将当一次应力值超过材料的屈服极限时，管道将产生过度塑性变形而破坏。管道承受的介质内产生过度塑性变形而破坏。管道承受的介质内压、自重、介质重量等持续外载荷而产生的应压、自重、介质重量等持续外载荷而产生的应力属于一次应力。力属于一次应力。 n二次应力是指由于管道变形受到约束而二次应力是指由于管道变形受到约束而产生的应力。这类应力的特点是：它不产生的应力。这类应力的特点是：它不直接与外力平衡直接与外力平衡, ,具有自限制性，当管具有自限制性，当管道局部发生屈服和产生小量变形时其应道局部发生屈服和产生小量变形时其应力水平就能降低下来。管道

36、由于热胀冷力水平就能降低下来。管道由于热胀冷缩、位移受阻等产生的应力属于二次应缩、位移受阻等产生的应力属于二次应力。力。 n峰值应力是指由于结构不连续或局部热应力影响而引起的峰值应力是指由于结构不连续或局部热应力影响而引起的附加于一次加二次应力的应力增量。峰值应力与二次应力附加于一次加二次应力的应力增量。峰值应力与二次应力既有相同之处又有不同之处。峰值应力也具有自限性，但既有相同之处又有不同之处。峰值应力也具有自限性，但它的应力水平较高，发生的区域也较小。它的应力水平较高，发生的区域也较小。n峰值应力和二次应力产生的外部条件不尽相同，峰值应力峰值应力和二次应力产生的外部条件不尽相同，峰值应力主

37、要是由于结构或载荷不连续产生，而二次应力除由结构主要是由于结构或载荷不连续产生，而二次应力除由结构形状突变和外载荷突变引起外，其位移受阻也可引起。二形状突变和外载荷突变引起外，其位移受阻也可引起。二次应力往往发生在某一个横截面上，而峰值应力则发生在次应力往往发生在某一个横截面上，而峰值应力则发生在某一更小的区域，它一般是疲劳破坏或脆性断裂的可能根某一更小的区域，它一般是疲劳破坏或脆性断裂的可能根源。由于引发的外部条件不尽相同，热态下和冷态下的二源。由于引发的外部条件不尽相同，热态下和冷态下的二次应力差别很大。热态下由热胀和位移引起的二次应力值次应力差别很大。热态下由热胀和位移引起的二次应力值要

38、比冷态下由结构或载荷不连续产生的二次应力值大的多，要比冷态下由结构或载荷不连续产生的二次应力值大的多，故在实际计算中，仅在热态下考虑二次应力的影响。无论故在实际计算中，仅在热态下考虑二次应力的影响。无论是在热态下还是在冷态下，峰值应力都是由结构或载荷不是在热态下还是在冷态下，峰值应力都是由结构或载荷不连续产生，故它在热态和冷态的值变化不大。但由于峰值连续产生，故它在热态和冷态的值变化不大。但由于峰值应力水平较高，故无论热态还是冷态均应考虑。应力水平较高，故无论热态还是冷态均应考虑。 n一次应力和峰值应力的评定一次应力和峰值应力的评定n 对一次应力的评定应采用弹性理论进行，对一次应力的评定应采用

39、弹性理论进行，即限定一次应力不超过材料的屈服极限。引入即限定一次应力不超过材料的屈服极限。引入安全系数，工程上一般限定管道的一次应力安全系数，工程上一般限定管道的一次应力（I I）不得超过设计温度下管道材料的许用）不得超过设计温度下管道材料的许用应力（应力（h h），即：），即：I Ih hn 对峰值应力的评定，应采用断裂力学的理论对峰值应力的评定，应采用断裂力学的理论进行。工程上一般采用应力集中系数进行简化进行。工程上一般采用应力集中系数进行简化求解。求解。 n二次应力的评定应采用弹塑性理论进行。二次应力的评定应采用弹塑性理论进行。n通过分析，要想使材料在受二次应力的情况下处于安定通过分析，

40、要想使材料在受二次应力的情况下处于安定状态，必须限制构件中的一次应力与二次应力之和小于状态，必须限制构件中的一次应力与二次应力之和小于2 2倍的屈服极限，即：倍的屈服极限，即：n n一般情况下，一般情况下，s s=1.5=1.5，代入上式可得：，代入上式可得：n n对于压力管道来说，其二次应力多为热胀冷缩或位移受对于压力管道来说，其二次应力多为热胀冷缩或位移受阻而产生，那么兼顾热态和冷态的许用应力，可取阻而产生，那么兼顾热态和冷态的许用应力，可取n并将它代入式并将它代入式(b)(b)得：得：n n进一步留出安全裕度，即将系数进一步留出安全裕度，即将系数1.51.5改为改为1.251.25。考虑

41、反复。考虑反复加载和卸载造成的疲劳累积损伤，引进应力范围减少系加载和卸载造成的疲劳累积损伤，引进应力范围减少系数数f f，故式，故式(c)(c)可变为可变为: :n (d)(d).(.2asI).(. 3bI)(21Lh).(.).(5 . 1cLhI ILhaIIf25. 1 n由于一次应力由于一次应力I I必须小于热态时的许用应力必须小于热态时的许用应力h h，那么，那么用用h h代替式代替式(d)(d)中的中的I I更趋于安全。由此可以得到：更趋于安全。由此可以得到：n （e e）n n式中：式中：-管道的二次应力，管道的二次应力，MPaMPa；nf-f-在预期寿命内，考虑循环总次数影响

42、的许用应力范在预期寿命内，考虑循环总次数影响的许用应力范围减少系数；围减少系数；na a-许用应力范围，许用应力范围，MPaMPa；nL L-管道材料在管道材料在2020时的许用应力，时的许用应力，MPaMPa；nh h-管道材料在设计温度下的许用应力，管道材料在设计温度下的许用应力，MPaMPa；n式（式（e e）即为管道中二次应力强度条件判定式，它已被众）即为管道中二次应力强度条件判定式，它已被众多的压力管道设计规范如多的压力管道设计规范如ASME B31.3ASME B31.3、SH/T3041SH/T3041所引用。所引用。 )25. 025. 1 (hLaIIf 4) 4)管系静应力

43、分析管系静应力分析n主要包括以下内容：主要包括以下内容：n a a、压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计、压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算算 防止管道元件局部发生过度塑性变形而破防止管道元件局部发生过度塑性变形而破坏；坏；n b b、管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷、管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算载作用下的二次应力计算 防止管道元件发生防止管道元件发生疲劳破坏；疲劳破坏；n c c、管道对相连设备作用力的计算、管道对相连设备作用力的计算 防止管系防止管系对相连设备的作用力太大，保证设备正常运行；对相连设备的作用力太大，保证设备正常运行；n d d、管道支吊

44、架的受力计算、管道支吊架的受力计算 为支吊架强度设为支吊架强度设计提供荷载数据；计提供荷载数据；n e e、管道上法兰的受力计算、管道上法兰的受力计算 防止法兰泄漏。防止法兰泄漏。5)5)快速确定管系热膨胀补偿是否满足要求快速确定管系热膨胀补偿是否满足要求的简便方法。的简便方法。(ASME B31.3)(ASME B31.3)nD DO O管子外径，管子外径，mmmm；nYY管段总位移，管段总位移，mmmm。 ；nUU管段两固定点间的直线距离，管段两固定点间的直线距离，m m。 ；nLL管段在两固定点间的展开长度，管段在两固定点间的展开长度，m m；n x x、y y、zz分别为管段在分别为管

45、段在x x、y y、z z轴方向的坐标值，轴方向的坐标值，mmmm；nx x、y y、zz分别为管段在分别为管段在x x、y y、z z轴方向的位轴方向的位移值，移值，mmmm。4 .2082ULYDO222zyxY n应用上式简单判断式时，管系必须满足下列条件：应用上式简单判断式时，管系必须满足下列条件：na a、管系两端为固定点；、管系两端为固定点；nb b、管系内各管道元件的管径、壁厚、材质应均匀一致；、管系内各管道元件的管径、壁厚、材质应均匀一致；nc c、管系中无分支，且无支吊架；、管系中无分支，且无支吊架；nd d、管系在使用寿命内的冷热循环次数不超过、管系在使用寿命内的冷热循环次

46、数不超过70007000次。次。n 简单判断式不适用于下列管道：简单判断式不适用于下列管道：na a、在剧烈循环条件下运行，有疲劳危险的管道；、在剧烈循环条件下运行，有疲劳危险的管道；nb b、大直径薄壁管道；、大直径薄壁管道；nc c、端点附加位移量占总位移量大部分的管道；、端点附加位移量占总位移量大部分的管道；nd d、L/UL/U2.52.5的不等腿的不等腿U U形弯管管道，或近似直线的锯齿状形弯管管道，或近似直线的锯齿状管道。管道。6 6）往复压缩机管道的振动）往复压缩机管道的振动n往复式压缩机因间歇排出介质引起的振动是正常工况下往复式压缩机因间歇排出介质引起的振动是正常工况下出现的不

47、可避免的强迫振动，也是最典型、最复杂的振出现的不可避免的强迫振动，也是最典型、最复杂的振动。动。n往复式压缩机进出口管系的振动分成以下几个振系：往复式压缩机进出口管系的振动分成以下几个振系：na a、第一振系：指由于压缩机的动不平衡而引起的压缩、第一振系：指由于压缩机的动不平衡而引起的压缩机本身和与其相连管道（包括管道内的介质）的振动所机本身和与其相连管道（包括管道内的介质）的振动所构成的振动系统；构成的振动系统；nb b、第二振系：指由于压缩机的间歇吸气和排气而引起、第二振系：指由于压缩机的间歇吸气和排气而引起的气柱振动所构成的振动系统；的气柱振动所构成的振动系统；nc c、第三振系：指由于

48、气柱的压力脉动及其动能变化而、第三振系：指由于气柱的压力脉动及其动能变化而激起的管道振动所构成的振动系统；激起的管道振动所构成的振动系统；nd d、第四振系：指由于管道上节流及启闭元件引起的介、第四振系：指由于管道上节流及启闭元件引起的介质涡流而激起管道自激振动所构成的振动系统；质涡流而激起管道自激振动所构成的振动系统；ne e、第五振系：指由于管道的振动而引起的与其相连支、第五振系：指由于管道的振动而引起的与其相连支承件的振动所构成的振系。承件的振动所构成的振系。 n影响管系刚度的因素主要有下列三个：影响管系刚度的因素主要有下列三个：na a、管道的支撑；、管道的支撑；nb b、管道的布置；

49、、管道的布置；nc c、管道直径。、管道直径。n影响管系振动振幅和动应力值的因素主要有：影响管系振动振幅和动应力值的因素主要有：na a、气柱共振和机械共振；、气柱共振和机械共振；nb b、压力不均匀度；、压力不均匀度；nc c、管系结构；、管系结构；nd d、管系的刚度及支撑。、管系的刚度及支撑。缓冲罐安装位置对气流脉动消减的影响模缓冲罐安装位置对气流脉动消减的影响模拟实验拟实验n不加缓冲的脉动幅值是加缓不加缓冲的脉动幅值是加缓冲罐的脉动幅值的几倍，把冲罐的脉动幅值的几倍，把缓冲罐直接加在压缩机出口，缓冲罐直接加在压缩机出口，要比加在管道中间时气流脉要比加在管道中间时气流脉动缓和，幅值要小得

50、多。缓动缓和，幅值要小得多。缓冲罐越靠近压缩机出口，压冲罐越靠近压缩机出口，压力脉动消减效果越好。力脉动消减效果越好。 n往复式压缩机管道振动设计、审核应注往复式压缩机管道振动设计、审核应注意的内容，也是检验中的注意点（有不意的内容，也是检验中的注意点（有不少冷库的设计都没有认真考虑振动等）：少冷库的设计都没有认真考虑振动等）：na a、进行气柱固有频率分析，使其避开激、进行气柱固有频率分析，使其避开激振力的频率；振力的频率；nb b、进行压力脉动不均匀度分析，采用设、进行压力脉动不均匀度分析，采用设置缓冲器或孔板等脉动抑制措施，将压置缓冲器或孔板等脉动抑制措施，将压力不均匀度控制在允许的范围

51、内；力不均匀度控制在允许的范围内；nc c、进行管系结构振动固有频率、振动特、进行管系结构振动固有频率、振动特性及各节点的振幅及动应力分析，通过性及各节点的振幅及动应力分析，通过设置防振支架，优化管道布置，消除过设置防振支架，优化管道布置，消除过大管道振动。大管道振动。4 4、管道缺陷对安全的影响、管道缺陷对安全的影响n1 1）未焊透）未焊透n摘录实验情况（对在用含未焊透缺陷工业压摘录实验情况（对在用含未焊透缺陷工业压力管道的安全评估）力管道的安全评估）n通过事先做好的不同环焊缝缺陷，做相应实验通过事先做好的不同环焊缝缺陷，做相应实验 n拉伸试验拉伸试验n拉伸试验采用整管拉伸方拉伸试验采用整管

52、拉伸方法，拉断载荷数据见表法，拉断载荷数据见表2 2。为了计算出由未焊透而削为了计算出由未焊透而削弱的程度，引入一个削弱弱的程度，引入一个削弱系数系数H H，定义为有缺陷试件，定义为有缺陷试件拉断载荷拉断载荷P P和没有未焊透缺和没有未焊透缺陷试件拉断载荷陷试件拉断载荷P P0 0的比值，的比值，即即H=PH=PP P0 0，其结果见表，其结果见表2 2。n从表从表2 2中可以看出，在相同中可以看出，在相同的缺陷长度与管周长比的的缺陷长度与管周长比的情况下，随着未焊透深度情况下，随着未焊透深度的增加，其强度削弱敏感的增加，其强度削弱敏感性增加，即强度削弱越快。性增加，即强度削弱越快。同样，在同

53、样，在2 2个未焊透深度差个未焊透深度差值相同的情况下，随着缺值相同的情况下，随着缺陷长度与管周长比的减小，陷长度与管周长比的减小，其强度削弱敏感性增加。其强度削弱敏感性增加。 n经修正后，可分别得到不同缺陷长度与管周经修正后，可分别得到不同缺陷长度与管周长比下新的未焊透容限深度的强度削弱因子，长比下新的未焊透容限深度的强度削弱因子，见表见表3 3。 n极限载荷试验采用自行研制的打压系统，试验前极限载荷试验采用自行研制的打压系统，试验前先进行有限元计算，确定最大应变点作为极限载先进行有限元计算，确定最大应变点作为极限载荷的测试点。荷的测试点。n取极限载荷的取极限载荷的2 23 3作为许用载荷。

54、上述含未焊透作为许用载荷。上述含未焊透缺陷的管子的许用载荷及安全性评定同时列于表缺陷的管子的许用载荷及安全性评定同时列于表4 4 中。中。 n各试样实测极限载荷削弱因子各试样实测极限载荷削弱因子( (含未焊透含未焊透缺陷试样实测极限载荷与不含未焊透缺缺陷试样实测极限载荷与不含未焊透缺陷完整试样实测极限载荷之比值陷完整试样实测极限载荷之比值) )见表见表5 5，并与拉伸强度削弱因子作了比较。并与拉伸强度削弱因子作了比较。2 2）体积缺陷（）体积缺陷（带体积型缺陷压力管道极限载荷的有限元分析带体积型缺陷压力管道极限载荷的有限元分析）n从表从表1 1计算结果可以看出，当腐蚀缺陷的其余条件相同，单计算

55、结果可以看出，当腐蚀缺陷的其余条件相同，单独考虑一个因素的影响时，宽度的变化对管道极限载荷的影独考虑一个因素的影响时，宽度的变化对管道极限载荷的影响较小，长度和深度对管道极限载荷的影响较大。这主要是响较小，长度和深度对管道极限载荷的影响较大。这主要是由于在内压作用下，压力管道的环向应力远大于轴向应力，由于在内压作用下，压力管道的环向应力远大于轴向应力，而缺陷深度和长度的变化对环向应力影响较大，所以缺陷长而缺陷深度和长度的变化对环向应力影响较大，所以缺陷长度和深度的变化对极限载荷的影响明显，宽度的变化对极限度和深度的变化对极限载荷的影响明显，宽度的变化对极限载荷的影响不明显。载荷的影响不明显。

56、n我们还可以发现，缺陷长度和深度对管道极限载我们还可以发现，缺陷长度和深度对管道极限载荷的影响并不完全相同，随着缺陷长度的增加，荷的影响并不完全相同，随着缺陷长度的增加，管道的极限载荷呈下降趋势，但当腐蚀缺陷的长管道的极限载荷呈下降趋势，但当腐蚀缺陷的长度达到一定时，缺陷长度的增加对管道极限载荷度达到一定时，缺陷长度的增加对管道极限载荷的影响不明显。但缺陷深度则不同，随着缺陷深的影响不明显。但缺陷深度则不同，随着缺陷深度的增加，管道极限载荷不断减少。腐蚀宽度对度的增加，管道极限载荷不断减少。腐蚀宽度对腐蚀管道的极限载荷还是有一定的影响的，特别腐蚀管道的极限载荷还是有一定的影响的，特别是腐蚀缺陷

57、深度较大时，宽度变化对腐蚀管道的是腐蚀缺陷深度较大时，宽度变化对腐蚀管道的极限载荷有明显的影响，随着宽度的增加，管道极限载荷有明显的影响，随着宽度的增加，管道的极限载荷减小，但当宽度达到一定时，缺陷宽的极限载荷减小，但当宽度达到一定时，缺陷宽度的增加对管道极限载荷的影响不明显。当腐蚀度的增加对管道极限载荷的影响不明显。当腐蚀缺陷深度较小时，宽度变化对腐蚀管道的极限载缺陷深度较小时，宽度变化对腐蚀管道的极限载荷几乎不影响。荷几乎不影响。n基于全尺寸爆破实验结果的验证，可以看出，对基于全尺寸爆破实验结果的验证，可以看出，对于中、高强度等级钢管的缺陷评定，于中、高强度等级钢管的缺陷评定，ASMEB3

58、1GASMEB31G标标准规范方法有一定的保守性，有改进的余地。而准规范方法有一定的保守性，有改进的余地。而利用有限元方法计算得到的结果跟水压试验得到利用有限元方法计算得到的结果跟水压试验得到的结果比较接近，误差都在的结果比较接近，误差都在1010 以内。以内。3 3）焊接残余应力（压力管道缺陷评定中焊接残）焊接残余应力（压力管道缺陷评定中焊接残余应力的处理分析）余应力的处理分析）n主要考虑对接环焊缝中的环向缺陷主要考虑对接环焊缝中的环向缺陷n环向残余应力的产生机理环向残余应力的产生机理n管道环向对接焊焊后，由于冷却，焊缝金属在环管道环向对接焊焊后，由于冷却，焊缝金属在环向存在着明显的收缩，这

59、种收缩显然受到与之相向存在着明显的收缩，这种收缩显然受到与之相联的管道周边的限制，即变形具有明显的自限性联的管道周边的限制，即变形具有明显的自限性(图图1)。这使得环焊缝内部产生了较均匀的拉伸残。这使得环焊缝内部产生了较均匀的拉伸残余应力。余应力。 n轴向残余应力的产生机理轴向残余应力的产生机理n轴向残余应力由两部分叠加而成：轴向残余应力由两部分叠加而成：(1)(1)由于管内壁由于管内壁和管外壁存在着温度差因此在内外壁总存在着热和管外壁存在着温度差因此在内外壁总存在着热膨胀和热收缩两种方向相反的残余应力，其中温度膨胀和热收缩两种方向相反的残余应力，其中温度较高的一面将产生拉伸残余应力，温度较低

60、的一面较高的一面将产生拉伸残余应力，温度较低的一面将产生压缩残余应力。这种由温差造成的轴向残余将产生压缩残余应力。这种由温差造成的轴向残余应力是非线性的，由于泊松比的不同，相应地也会应力是非线性的，由于泊松比的不同，相应地也会产生一些非线性的环向应力。产生一些非线性的环向应力。n(2)(2)由于环焊缝的冷却收缩，使得与焊缝联接的两由于环焊缝的冷却收缩，使得与焊缝联接的两侧管道周边产生内凹变形，这种内凹变形使管道内侧管道周边产生内凹变形，这种内凹变形使管道内壁产生轴向拉伸残余应力管道外壁产生轴向压缩壁产生轴向拉伸残余应力管道外壁产生轴向压缩残余应力残余应力( (图图1)1)。这种轴向残余应力是由