工业管道材料设计与应力分析技术高级培训ppt课件

1、管道应力分析专题主讲：李中央中国寰球工程公司联络： 010 58676304主办：中国石油和石油化工设备工业协会工业管道资料设计与应力分析技术高级培训.一、管道应力分析的目的1、使管道应力在规范的许用范围内，保证管道系统的整体平安2、使动静设备管口载荷符合制造商或公认的规范使其能长周期、平稳运转3、给构造及各种支撑提供设计载荷4、确定管道热位移及各种冲击载荷所导致的管道位移5、处理管道动力学问题：机械振动、脉动、平安阀排放等6、优化配管设计 .二、管道应力分析根底知识2.1、应力、应变及应力形状2.2、资料的机械性能2.3、强度实际2.4、管道变形的根本方式2.5、管道中的应力形状2.6、管道

2、应力分类2.6.1、应力分类校核遵照的原那么2.6.2、管道应力分析中的应力分类2.6.3、管道应力分析中一次和二次应力超标缘由2.7、管道应力分析所遵照的规范.三、管道的柔性设计3.1、柔性定义及柔性设计的方法和目的a)定义b)目的c)设计方法d)端点位移思索3.2、能否进展详细柔性设计的判别方法a)应进展详细柔性设计的管道b)可以不进展详细柔性设计的管道c)判别式的运用方法与本卷须知3.3、管道的热补偿.三、管道的柔性设计3.4、应力增大因子3.5、柔性分析方程3.6、弹性模量随温度变化效应3.7、柔性分析的另一规那么.四、管道应力分析的职责4.1、应力分析静力分析、动力分析;4.2、对重

3、要管线的壁厚进展计算，包括特殊管件的应力分析； 4.3、对动设备机泵、空冷器、透平等管口受力进展校核计算；4.4、管架设计；4.5、审核供货商文件；4.6、编制、修正相关规定； 4.7、编制应力分析及管架设计工程规定；4.8、本专业人员培训；4.9、进度、质量及人工时控制 ；4.10、参与现场技术效力；.五、管道机械专业应力分析常用的规范规范1、GB50316-20002、HG/T20645-19983、SH/T3041-20024、GB1505、JB/T8130.1-1999 6、JB/T8130.2-1999 7、GB 50251-2003 8、GB 50253-2003 9、ASME/A

4、NSI B31.1 - Power Piping.10、ASME/ANSI B31.3 Process Piping11、ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution piping systems12、ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systems13、API610 - 离心泵14、NEMA SM23 - 透平15、API617 - 离心式紧缩机16、API618 - 往复式紧缩机17、API661 - 空冷器18、ANSI/B31.1、APIRP520

5、 - 平安阀、爆破膜.六、工程设计阶段管机专业的义务6.1、初步设计、根底设计阶段 编制工程设计规定(应力分析、管架设计) (四级签署)； (2) 参与设备布置任务； (3) 对主要管线的走向进展应力分析和评定。.6.2、详细设计阶段 修订工程设计规定(应力分析、管架设计) (四级签署)； 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(三级签署) 应力分析管线表 静力分析 应力分析 (三、四级)； 动力分析 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； 动设备许用荷载校核(四级) . 夹套管(蒸汽、热油、热水)计算(端部强度计算、内部导向翼板位置确定、同时包括任何应力

6、分析管道的一切内容)； 往复式紧缩机、往复泵动力分析(四级)； 平安阀、爆破膜泄放反力计算； 构造、建筑荷载条件； 设备管口荷载、预焊件条件； 编制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据表； 编制柔性件(膨胀节、软管等)采购MR文件及技术数据表；.6.3、各文件应包含的内容： 工程规定内容 A、适用范围； B、概述； C、设计中采用的规范规范； D、计算程序(软件)； E、设计温度、压力、安装温度(环境温度)、压力； F、设计荷载 风压值； 地震烈度； 雪荷载； 土壤的力学性质； G、临界管线表确实定准那么哪些管线该做哪类的应力分析； H、计算及平安性评定准那么； I、应力分析任务流程。 J、其它

7、. 壁厚计算A、当 B、当 t 确实定应根据断裂实际、疲劳、热应力及资料特性等要素综合思索确定。C、外压直管的壁厚，应根据GB150规定的方法确定。 D、其它的管件(如Y型三通、孔板等)根据相应的规范(GB50316-2000)公式进展计算。. 临界管线表公式法： D0 管外径(mm)Y 管段总位移(mm) Y=(X2+Y2 +Z2)1/2L 管段两个固定点的展开长度(m) (AB+BC+CD)U 管段两个固定点的直线间隔(m) (AD间的直线间隔)(根据ASME/ANSI B31.1及B31.3)管线应力分析计算机计算(BY COMPUTER）（350C)简单手算(公式法、图表法)(BY F

8、ORMULA)目测法(BY VISUAL)非应力分析公式的适用范围.A、静力分析包含的内容 a) 一次应力计算及评定 防止管道塑性变形破坏. b) 二次应力计算及评定 防止疲劳破坏。 c) 设备管口受力计算(及评定) 防止作用力太大，保证设备正常运转。 d) 支承点受力计算 为支吊架设计提供根据。 e) 管道上法兰受力计算 防止法兰走漏。 f) 两相流及液击冲击载荷计算 为支吊架和构造设计提供根据。(4)应力分析静力分析(含疲劳分析、风载荷及地震载荷分析)动力分析.B、动力分析包含的内容 a)管道固有频率分析 防止共振。 b)管道强迫振动呼应分析 控制管道振动及应力。 c)往复式紧缩机(泵)气

9、(液)柱频率分析 防止气柱共振。 d)往复式紧缩机(泵)压力脉动分析 控制压力脉动值(值)。.C、动力分析要点b) 机器动平衡差修正根底设计a)振源机器动平衡差 基础设计不当气流脉动 气柱共振阻力、流速、流向变化 异径管、弯头、阀门、孔板等附近产生激振力共振 激振力频率等于或接近管线固有频率.c)减少脉动和气柱共振的方法：1)加大缓冲罐 根据API618计算缓冲罐的体积，普通为气缸容积的10倍以上，使缓冲罐尽量接近进出口，但不能放在共振管长位置。2)两台或三台紧缩机的聚集总管截面积至少为进口管截面积的三倍，且应使柱塞流的冲击力不添加。 3)孔板消振 在缓冲罐的出口加一块孔板。 孔径大小： 孔板

10、厚度=35mm 孔板位置 在较大缓冲罐的进出口均可.d)减少激振力减少弯头、三通、异径管等管件。 改90。为弯头45。弯头。e)改动提高管线的固有频率，使其远离激振力频率。 (1)共振区域 放大因子W1 固有频率角频W0 激振频率角频 通常W1应避开0.8W0 1.2W0 的区域，在工程中最好避开 0.5W0 1.5W0的范围，这样振幅较小。 .(2)通常W1应在W0紧缩机的吸入或吸出频率的1.2倍以上，设计时最好控制在1.5倍以上。(3)激振力频率n = 转/分 紧缩机转数 .(4)控制压力脉动 注：此为原苏联规范(5)卧式容器固定端及立式设备支耳标高确定 提高管道柔性，减小位移量，防止对设

11、备管口的推力过大。支管补强计算 降低部分应力 等面积补强 WRC329 P压力脉动值5Kg/cm2285 100 Kg/cm226100 200Kg/cm225200 500Kg/cm224支耳标高确定. 动设备管口许用荷载校核 API 610;API 617; NEMA SM 23; API 661。 往复式机泵动力分析 平安阀，爆破膜泄放反力计算(见规范计算程序) ANSI/B 31.1(气体)；API RP 520(气体、气混)构造，荷载条件： F1000Kgf，M750Kgf Bf Bf 梁翼缘宽度。 需提条件给土建 ：沉降量的思索；储罐抗震措施。(8)夹套管a）管道计算b）端部强度计

12、算c）内部导向翼板位置确定管端构造平安阀与爆破片.设备管口荷载及预焊件条件 供设备专业校核部分应力和设计用编制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据表 选型、荷载、位移串联 按最大荷载选弹簧 位移按最大位移量分配并联 选同型号弹簧、荷载平均分配荷载变化率 国标25可改动编制柔性件膨胀节、软管等采购MR文件及柔性件技术数据表插图设备管口承载才干表.七、管道应力分析中的特殊问题7.1、夹套管应力分析7.2、埋地管应力分析7.3、高压管道应力分析八、有限元法在管道应力分析中的运用九、管道应力分析程序9.1、CAESAR II软件的运用9.2、AUTOPIPE软件的运用.十、管道支架设计10.1、管道支架

13、的分类及定义按支架的作用分为三大类：承重架、限制性支架和减振架。1承重架 : 用来接受管道的重力及其它垂直向下载荷的支架(含可调支架)。a滑动架：在支承点的下方支撑的托架，除垂直方向支撑力及程度方向摩擦力以外，没有其他任何阻力。b弹簧架：包括恒力弹簧架和可变弹簧架。c 刚性吊架：在支承点的上方以悬吊的方式接受管道的重力及其他垂直向下的荷载，吊杆处于受拉形状。d滚动支架：采用滚筒支承，摩擦力较小。 吊架.2限制性支架：用来阻止、限制或控制管道系统位移的支架(含可调限位架)。a导向架：使管道只能沿轴向挪动的支架，并阻止因弯矩或扭矩引起的旋转。b限位架：限位架的作用是限制线位移。在所限制的轴线上，至

14、少有一个方向被限制。c定值限位架：在任何一个轴线上限制管道的位移至所要求的数值，称为定值限位架。d固定架：限制管道的全部位移。 3减振架：用来控制或减小除重力和热膨胀作用以外的任何力(如物料冲击、机械振动、风力及地震等外部荷载)的作用所产生的管道振动的支架。 减振架有弹簧及油压和机械三种类型。 .序号 大 分 类 小 分 类 用 途1承重管架 (1)刚性支吊架(2)可调刚性支吊架 (3)可变弹簧支吊架(4)恒力弹簧架 用于无垂直位移的场合； 用于无垂直位移，但安装误差要求严格的场合；用于有少量垂直位移的场合； 用于垂直位移较大或要求支吊点的荷载变化率不能太大的场合； 2限制性管架 (5)固定架

15、 (6)限位架 (7)轴向限位架 (8)导向架 用于固定点处，不允许有线位移和角位移的场合； 用于限制任一方向线位移的场合； 用于限制管道轴向线位移的场合； 用于允许有管道轴向位移，但不允许有横向位移的场合 3减振支架 (9)减振器 用于限制或缓和管道振动 .10.2、管道跨距及导向间距1管道跨距 强度及刚度两项控制 a)力学模型 强度条件：延续敷设程度直管允许跨距强度条件是管道中最大 纵向应力不得大于设计温度下的资料的许用应力。b)管道跨距计算c) 不思索内压最大允许跨距d)思索内压最大允许跨距e)大直径薄壁管道.10.2、管道跨距及导向间距2导向间距： a程度管 b垂直 垂直管道的最大导向

16、支架间距大致可按不保温管充水的程度管道支架间距进展圆整。 .DN（INCH） H MAX. SPAN（m） WATERWATER+INSUL14311/24.53.525.54.536.55.547.56.058.06.569.07.0810.08.01011.09.01212.010.01412.510.0161310.01813.511.02014.012.02415.013.0.10.3、 确定管道支架位置的要点10.3.1 承重架间隔应不大于支架的最大间距。10.3.2 尽量利用已有的土建构造的构件支承，及在管廊的梁柱上支承。10.3.3 在垂直管段弯头附近，或在垂直段重心以上做承重架

17、，垂直段长时，可在下部增设导向架当载荷大时，可采用弹簧架分载荷。10.3.4 在集中荷载大的管道组成件附近设承重架。10.3.5 尽量使设备接纳的受力减小。如支架接近接纳，对接纳不会产生较大的热胀弯矩。10.3.6 思索维修方便，使装配管段时最好不需做暂时支架。10.3.7 支架的位置及类型应尽量减小作用力对被生根部件的不良影响.10.3.8 管道支吊架应设在弯管和大直径三通式分支管附近10.3.9 对于需求作详细应力计算的管道，应根据应力计算结果设计管架10.3.10 在敏感的设备(泵、紧缩机)附近，应设置弹簧支架，以防止设备口接受过大的管道荷载10.3.11 往复式紧缩机的吸入或排出管道以

18、及其它有剧烈振动的管道，宜单独设置有独立根底的支架，(支架生根于地面的管墩或管架上)，以防止将振动传送到建筑物上10.3.12 除振动管道外，应尽能够利用建筑物、构筑物的梁柱作为支架的生根点，且应思索生根点所能接受的荷载，生根点的构造应能满足生根件的要求10.3.13 管道支吊架应设在不妨碍管道与设备的衔接和检修的部位 .10.4、管道布置过程中对支架位置的思索10.4.1 管道走向首先要满足平安消费、工艺要求，操作方便，安装维修方便；10.4.2 管道尽量集中布置，如成排布置，便于做结合支架，尽量减少分散独立设置的柱式架。同时到达整齐美观。10.4.3 管道布置应接近能够作支架的点，如接近为

19、其它目的的做的构筑物，沿建筑物的墙、柱。或沿平台下敷设，以便利用梁和柱来支承。10.4.4 管道成组布置时，各管道的被支承面应取齐，即程度管管托底面和不保温管的管底应取齐，竖直管管托底面和不保温管的管底应侧齐, 以便设计支架。10.4.5 采用弹簧支座或吊架时，管道与生根构件之间应有足够的空间。.10.5、管道支吊架选用的原那么：10.5.1 在选用管道支吊架时，应按照支承点所接受的荷载大小和方向、管道的位移情况、任务温度、能否保温或保冷、管道的材质等条件选用适宜的支吊架；对于冷管,在管架设计时,应该有防止冷桥产生的措施;10.5.2 设计管道支吊架时，应尽能够选用规范管卡、管托和管吊；10.

20、5.3 以下情况，不得采用焊接型的管托和管吊：a管内介质温度等于或大于400的碳素钢材质的管道；b低温管道；c合金钢材质的管道；d消费中需求经常装配检修的管道；.e架空敷设且不易施工焊接的管道；f非金属衬里管道；g需热处置的管道消除应力 10.5.4 为防止管道过大的横向位移和能够接受的冲击荷载，普通在以下位置设置导向管托，以保证管道只沿着轴向位移：a能够产生振动的两相流管道；b横向位移过大能够影响临近管道时；固定支架之间的间隔过长，能够产生横向不稳定时；柱失稳c为防止法兰和活接头走漏要求管道不宜有过大的横向位移时；.10.5.5 当架空敷设的管道热胀量超越100mm时，应选用加长管托，以免管

21、托滑到管架梁下；10.5.6 凡支架生根在设备上时，应向设备专业提出所用预焊件的条件；10.5.7 对于荷载较大的支架位置要事先与有关专业设计人联络，并提出支架位置、标高和载荷情况；10.5.8 凡需求限制管道位移量时，应思索设置限位架。10.5.9 平安阀出口管线的支架要高度注重，应足以抵抗泄放时冲击荷载的作用10.6、管道固定点的设置应满足以下要求：10.6.1 对于复杂管道可用固定点将其划分成几个外形较为简单的管段，如L形管段、U形管段、Z形管段等以便进展分析计算；.10.6.2 确定管道固定点位置时，使其有利于两固定点间管段的自然补偿；10.6.3 选用形补偿器时，宜将其设置在两固定点

22、的中部；10.6.4 固定点宜接近需求限制分支管位移的地方；10.6.5 固定点应设置在需求接受管道振动、冲击荷载或需求限制管道多方向位移的地方；10.6.6 作用于管道中固定点的荷载，应思索其两侧各滑动支架的摩擦反力；10.6.7 进出安装的工艺管道和非常温的公用工程管道，宜在安装分界处设固定点。 形补偿器.10.7、管道支架生根的构外型式10.7.1 在设备VESSEL上生根：在设计从设备上生根的支架时，要求在设备上预焊生根件。假设现场安装支架在设备壁上直接焊接，许多设备需求重新检验，且拖延施工进度。焊后剩余应力会影响设备的防腐才干和机械性能。对于非金属衬里的设备，现场焊接会损坏内衬如橡胶

23、、塑料、玻璃等。对容器类设备的管口、设备上的生根件(包括管道支架预焊件、平台预焊件及保温(冷)的预焊件等)都确定下来，把条件及资料送交设备制造厂，这对于提早制造设备是非常有利的。越是复杂的及制造周期长的设备，越需提早提出条件。.在设计中，应将生根件(预焊件)的位置、荷载(力及力矩)、预焊件的尺寸或规范等提供应设备设计者，以满足支架设计的要求。10.7.2 在混凝土CONCRETE构造上生根通常采用的方法有：预埋钢板或型钢或套管、在混凝土构造上钻孔后用膨胀螺栓固定等。10.7.3 在墙上WALL生根墙上预留孔、砌预制块(带有预埋钢板)，以及采用膨胀螺栓固定等。10.7.4 在地面/根底FOUNDATION上生根10.7.5 在钢构造/大管上STEEL生根.10