管道设计解析课件

1、第五章 压力管道设计 1Company Logo5.3金属管道组成件耐压强度计算5.3.1 一般规定GB50316-2000工业金属管道设计规范 对于已标明公称压力的管件不必进行计算。2Company Logo管道耐压强度计算：设计厚度=计算厚度+厚度附加量；名义厚度=计算厚度+厚度附加量+圆整至该组 成件的材料标准规格的厚度；有效厚度=名义厚度-附加量。最小厚度=计算厚度+腐蚀/磨蚀附加量3Company Logo管道厚度计算厚度附加量腐蚀附加负偏差设计厚度圆整值名义厚度附加量有效厚度最小厚度4Company Logo容器厚度计算厚度设计厚度d名义厚度n有效厚度e成型厚度容器耐压强度计算5C

2、ompany Logo计算厚度（）由公式采用计算压力得到的厚度。 必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。设计厚度（d）计算厚度与腐蚀裕量之和。dC2 名义厚度（n）钢材标准规格厚度=设计厚度+钢材厚度负偏差C1后+圆整值，即标注在图样上的厚度。ndC1= C1 C2 有效厚度（e）名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕 量。enC1C2厚度附加量（C）由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量 C2 组成，不包括加工减薄量C3。 C=C1+C2加工减薄量根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造 厂而并非由设计人员确定。6Company Logo成形后厚度 制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二次向上圆整得到的坯板厚

3、度，再减去实际加工减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚度。一般，成形后厚度大于设计厚度就可满足强度要求。7Company Logo容器厚度关系示意图8Company Logo碳素钢、低合金钢容器：min不小于3mm； 高合金制容器：min不小于2mm；最小厚度（min） 考虑容器的刚性 制造、运输、吊装； 不包括腐蚀裕量；9Company Logo钢板或钢管厚度负偏差C1：按照相应钢材标准的规定选取钢材的厚度负偏差0.25mm，且不超过名义厚度的6%时， 可取C1=0。GB6654压力容器用钢板GB3531低温压力容器用低合金钢钢板规定:压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25mm，钢板厚

4、度5mm时(如20R、16MnR、16MnDR等)，取C1=0；其它常用钢板（如20g、Q235-A以及0Cr18Ni9等）的厚度 负偏差有表：10Company Logo钢板的厚度负偏差C1值 /mm钢板标准GB/T3274 GB/T3280 GB/T4237 GB/T4238钢板厚度5.57.57.52525303034负偏差C10.60.80.91.0钢板厚度3440405050606080负偏差C11.11.21.31.820g，Q235-A， 0Cr18Ni9等11Company Logo腐蚀裕量均匀腐蚀速率容器设计寿命腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀

5、等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐腐蚀材料或进行适当防腐蚀处理。碳素钢、低合金钢： C2不小于1mm；不锈钢：介质腐蚀性极微时，可取C2=0。腐蚀裕量防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。12Company Logo5.3.2 设计条件与设计基准13Company Logo 压力管道设计根据压力、温度、流体特性等工艺条件，并结合环境和各种载荷等条件进行。作用于管道的载荷：有管内介质压力、管子质量（包括管内介质及保温材料等）产生的均布载荷，阀门、三通、法兰等管件质量产生的集中载荷，管道支吊架产生的反力，

6、风力，地震载荷；温度变化管道发生热胀冷缩受约束产生的热载荷，管道安装施工时各部分尺寸误差产生的安装残余应力，与管道连接的设备变位或其它原因的管端位移引起管系变形而产生的载荷等；由于管内介质压力脉动引起的管道震动，液击产生的冲击波等。一设计条件14Company Logo风载荷和地震载荷热载荷安装残余应力 管道相对移位造成的位移载荷集中载荷 支架反力Rx,Ry,Rz RyRx管件质量meg均布载荷 p管内介质产生的压力p管子质量mgmg管道振动载荷或液击产生的冲击载荷 15Company Logo 耐压强度计算中，主要考虑设计压力和设计温度载荷。 对于管道所处环境的影响、所承受的动力荷载、静荷载

7、、热胀冷缩的影响、循环载荷、管道支架位移的作用、加工过程产生的内应力等其它作用，可通过相应计算以及结构上的处理进行设计。16Company LogoA=管道设计压力的确定：1不小于管系运行中遇到的内压或外压与温度相耦合时最严重条件下的压力,不包括允许的非经常性压力变动值。 对于下列特殊条件的管道设计压力取值，应与上述规定比较，取两者中的较大者： 1）输送制冷剂、液化烃类等气体温度低的流体管道，阀门关闭或流体不流动时，在最高环境温度下气化所能达到的最高压力。 2）离心泵出口管道的吸入压力与扬程相应压力之和； 3）没有压力泄放装置或与压力泄放装置隔离的管道，流体可达到的最高压力。17Company

8、 Logo2真空管道按受外压设计。安装有安全控制装置时，设计压力应取1.25倍最大内外压差或0.1MPa两者中的低值；无安全控制装置时，设计压力应取0.1MPa。3装有泄压装置的管道设计压力不应小于泄压装置开启的压力。18Company LogoB=设计温度的确定：1为管道在运行时压力和温度相耦合的最严重条件下的温度。 对于0C 以下的管道，应考虑流体及环境温度影响，设计温度应取低于或等于管道材料可能达到的最低温度。2管道采用伴管或夹套加热时，应以外加热和管内流体温度中较高温度为设计温度。3无隔热层管道，不同管道组成件可有不同设计温度：（1）流体温度=65时，除非按传热计算或试验确定有较低的平

9、均温度，管道组成件的设计温度应不低于以下值：阀门、管子焊接件等： 95%流体温度；法兰（除松套法兰），包括在管线和阀门上的法兰： 90%流体温度；松套法兰：为流体温度的85%；法兰紧固件：为流体温度的80%。4外保温管道：设计温度根据1及2确定。5内保温管道：设计温度根据传热计算或试验确定。6非金属材料衬里的管道:设计温度取流体最高工作温度。20Company LogoA 设计压力 为压力容器的设计载荷条件之一，其值 不低于最高工作压力。设计压力应视内压或外压容器分别取值。容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。容器设计参数的确定21Company Logo设计压力应根据工作条件下可能达到

10、的最高金属温度确定。装安全阀不低于安全阀开启压力，1.051.10倍 最高工作压力。装爆破片爆破片最低标定爆破压力加上所选爆 破片制造范围的上限。盛装液化气体容器根据工作条件下可能达到的 最高金属温度确定。 综合考虑介质压力饱和蒸气压装量系 数温度变化环境温度保冷设施。22Company Logo计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截 面厚度的压力，其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力=设计压力+液柱静压力当元件所承受的液柱静压力420，铬钼合金钢450， 奥氏体不锈钢550时， 钢制压力容器用材料许用应力取值方法37Company Logo钢制压力容器用材料许用应力的取值方法

11、材 料 许用应力取下列各值中的最小值/MPa 碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢 奥氏体高合金钢 38Company Logo材料设计系数保证受压元件强度有足够的安全储备量。取值：应力计算的精确性、材料性能的均匀性、载荷的确切 程度、制造工艺，使用管理的先进性以及检验水平等 因素有着密切关系。 -理论，实践经验积累。39Company Logo5.3.3 管子、管件在压力作用下的强度计算40Company Logo对于直管当其计算壁厚S小于管子外径D0的1/6时计算壁厚 设计壁厚 其中 名义壁厚Sn 为设计壁厚向上圆整后的壁厚值，即最终确定的管子的壁厚。 P设计压力 ，MPa； D0管子外径，m

12、m； t设计温度下管子材料的许用应力 ，MPa； 焊接接头系数；一直管的壁厚计算41Company Logo有效壁厚 Se = 名义壁厚Sn - C系数Y 系数。对于铸铁材料Y=0，其它见表。系数Y值材料温 度 （）482510538566593621铁素体钢0.40.50.70.70.70.7奥氏体钢0.40.40.40.40.50.7其它韧性金属0.40.40.40.40.40.4当计算壁厚管子外径D0的1/6时，42Company Logo普通钢管厚度负偏差钢管种类壁厚/mm负偏差（%）钢管种类壁厚/mm负偏差（%）普通高级普通高级碳素钢及低合金钢20201512.512.510不锈钢1

13、01020152012.515采用钢板或钢带卷制的焊接钢管，其负偏差就是钢板、钢带的负偏差 。43Company Logo腐蚀速度小于0.05mm/a时， 单面腐蚀取 C2=11.5mm， 双面腐蚀 C2=22.5mm。当管子外面涂防腐漆时，可认为是单面蚀；当管子内外壁均有较严重腐蚀时，则为双面腐蚀；当介质对管子材料的腐蚀速率大于0.05mm/a时，则应根据腐蚀速度和使用年限决定C2值。管子腐蚀和磨蚀减薄量C2 44Company Logo1、厚度计算式：由中径公式0.4t计算厚度，mm；Pc计算压力，MPa；焊接接头系数。条件：Pc2、强度判别 式中 e有效厚度， e=n C，mm； n名义

14、厚度，mm； C厚度附加量，mm t设计温度下圆筒的计算应力，MPa。 容器，GB150 45Company Logo 3、筒体最大允许工作压力Pw：MPa46Company Logo 形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁筒体初始屈服压力与实测值较为吻合，应力强度能较好地反映厚壁筒体的实际应力水平，应力强度（认为是真实的） 应力强度（与中径公式相对应）=随径比K的增大而增大。1.25当K=1.5时，比值：4、说明： Pc0.4t内壁实际应力强度是按中径公式计算的应力强度的1.25倍。47Company Logo由GB150 ，取ns=1.6 ，若筒体径比不超过1.5，仍可按式中径公式计算筒

15、体厚度。液压试验（pT=1.25p）时，筒体内表面的实际应力强度最大为许用应力的1.251.25=1.56倍（1.6），说明筒体内表面金属仍未达到屈服点，处于弹性状态。pc =0.4t 当K=1.5时，=Di（K-1）/2=0.25Di，代入式中径公式得这就是中径 公式 的适用范围pc0.4t的依据所在。 48Company Logo二弯管的壁厚计算弯管在介质内压作用下如果管壁厚沿圆周相同，且无椭圆度情况下，弯管内侧应力较高，外侧较低，弯管破坏应发生在管子的内侧。采用直管煨制成弯管后，一般管子外侧壁厚减薄，而内侧增厚，横截面产生一定椭圆度，致使应力分布发生变化。 外侧往往应力较高，内侧应力较低

16、。与直管相比较，弯管外侧壁内实际环向应力仍然比直管大，内侧壁内环向应力比直管小。且应力值的大小与弯管的曲率半径有关。而弯管的径向应力与直管相比较，没有变化。 49Company Logo煨制弯管壁厚计算公式为： 带入直管设计壁厚计算公式：R弯管的弯曲半径，mm。煨制弯管时，管横截面外侧受拉，内侧受压。产生的椭圆度e ：GB50235-97工业金属管道工程施工及验收规范规定: 输送剧毒流体的钢管或设计压力P10MPa的钢管，椭圆度e不大于5%； 输送剧毒流体以外或设计压力小于10MPa的钢管，椭圆度e不大于8%。50Company Logo 5.3.4 支管连接的补强 补强措施对开孔进行补强圈补

17、强、整体补强或采用三通连接。 GB150-1998规定了适用的开孔范围：当主管内径1500mm时，开孔最大直径不大于主管内径的1/3，不大于1000mm。51Company Logo（a）设计压力小于或等于2.5MPa；（b）两相邻开孔中心间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；（c）支管外径小于或等于89mm；（d）支管最小壁厚满足下表要求。当开孔符合以下全部要求时，开孔可不补强：支管最小壁厚（mm）直管外径2527323438454857607689最小壁厚3.54.05.06.052Company Logo有效补强范围和补强面积的确定与计算采用等面积补强法，即：使补强的金

18、属量等于或大于开孔所削弱的金属量。 + 补强金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积，必须等于或大于主管由于开孔而在这个纵截面上所削弱的正投影面积。 +补强有效区域53Company Logo补强计算示意图支管轴线与主管轴线的夹角的范围为4590。54Company Logo（a）确定主管有效补强区范围 B 补强区的有效宽度取下两式中的较大值。 B=2d1 B=d1+2(Se1+Se2)+ (b) 确定支管有效补强区范围 hh取下两式的较小值。 h=2.5Se1 h=2.5Se2+Sr+(c) 计算有效补强面积 A2，A3，A4主管的补强面积 A2=(2b-d1)(Se1-So1) ,mm2

19、支管的补强面积A4 为管子纵截面上熔积金属的面积以及补强增加的金属面积。主管开孔的补强计算方法如下：55Company Logo（d）计算需要补强的面积A1在内压作用下在外压作用下 +（e）补强核算若A2+A3+A4A1 则开孔不需要补强；否则需要另行补强。Se1主管有效壁厚，mm；Se2支管有效壁厚，mm；So1根据壁厚计算公式得到的主管计算壁厚，mmS02根据壁厚计算公式得到的支管计算壁厚，mmSr补强板有效壁厚，mm；B主管有效补强区，mm；h支管有效补强区，mm；d1支管外径减去2倍支管有效壁厚，mm。56Company Logo开孔和开孔补强设计压力容器设计Design of Pre

20、ssure Vessels57Company Logo主要内容补强结构开孔补强设计准则允许不另行补强的最大开孔直径等面积补强计算接管方位58Company Logo开孔带来的问题削弱器壁的强度产生高的局部应力59Company Logo平板在两向拉力作用下，开大孔时孔边受力情况60Company Logo平板在两向拉力作用下，开小孔时孔边受力情况61Company Logo一、补强结构 补强结构局部补强整体补强补强圈补强厚壁接管补强整锻件补强62Company Logo（1）补强圈补强结构补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见（a）图优点结构简单，制造方便，使用经验丰富 （a）补强圈补强缺点1）与壳

21、体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，存在较大热膨胀差，在补强局部区域产生较大的热应力；2）与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，抗疲劳性能差。63Company Logo补强圈补强64Company Logo中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于1.5n、壳体名义厚度n不大于38mm的场合。应用HG21506-92补强圈，JB/T4736-2002补强圈标准65Company Logo结构在开孔处焊上一段厚壁接管，见（b）图。特点补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力集中系数。接管补强结构简单，

22、焊缝少，焊接质量容易检验，补强效果较好。 （b）厚壁接管补强高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。应用66Company Logo厚壁接管补强67Company Logo（c）整锻件补强 （3）整锻件补强 整体锻件68Company Logo整锻件补强69Company Logo补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低应力集中系数；可采用对接焊缝，并使焊缝及其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低1015%。重要压力容器，如核容器、材料屈服点在500MPa以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔容器等。结构将接

23、管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接，见（c）图。优点缺点锻件供应困难，制造成本较高。应用70Company Logo二、开孔补强设计准则 指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减小到某一允许数值。开孔补强设计：开孔补强设计准则弹性失效设计准则等面积补强法塑性失效准则极限分析法71Company Logo（1）等面积补强 定义：壳体因开孔被削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离范围内予以等面积补偿。原理：以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则。故对小直径的开孔

24、安全可靠。问题：没有考虑开孔处应力集中的影响，没有计入容器直径变化的影响，补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数，即安全裕量不同，因此有时显得富裕，有时显得不足。优点：长期实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压力容器使用条件下能够保证安全，因此不少国家的容器设计规范主要采用该方法，如ASME -1和GB150等。72Company Logo该法要求带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同。（2）极限分析补强 定义：73Company Logo三、允许不另行补强的最大开孔直径 焊接接头系数小于1但开孔位

25、置不在焊缝上等等强度裕量接管和壳体实际厚度大于强度需要的厚度接管根部有填角焊缝上述因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。74Company LogoGB150规定：在设计压力2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的2倍，且接管公称外径89mm时，只要接管最小厚度满足表4-14要求，就可不另行补强。不另行补强的接管最小厚度 mm6.05.04.03.5897665574845383225接管公称外径最小厚度75Company LogoGB150对开孔最大直径的限制

26、：四、等面积补强计算 主要用于补强圈结构的补强计算。基本原则：使有效补强的金属面积，等于或大于开孔所削弱的金属面积。（1）允许开孔的范围a. 圆筒上开孔的限制：内径Di1500mm时，开孔最大直径d ，且d520mm；内径Di1500mm时，开孔最大直径d ，且d1000mm。 76Company Logob. 凸形封头或球壳上开孔最大直径d 。 c. 锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径d ，Di为开孔中心处的锥壳内直径。d. 在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直 于封头表面。77Company Logoa、内压圆筒或球壳： （4-76）式中 A开孔削弱所需要的补强面积，mm2；

27、 d开孔直径， 圆形孔：d=dit+2C dit接管内直径；椭圆形或长圆形孔：取所考虑平面上的尺寸 （弦长，包括厚度附加量），mm；（2）所需最小补强面积A78Company Logo 壳体开孔处的计算厚度，mm； et接管有效厚度，et =nt-C，mm； fr强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体 材料许用应力之比，当该值大于1.0时，取fr=1.0。79Company Logo外压圆筒或球壳：（4-77）平盖开孔直径d0.5Di：（4-78）式中 p平盖计算厚度，mm。开孔造成的削弱是抗弯截面模量而不是指承载截面积。按照等面积补强的基本出发点，由于开孔引起的抗弯截面模量的削弱必须在有

28、效补强范围内得到补强，所需补强的截面积仅为因开孔而引起削弱截面积的一半。b、外压容器或平盖：80Company Logo有效补强范围示意图（a）在一定范围内能起补强作用，除了此范围，则起不到补强作用。有效补强区：矩形WXYZ，（3）有效补强范围81Company Logo有效宽度B：按下式计算，取二者中较大值B=2dB=d+2n+2nt式中 B补强有效宽度，mm； n壳体开孔处的名义厚度，mm； nt接管名义厚度，mm。82Company Logo内外侧有效高度：按下式计算，分别取式中较小值外侧高度 h1=接管实际外伸高度 h2=接管实际内伸高度 内侧高度83Company Logo（4-82

29、） （4-83） 有效补强区WXYZ范围内，可作为有效补强的金属面积有以下几部分：(4)补强范围内补强金属面积AeA1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。 A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。A4有效补强区内另外再增加的补强元件的金属截面积。A3有效补强区内焊缝金属的截面积。84Company Logo4.3.5 开孔和开孔补强设计图4-38 有效补强范围示意图（b）过程设备设计85Company Logo式中 Ae有效补强范围内另加的补强面积，mm2； （也可以说是强度裕量） e壳体开孔处的有效厚度，mm； t接管计算厚度，mm。若 Ae=A1+A2+A3A则开孔后不需要另行补强

30、。 若 Ae = A1+ A2+ A3 A则开孔需要另外补强，所增加的补强金属截面积A4 应满足 A4 A-Ae86Company Logo补强材料一般需与壳体材料相同，若补强材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补强面积按壳体材料与补强材料许用应力之比而增加。若补强材料许用应力大于壳体材料许用应力，则所需补强面积不得减少。要求：孔周边会出现较大的局部应力，采用分析设计标准中规定的方法和压力面积法等方法进行分析计算。大开孔补强：GB150-1998钢制压力容器第78页至第81页多个开孔补强：87Company Logo开孔所需最小补强面积主要由d确定，当在内压椭圆形封头或内压碟形封头上开孔时，则

31、应区分不同的开孔位置取不同的计算厚度。五、接管方位88Company Logo在80%以外开孔：按椭圆形封头的厚度计算式（4-45）计算：开孔在椭圆形封头上（4-85）式中，K1为椭圆形长短轴比值决定的系数，由表4-5查得标准椭圆封头：K10.9（4-45 ）开孔位于以椭圆形封头中心为中心，80%封头内直径的范围内：中心部位可视为当量半径Ri=K1Di的球壳，若为标准椭圆封头，K=1（4-46 ）89Company Logo开孔位于封头球面部分内：取式（4-49）中的碟形封头形状系数M=1， 开孔在碟形封头上此范围之外：按碟形封头的厚度计算下式计算，90Company Logo若椭圆孔的长轴和

32、短轴之比不超过2.5，一般仍采用等面积补强法。非径向接管：尽可能采用径向接管。原因：圆筒或封头上须开椭圆形孔，应力集中系数增大，抗疲劳失效的能力降低。非径向接管的开孔补强计算：91Company Logo5.3.5 平盖的强度计算 在管道端部，常有需要焊接平盖（盲板）的情况。根据平盖的结构及其与管端焊接的结构不同，平盖的厚度是不同的。 对于无拼接焊的平盖，其厚度计算公式 ： 计算壁厚设计壁厚 tpd平盖的设计壁厚，mm； tp平盖计算壁厚，mm； Di管子内经，mm； K1，与平盖结构有关的系数； P设计压力，MPa； t设计温度下材料的许用应力，MPa； C壁厚附加量，C=C1+C2 ，mm。92Company Logo平盖结构形式系数 平盖形式 结构要求系数K1系数h32tsn2tsnh3 tsnhtsnV形坡口0.41.051.00V形