压力管道机械

压力管道机械第一页，共八十页，编辑于2023年，星期二1．绪论

1996年劳动部以“劳部发[1996]140号”文发出“关于颁发《压力管道安全管理与监察规定》(以下简称《监察规定》)的通知”，标志着我国压力管道的管理进入了法制管理阶段。《监察规定》就压力管道的定义及压力管道的设计、制造、安装、使用、检验和修理改造等方面作出了安全管理和监察的框架规定，以期最大限度地减少压力管道运行中的事故发生，有效地保障压力管道的安全运行，保护人民生命和财产的安全。第二页，共八十页，编辑于2023年，星期二压力管道与压力容器一样重要，从压力管道的设计制造到安装，都陆续制定了相应法规和规范。如：

TSGR1001-2008压力容器压力管道设计许可规则；TSGＤ3001－2009压力管道安装许可规则；GB/T20801.1-6－2006压力管道规范工业管道；GB50316-2000工业金属管道设计规范；等等。第三页，共八十页，编辑于2023年，星期二1.1压力管道的特点

压力管道与压力容器相比较，具有以下主要特点：

1)种类多，数量大，设计、制造、安装、应用管理环节多

2)长细比大，跨越空间大，边界条件复杂

3)现场安装工作量大

4)材料应用种类多，选用复杂

5)管道及其元件生产厂的生产规模较小，产品质量保证较差第四页，共八十页，编辑于2023年，星期二1.2压力管道的研究范畴

要实现一条压力管道安全、长周期地运行，同时又是最经济的，必须从设计、制造、安装和应用四个环节进行把握，而且缺一不可。

我们主要研究设计问题。压力管道工程设计分成管道布置、管道材料设计和管道机械设计三个部分，或者说分成这三个专业来完成。管道材料设计是基础，管道布置是目的，而管道机械设计是保障。第五页，共八十页，编辑于2023年，星期二(一)管道布置管道布置(设计)过程大致可分为以下三个环节，即配管研究、管道详细设计、设计文件编制及归档。1)配管研究配管研究首先要了解设计条件和用户要求，然后确定设计应用标准规范，并委托管道材料专业确定管道等级，最后进行管道走向、支撑、操作平台等方面的综合规划和布置，并将有关的、认为有必要的管道委托给管道机械专业进行力学分析。第六页，共八十页，编辑于2023年，星期二2)管道详细设计

(1)管道定位

(2)阀门定位

(3)操作平台设置

(4)放空排凝设计

(5)隔热设计

(6)防腐设计

(7)支撑设计

(8)仪表元件定位

(9)采样设计

(10)图例标识及图幅安排

(11)委托资料第七页，共八十页，编辑于2023年，星期二3)设计文件的编制及归档

文件资料应包括资料:

图纸目录、管道设计说明书、管道表、管道等级表、管段材料表、管道材料表、管道设备规格表、管道设备规格书、管道支吊架汇总表、非标管道设备图、非标支吊架图等。第八页，共八十页，编辑于2023年，星期二

(二)管道材料

管道材料是整个管道设计过程中的基础部分，它直接影响到压力管道的可靠性和经济性。因此，许多法规性的标准如ANSIB31.1、ANSIB31．3、ANSIB31．4、SH3059等都是主要针对管道材料的设计编写的，“压力管道安全技术监察规程”也主要围绕着这部分内容进行规定。

管道的材料设计:

管道器材标准体系的选用、材料选用、压力等级的确定、管道及其元件型式的选用等内容。第九页，共八十页，编辑于2023年，星期二(三)管道机械管道的机械设计一般是由管道机械工程师(以下简称为机械工程师)来完成的。

管道机械研究的核心是管道的机械强度和刚度问题,它包括:

管道及其元件的强度、刚度是否满足要求;

管道对相连机械设备的附加载荷是否满足要求等。第十页，共八十页，编辑于2023年，星期二2．管道材料2．1金属材料基础金属材料基本性能：1）机械性能：强度指标：设计中常用的有强度极限σb和屈服极限σs，高温时还要考虑蠕变极限σn和高温持久极限σD。弹性指标：是稳定性计算的主要依据，主要参数有弹性模量E，抵抗弹性变形能力指标。塑性和韧性指标：是材料受冲击载荷作用时的主要设计依据，也是低温或超低温条件下对材料使用性考核的一个重要指标。主要参数有延伸率δ，断面收缩率ψ，冲击韧性αk，冲击功Ak。疲劳强度：是指材料在交变载荷作用下，发生破坏时的最大应力，通常用用疲劳持久极限来衡量，它是反映材料抗交变应力破坏的强度指标。断裂韧性：是判断材料内部裂纹危险性的一个指标，用在断裂力学设计中，或用于在役压力管道的安全评定。硬度：是材料抵抗局部塑性变形的能力。材料硬度高，其耐磨性好。2）耐蚀性能：3）物理性能：4）制造工艺性能：5）材料的经济性：2.2管道材料选用(见GB/T20801.2-2006压力管道规范工业管道材料）规定了压力管道材料的基本要求。第十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二2.3管道器材标准体系及选用

管道器材包括：管子，管件，法兰及其连接件，阀门等。这些器材标准通过一定的规则在一个管路（系）中得到应用，它们之间相互衔接，相互配合，从而确定了管道及其元件的基本参数。这些标准中尤其以管子标准和法兰标准最具有代表性，它们是其它应用标准的基础。第十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二1）管子系列标准：管径系列：大外径（Ⅰ）系列；小外径（Ⅱ）系列。另一分类为英制管和公制管。公称直径DN1520253240506580100125150200

250

300350400450500600大外径φ2227344248607689114140168219273

324356406457508610小外径φ1825323845577389108133159219273

325377426480530630第十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二2）壁厚等级（壁厚表示方式）：三种：表号法；重量法；壁厚尺寸法。管表号表示法：用管子表号Sch表示壁厚。管表号是管子设计压力与设计温度下材料许用应力的比值乘以1000，并经圆整后的数值。即：Sch=1000P/[σ]t。这是美国钢管壁厚的一种表示法，是以外径为基准的管子系列。同一外径管表号不同则壁厚不同。重量法：以管子重量表示管壁厚度。将管壁厚分为三种：标准重量管，以STD表示；加厚管，以XS表示；特厚管，以XXS表示。壁厚尺寸法：外径X壁后，我国、ISO等标准系列。第十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二3）法兰系列标准：两大体系：欧式法兰（欧洲体系）：以200度作为计算基准温度，压力等级分为（公称压力）：PN0.1，0.25，0.6，1.0，1.6，2.5，4.0，6.3，10.0，16，25，40（MPa）。美式法兰（美洲体系）：以约430度（150Psi(CL150）级则是300度）作为计算基准温度，压力等级为：PN2.0（CL150）,5.0(CL300),6.8(CL400),10.0(CL600),15.0(CL900),25.0(CL1500）,42(CL2500)。注意：无论是管子还是法兰，上述两个系列或体系是不能互换的，即不能混合使用。第十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二4）国际上常用的标准体系：德国及前苏联应用的标准体系，典型的欧洲体系；美国及日本应用的标准体系；国际标准化组织的应用体系；英国及法国的应用体系。5）国内常用的标准体系：国内压力管道常用管法兰标准有以下四类：a)国家标准GB/T9112—9124-2000《钢制管法兰》。参国际ISO/DIS7005-1《钢法兰》编制而成，有2个公称压力等级。b)中国石油化工总公司标准SH3406-1996《石油化工钢制管法兰》。参美国标准，属于美洲体系。c)化工部标准HG20593—20635-1997《钢制管法兰、垫片、紧固件》。有欧洲和美洲两个体系。（GB/T20801.3-2006中规定标准）d)机械行业标准JB/T74—90-94《管路法兰及垫片》。属于欧洲体系。

这些标准各有各自的温度—压力等级表、密封面型式和接管尺寸，相互之间互换性差，有些不能配套使用，设计时要加以注意。6）常用压力管道应用标准体系配伍表第十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二2.4管道压力等级压力管道的组成件一般都是标准件，所以压力管道组成件的设计主要是其标准件的选用，管道压力等级的确定也就是其标准件等级的确定。对于一般管道，其标准件可以分为两大类：一是以公称压力表示，并规定了压力温度对应值的标准管道配件（如管法兰，伐门等）等；其二是给出压力等级（壁厚等级）系列，但未规定压力温度对应值的标准管道配件（如管子，弯头，三通，异径管等。只有公称直径和壁厚）。管道的压力等级包括两部分：一是以公称压力表示的标准管件的公称压力等级；二是以壁厚等级表示的标准管件的壁厚等级。通常把管道中由标准管件的公称压力等级和壁厚等级共同确定的能反映管道承压特性的参数叫做管道的压力等级。第十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二2.4.1设计条件1）设计压力：2）设计温度：2.4.2影响管道压力等级确定的因素1）影响公称压力等级确定的因素：应用标准体系；材料；操作介质；介质温度及管系附加力。2）影响壁厚等级确定的因素：材料的许用应力；腐蚀裕量；管子及其元件的制造壁厚偏差；焊缝系数；铸造质量系数；设计寿命。第十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二2.4.3压力等级的确定方法1）管道压力等级确定的原则：三个原则：弹性原则；等强度原则；靠系列原则。2）公称压力等级的确定方法：法兰同时承受内压和管系力作用时，其当量设计压力为：

Pd=P+16M/（πDG3）+4F/（πDG2）式中：P—管道中介质压力MPa；M—法兰连接承受的管系附加外力矩N.mm；F--法兰连接承受的管系附加轴向力N；DG—垫片压紧力作用中心圆直径mm。（M,F的计算后面介绍）3）壁厚等级的确定方法：直管壁厚计算公式：ts=PDo/2([σ]tφ+PY)

设计壁厚：td=ts+C(公式来历后面介绍)

壁厚等级的确定：圆整厚度查相应标准，选择管壁厚。第十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二2.5管子及其元件的选用压力管道的管子及其元件的选用包括：应用标准体系、材料标准、结构形式、连接形式等内容的选定，是管道压力等级内容的延伸。2.5.1管子管子是压力管道中应用最普遍用量最大的元件，它的重量占整个压力管道的近2/3，而投资占近3/5。值得注意的是在我国的钢管制造标准中，有结构用钢管和流体输送用钢管之分。结构用管主要用于一般金属结构，如桥梁钢构架等，它只要求保证强度与刚度，而对钢管的严密性不作要求。流体输送用管主要用于带有压力的流体输送，除要保证强度和刚度外，还要求保证密封性，即钢管出厂前要求逐根进行水压试验。

压力管道必须采用流体输送管道。第二十页，共八十页，编辑于2023年，星期二常用管子有以下几种类型：1）焊接钢管：连续炉焊（锻焊）钢管；电阻焊钢管；电弧焊钢管。管子标准有：2）无缝钢管：碳素钢无缝钢管；铬钼钢无缝钢管；不锈钢无缝钢管。管子标准有：3）复合管和衬里管：第二十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二2.5.2管件管件的作用：管件是用来改变管道方向、改变管径大小、进行管道分支、局部加强、实现特殊连接等作用的管道元件。常用的管件有弯头、三通、异径管（大小头）、管帽、加强管嘴、加强管接头、活接头、丝堵、管箍等。1）连接形式：管件之间，管件与管道之间常用的连接方式有三种：对焊连接，承插焊连接和螺纹连接。2）对焊管件：常用的对焊管件有弯头，三通，大小头，管帽等。3）承插焊和螺纹连接管件：常用的管件有弯头，三通，大小头，管帽等。第二十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二2.5.3法兰及紧固件：法兰、垫片、螺栓组成管道中可拆的连接结构，是一种重要而普遍应用的连接方式。法兰是确定管道公称压力等级的基准件。2.5.4阀门及其它管道设备1）各种阀门：2）其它管道设备：常见的管道设备还有波纹管膨胀节，过滤器，阻火器，消音器，视镜等。主要注意波纹管（补偿器）膨胀节的设计与选用。第二十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二

3．管道机械3.1概述

管道机械是研究管道的机械强度和刚度问题。3.1.1管道载荷及其工况组合1）管道载荷分类管道承受载荷总体分为两大类，即静载荷和动载荷。静力是指不随时间而变化的力（载荷）。在压力管道所承受的载荷中，大多都属于静载荷。动载荷相对于静载荷，是随时间变化的载荷。GB/T20801.3-2006将管道上可能承受的载荷分为：

持久性载荷：永久作用于管道系统的载荷，主要有压力载荷（内压和外压，主要以内压为多）；重力载荷（包括管道元件的自重，管道内介质重量，保温层等，但不包括冰和积雪载荷）。临时性载荷：短时间作用于管道系统的载荷，主要有风载荷；地震载荷；冰雪载荷；阀门开、关时的反冲力和压力升高等载荷。交变性载荷：大小和方向随时间发生变化的载荷，主要有温差引起的位移载荷（管道热胀冷缩位移，端点附加位移，支撑沉降等引起的载荷）；风力引起的端点位移载荷；两相流脉动载荷；压力脉动载荷（如往复压缩机的往复运动所产生的压力脉动）；瞬变流冲击载荷（如安全阀起跳或阀门的快速开闭时的压力冲击等）；机械振动载荷（如回转设备的简谐振动）。第二十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二2）应考虑的载荷组合工况（1）压力、重力等持久载荷同时作用工况。（2）以上持久载荷与风载荷或地震载荷等临时载荷同时作用工况。（3）因温差引起的载荷及其他交变载荷。（4）必要时，需考虑端点或支吊架永久性位移引起的载荷，但在结构设计时应尽可能消除该载荷的影响。3）应考虑临时性载荷的条件和要求（1）同时满足以下条件时，应计及地震载荷：

GC1类管道、介质毒性为高度危害的GC2类管道或介质为可燃的GC2管道；地震烈度大于等于8度，且设计基本地震加速度大于等于0.3g。(GB50316—2000《工业金属管道设计规范》规定，地震烈度

9度及以上时，应在管道设计时进行地震验算。)（2）如需计及风载荷，则风载荷和地震载荷无需同时与其他临时性载荷构成组合工况。（3）如需计及因阀门开、关产生的载荷，则该载荷与地震载荷无需同时与其他临时性载荷构成组合工况。第二十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二3.1.2应力强度条件1）持久载荷的应力强度条件对于持久载荷组合工况，管子和管道元件的轴向应力SL应不大于最高工作温度下的材料许用应力Sh

，即强度条件为：

SL≤Sh，SL=PD/4Te+MA/Z式中：MA—所考虑载荷组合工况下产生的弯矩（N.mm）；MA=[（iiMAi）2+（ioMAo）2]1/2MAi—所考虑载荷组合工况下产生的平面内的弯矩；MAo—所考虑载荷组合工况下产生的平面外的弯矩；Z—管子或管道元件的抗弯截面模量（mm3）；ii—平面内应力增大系数，见GB/T20801.3-2006附录C；io--平面外应力增大系数，见GB/T20801.3-2006附录C。第二十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二2）持久载荷与临时载荷组合工况的应力强度条件

SL2≤1.33Sh，SL2=PD/4Te+MB/Z式中：MB—所考虑载荷组合工况下产生的弯矩（N.mm）；MB=[（iiMBi）2+（ioMBo）2]1/2MBi—所考虑载荷组合工况下产生的平面内的弯矩；MBo—所考虑载荷组合工况下产生的平面外的弯矩；第二十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二3.2管系静应力分析管系静应力分析的主要内容：1）压力载荷和持续载荷作用下的一次应力计算，防止管道元件局部发生过度塑性变形而破坏。2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移载荷作用下的二次应力计算，防止管道元件发生疲劳破坏。3）管道对相连设备作用力的计算，防止管系对相连设备的作用力太大，保证设备正常运行。4）管道支吊架的受力计算，为支吊架强度设计提供载荷数据。5）管道上法兰的受力计算，防止法兰泄露。第二十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二3.2.1管道元件变形及其应力1）拉伸和压缩

σ=4F/[π(Do2-Di2)]≤[σ]此为管道元件受拉、压时的强度条件。2）剪切τ=N/A≤[τ]N—为剪力，A—横截面积A=π(Do2-Di2)/43)扭转τn=Mn/WnMn—扭矩，Wn—抗扭截面模量Wn=[π(Do4-Di4)]/16Do4)弯曲σw=M/WzM—弯矩，Wz—抗弯截面模量Wz=[π(Do4-Di4)]/32Do第二十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二3.2.2承受压力载荷管道元件的强度分析一．承受内压回转壳体应力分析1）薄壳与厚壳：薄壁容器δ/Di≤0.1Do/Di=K≤1.2

厚壁容器δ/Di>0.1K>1.22）有力矩与无力矩理论：同时考虑所有内力分量的分析方法称为有力矩理论；当壳体较薄时，弯曲内力与法向力相比很小，可以略去，称为无力矩理论。也称为薄膜理论，按此理论得出的应力也称为薄膜应力。第三十页，共八十页，编辑于2023年，星期二薄膜理论的两个基本方程：拉普拉斯方程

σφ/R1+σθ/R2=Pz/δ，区域平衡方程（承受气体压力时）σφ=Nφ/δ=PR2/2δ

式中：σφ--经向应力，σθ--周向应力，R1--第一曲率半径，R2--第二曲率半径。3）无力矩理论薄壁圆柱壳应力分析：圆筒：R1=∞，R2=R则σφ=PR/2δσθ=2σφ=PR/δ特点：σθ=2σφ第三十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二4)厚壁筒应力表达形式：厚壁园筒与薄壁园筒比较其应力有以下三个特点：a)、应力状态是三向应力，径向应力不能忽略；b)、应力沿壁厚方向不再均布，有应力梯度；c)、温差应力不能忽略，（内、外壁间温差产生的温差应力）。仅受内压时，令K=R0/Ri=D0/Di得：σr=Pi（1-R02/r2）/（K2-1）σθ=Pi（1+R02/r2）/（K2-1）σZ=Pi/（K2-1）第三十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二在内压作用下应力分布特点：①、σθ、σZ均为拉应力（正值），σr为压应力。②、σθ、σr沿壁厚不均布，且内壁处有最大值；σZ沿厚度均布（常量），且为σθ和σr的平均值[σZ=（σθ+σr）/2]；③、σθ、σr沿壁厚不均匀程度与径比K有关，K越大，不均匀程度越强；注意：当K=1.1时，内外壁应力只相差10%;

当K=1.3时，内外壁应力相差35%。所以一般规定K

≤1.2作这薄厚筒分界限。④以绝对值大小而论,内壁面σθ为所有应力中之最大,设计校核要特别注意此应力。5）外压圆筒的稳定性分析（简介）按GB150第三十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二二．承受内压管道元件的强度设计1）压力管道失效形式压力管道的失效形式有：强度失效；刚度失效；失稳失效；泄漏失效。a)强度失效：因材料屈服或断裂引起的失效。韧性断裂(塑性断裂):断口处有明显的塑性变形，没有碎片。实际爆破压力与理值接近。脆性断裂：断口无明显塑性变形，断口平齐，有碎片，断裂时的应力较低，又称低应力脆断。疲劳断裂：在交变载荷作用下，以一定循环后产生裂纹或突然发生断裂的过程，为疲劳断裂。蠕变断裂：长期高温受载，材料不断发生蠕变变形，最终导致容器断裂。腐蚀断裂：b)刚度失效：过度的弹性变形引起的失效.c)失稳失效：在压应力作用下，容器突然失去原有的几何形状称为失稳失效。d)泄漏失效：第三十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二2)设计准则失效判据：将力学分析结果与实验测量结果相比较，就可判别压力管道是否会失效。这种判据为失效判据。设计准则：失效判据不能直接用于压力管道的设计计算。失效判据引入一定的安全系数，构成设计准则。压力管道设计准则可分为：强度失效设计准则；刚度失效设计准则；稳定失效设计准则；泄漏失效设计准则。第三十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二（1）强度失效设计准则：弹性失效设计准则；还有塑性失效设计准则；爆破失效设计准则；弹塑性失效设计准则，又称安定性准则；疲劳失效设计准则；蠕变失效设计准则；脆性断裂设计准则。主要介绍弹性失效设计准则：总体部位进入初始屈服即为失效。屈服失效判据为：σ≥σs

考虑安全系数n得相应的设计准则为即强度条件：σ≤[σ]t[σ]t—材料设计温度下的许用应力。对于三向应力状态采用相当应力（当量应力）的概念，建立设计准则为：σeq≤[σ]t第三十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二

在弹性范围内有四种强度理论，不同的强度理论有不同的σeq表达式。假定三向应力σ1＞σ2＞σ3第一强度理论称最大拉应力理论(适用于脆性材料)σeq1=σ1≤[σ]t第二强度理论为最大变形理论，因与实验结果相差较大各国都很少采用。第三强度理论称最大剪应力理论，其强度条件为：σeq3=σ1-σ3≤[σ]t

对于薄壁容器，σ1和σ2变为同号，而σ3=0。则此理论的强度条件与第一理论相同。第四强度理论称最大剪切变形能理论（形状改变比较能），强度条件为：

σeq4={1/2[（σ1-σ2

）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1

）2]}1/2≤[σ]t

第三、第四理论适用于塑性材料。第四理论的强度条件较麻烦，所以一般采用第三强度理论来建立强度条件。第三十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二（2）刚度失效设计准则要求构件在外载作用下，弹性位移或转角不允许超过被定值。即为刚度设计准则亦称刚度条件：

W≥[W]许用位移

θ≥[θ]许用转角第三十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二3)设计计算公式对于内压圆筒：

σ1=σθ=PD/2δ≤[σ]t

（第一和第三强度理论结果一致）

σ2=σφ=PD/4δσ3=0，

D—筒体中面直径。根据第三强度理论，用外径表示上式有：

D=Do-δ则：

P（Do-δ）/2δ≤φ[σ]t

由此得：

δ=PDo/（2φ[σ]t+P）以此为基础，得出下列管子和管件的设计计算公式。第三十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二（1）直管厚度计算公式GB50316—2000规定：计算厚度δ=PDo/[2(φ[σ]t+PY)]

设计厚度δd=δ+C1+C2=δ+C名义厚度：δn=δd+C4最小厚度：δ=δ+C2

有效厚度：δe=δn－C

C1--厚度减薄附加量，包括加工开槽材料厚度负偏差等；C2—腐蚀或磨蚀附加量；C4—厚度圆整值；φ—焊接接头系数；Y—系数，当δ＜Do/6时，Y查GB50316—2000表6.2.1，当δ≥Do/6时（为厚壁管道），Y=(Di+2C)/(Di+Do+2C)。注意：GB50316—2000的6.2.1.2条规定，对于厚壁管道或高压管道，要用断裂力学等方法考虑其厚度问题。第四十页，共八十页，编辑于2023年，星期二GB/T20801.3-2006规定：计算厚度：t=PDo/[2(φ[σ]t+PY)]（同GB50316）设计厚度：td=δ+C2+C3=δ+C名义厚度：Tn=td+C1+C4最小厚度：T=Tn－C1(或实际测量值T）有效厚度：Te=Tn－C1－C(厚度关系见图7）

C1—材料厚度负偏差；C2—腐蚀或磨蚀附加量；C3—机械加工深度；C4—厚度圆整值；φ—焊接接头系数；Y—系数，当δ＜Do/6时，Y查GB/T20801.3-2006表16，当δ≥Do/6时，Y=(Di+2C)/(Di+Do+2C)。GB/T20801.3-2006的6.1条规定，当δ≥Do/6时，计算时还应考虑失效机理、疲劳影响和温差应力等因素。（注意：与GB50316差别之处）

第四十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二（2）弯管壁厚计算由于弯管在形状上存在按一定弯曲半径的弯曲度，故在弯曲处将产生一定的应力集中，在压力作用下产生的应力要较直管大的多，相应厚度也要比直管厚些。

非标准对焊弯头：GB/T20801.3-2006公式：

δ=PDo/[2(φ[σ]t/I+PY)]

计算弯头内侧厚度时：I=[4(R/D)-1]/[4(R/D)-2]计算弯头外侧厚度时：I=[4(R/D)+1]/[4(R/D)+2]计算弯头中心线处厚度时：I=1.0（与直管相同）

R—为弯头或弯管的轴线（管子中心线）弯曲半径。另，弯管成形后端部最小厚度应不小于直管设计后度。

斜接弯头（虾米腰）：见GB50316—2000标准的6.3节；HG20582钢制化工容器强度设计规定第22节；GB/T20801.3-2006的6.3节。第四十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二（3）焊制三通壁厚计算（参HG20582钢制化工容器强度设计规定）主管理论计算壁厚：δ1=PDo/[2(φ[σ]t+P)]支管理论计算壁厚：δ2=δ1do/Do

式中：φ—为强度削弱系数，见HG20582钢制化工容器强度设计规定第23节。

do—支管外径；Do—主管外径。计算壁厚：理论计算壁厚加壁厚附加量。适用范围：Do≤660mm，1.05≤Do/Di≤1.5且0.5≤do/Do

第四十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二（4）平盖（管端焊接平封头）的壁厚计算GB50316—2000公式：

δ=K1(Di+2C)[P/([σ]tη)]1/2δd=δ+CDi---管子内径，K1和η—结构特征系数，查GB50316—2000标准表6.6.1。（5）管法兰和法兰盖设计GB/T20801.3-2006规定：管法兰和法兰盖按GB150设计，当管法兰承受外加轴向力F或外加力矩M时，要计算当量压力Pc，以当量压力Pc代替设计压力P进行计算。必要时还要校核法兰刚度。当量压力为：

Pc=16M/πDo3+4F/πDo2+P第四十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二（5）法兰夹持的盲板GB50316—2000公式：

δ=0.433Dg[P/([σ]tφ)]1/2δd=δ+CDg–垫片内径；φ--焊接接头系数。GB/T20801.3-2006公式：

δ=Dg[3P/(16[σ]tφ)]1/2两个公式完全相等：（3/16)1/2=0.433第四十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二4)压力管道应力集中问题应力集中现象：压力管道经常遇到元件分支开孔、变径、拐弯等问题，另外除受介质压力作用外，还要承受管道及附件重量、支座的约束反力等作用。这些载荷通常仅对管道局部区域产生影响。由于局部的不连续和局部载荷，在这些局部区域的产生边缘应力，均称为局部应力。局部应力常常是迭加在由内压引起的膜应力上的应力，多数是局部弯曲应力。局部应力有时会达到很高的数值，可达到基本应力的3倍以上。这种局部的应力增大现象，称为“应力集中”现象。应力集中系数：反映应力集中程度用一个系数——应力集中系数Kt=σmax/σσmax—局部最大总应力σ—基本应力第四十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二5)支管开孔与开孔补强（A）补强结构形式开孔补强形式概括分两种：整体补强、局部补强。整体补强，即把管壁整体加厚；局部补强结构有三种形式：补强圈补强、厚壁接管补强、整锻件（密集）补强。（B）开孔补强设计准则(补强方法)a)、等面积补强方法：规定：局部补强的金属截面积A，必须大于或等于开孔所挖去的壳壁截面积A0，即A≥A0

b)压力面积法c)极限分析补强法在GB/T20801.3-2006中主要采用等面积补强法，附录G给出整体成型三通采用压力面积法。第四十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二GB/T20801.3-2006的6.7节支管连接的等面积补强法简介6.7.2等面积补强法适用范围（1）GB/T20801.4-2006图10所示的焊接支管；（2）与（1）结构类似的焊接或锻造三通、四通、斜三通；（3）表14（管道组成件型式尺寸标准）未列入的其他直接焊接于主管的支管连接件。（4）结构尺寸要求：Dh/Th＜100时，Db/Dh≤1.0；Dh/Th≥100时，Db/Dh＜0.5；β≥450；支管轴线与主管轴线相交。（5）对于GC1级管道和剧烈循环工况，不宜采用补强圈作为补强措施。6.7.3不需要补强的条件：有5条第四十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二6.7.4支管直接焊于主管的补强计算

（1）补强结构：所有截面上的补强圈宽度应为恒值；对于Db/Dh＞0.8的焊接支管，宜采用整体补强或支管补强结构，如需采用外加补强圈补强，则应采用套筒型补强圈。（2）补强有效范围补强区有效宽度2d2：对于焊接连接的支管：d2=d1

或d2=Teb+Teh+d1/2取大值；对于挤压成型的接口：d2=dx，且d2≤Dh。主管外侧法向补强的有效高度L4：L4=2.5Teh，或L4=2.5Teb+Tr

取小值式中：Teb—支管有效厚度；Teh—主管有效厚度；

Tr–补强板名义厚度。

第四十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二（3）主管开孔所需最小补强面积(开孔削弱的金属截面积)A1

对于承受内压的主管连接件：

A1=thd1（2-sinβ）式中：d1—扣除壁厚附加量后主管上斜开孔的长径，d1=[Db-2(Tb-C)]/sinβ；对于承受外压（或真空）的主管连接件，按内压考虑，A1同上。第五十页，共八十页，编辑于2023年，星期二（4）补强范围内有效补强金属面积主管有效厚度之外多余的金属面积：

A2=(2d2-d1)(Teh-th)

支管有效厚度之外多余的金属面积：

A3=2L4(Teb-tb)/sinβ

补强圈金属面积：A4=(Dr-Db/sinβ)Tr或A4=(2d2-Db/sinβ)Tr取小值焊缝金属截面积A5按实际焊缝尺寸计算。补强面积的校核要求：

A2+A3+A4+A5≥A16.7.5带挤压成型接口的支管连接补强计算（密集补强）（参见GB50316—2000标准6.4.3节）。第五十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二6.7.6封头上支管连接的补强设计(1)补强结构：开孔直径应不大于封头内径的1/2，超过此范围则宜采用异径管。(2)补强有效范围：同前。(3)需要补强的面积A1按GB150计算。6.8整体成型三通的压力面积法

GB/T12459-2005钢制对焊无缝管件和GB/T13401-2005钢板制对焊管件中，Db/Dh＞0.5的整体成型三通补强计算可采用附录G的压力面积法。第五十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二三．法兰连接强度设计1）概述法兰连接设计包括两个基本问题：①、密封设计：选择法兰类型、压紧面形式和垫片形式，确定螺栓载荷和尺寸。②、法兰强度计算：初定法兰尺寸，对法兰进行应力分析，应力校核，以确定法兰的厚度。与法兰强度设计有关的（垫片的）两个特性参数：a）垫片比压力(用符号y表示)：亦称预紧密封比压。指预紧工况时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件，此时垫片所必需的单位面积上的y最小压紧力(单位MPa)b）垫片系数：在操作时，达到密封不漏，垫片上必须维持的比压力y(操作密封比压δg)与介质压力P的比值，用m表示。第五十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二

保证法兰连接密封不漏的两个条件：预紧时，必须使螺栓力在压紧面与垫片间建立起不低于y值的比压力；操作时，螺栓力应能够抵抗内压作用，并在垫片表面上维持m倍内压的比压力(δg≥mp)2）螺栓设计①、法兰压紧面型式及选择型式：有平面、突面、凹凸面、榫槽面选择：主要根据压力和介质情况而定第五十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二②、垫片的选择：非金属垫片；金属垫片；组合垫片。根据介质压力、温度、腐蚀性而定③、螺栓设计(材质、直径、个数)

螺栓载荷计算(分两种工况)

在预紧工况：螺栓拉力Wa应等于压紧垫片所需的最小压紧力Fa，即：Wa=Fa=πDGby式中：Wa—螺栓最小预紧力N；DG—垫片平均直径mm；b—垫片有效宽度，与基本宽度b0有关

b0≤6.4mm时，b=b0(b0查表)b0>6.4mm时，b=2.53(b0)1/2y—垫片预紧比压(查表)第五十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二在操作工况：螺栓力Wp应等于抵抗内压产生的轴向力(使法兰分开的力)和维持密封表面必需的压紧力之和。

Wp=F+Fp=PcDG2π/4+2πDGbmPc式中：Wp—操作状态下螺栓的最小载荷力N；

b—垫片有效宽度，与基本宽度b0有关

m—垫片系数第五十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二3）法兰强度设计简述按其理论基础可概括为三种：基于材料力学的简单方法此方法完全是按照材料力学的观点，把高颈法兰看作一个悬臂梁，梁的高度是法兰的高度，悬臂长为螺栓孔中心圆至压力作用点(垫片中心)的距离，将法兰剖开然后伸直就成为又窄又长的悬臂梁。以弹性分析为基础的方法此类计算方法是将法兰中的应力控制在弹性范围内，同时保证法兰的密封要求，是目前采用最多的方法，尤其是Waters法在世界各地规范中广泛采用。以塑性分析的基础方法此法认为法兰的强度失效是极为罕见的，故它不在于计算法兰中的应力，而着重于整个可拆连接结构的密封性，对法兰的应力是以塑性失效准则进行控制的，计算较复杂，只有少数国家标准采用此法。如德国DIN2505，AD规范等。第五十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二Waters法简介主要校核三个应力：锥颈与法兰环连接的轴向应力：

σH=fM/（λδ12Di

）Mpa

法兰环上的径向应力：

σR=(1+1.33δfe)M/（λδf2Di

）法兰环上的切向(周向)应力：

σT=YM/（λδf2Di）－ZσR

式中：M—法兰计算力矩(N.mm)；f—法兰颈部应力校准系数；λ,e,Y—系数；Di—壳体内径；δ1—锥颈大端厚度；δf—法兰环厚度；强度校核：σH≤1.5[σ]ft，σR≤[σ]ft，σT≤[σ]ft(σH+σR)/2≤[σ]ft，(σH+σT)/2≤[σ]ft几点说明：法兰最大轴向应力总是发生在锥颈的两端，可在大端也可能在小端；法兰环的最大径向应力位于内缘与大端连接处B＇点。法兰环的最大周向应力位于内缘C＇点。Waters选取了B＇点作为法兰强度的校核点，因该点处于三向应力状态，上面应力公式，也是该点的应力计算式。第五十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二四．压力管道试验（GB/T20801.5-2006检验与试验）1）压力试验（1）目的：压力管道及其元件制造或安装完毕后或定期检验时，都要进行压力试验，其目的是考核缺陷对压力管道安全性的影响。耐压试验：在超过设计压力下进行的液压(或气压)试验。对内压管道，其目的是考核压力管道在超设计压力下缺陷是否会快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏；检验密封结构的密封性能。对外压管道，用相等的压力作内压试验，其目的是进行“试漏”，检查是否存在穿透性缺陷。（2）耐压试验压力及其限制液压试验压力：PT=1.5PS1/S2

气压试验压力：PT=1.15PS1/S2

其中：P—设计压力；S1--试验温度下管子材料的许用应力；S1--试验温度下管子材料的许用应力。

试验压力的限制：当试验压力下管道周向或轴向应力超过屈服强度时，要降低试验压力，为不会超过屈服强度的最大压力。（3）压力试验相关要求，见GB/T20801.5-2006第9.1节第五十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二2）泄漏试验（气密试验）对于输送极度和高度危害流体及可燃流体的管道，应进行泄漏试验，规定：（1）泄漏试验应在压力试验合格后进行，试验介质宜采用空气；（2）泄漏试验压力应为设计压力；（3）泄漏试验可结合试车一并进行；（4）泄漏试验时，应重点检查阀门填料函、法兰或螺纹连接处、放空阀、排气阀、排水阀等部位，以发泡剂检查不泄漏为合格；（5）经气压试验合格，且在试验后未经拆卸过的管道系统可不进行泄漏试验。3）真空度试验真空管道系统在压力试验合格后，还应按设计文件的规定进行24小时的真空度试验，增压率应不大于5%。增压率计算式：△P=[（P2－P1）/P1]×100P1—试验初始压力；P2—试验最终压力。第六十页，共八十页，编辑于2023年，星期二五．压力管道的应力分类概念（压力容器应力分析设计法概述）常规法是以弹性失效准则为基础，将壳体总体部位应力限制在弹性范围内的某一许用值。而新方法认为：筒壁上一点的应力达到屈服时，并不导致容的失效，只有当筒壁整体屈服，容器才算失效。根据这一观点，将容器上各部位的应力按不同的应力性质，即应力对容器强度失效（因材料屈服或断裂引起的失效）所起的作用的大小分为三类：一次应力、二次应力、峰值应力第六十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二1）应力分类A）一次应力(P)

一次应力也称基本应力，它是由于外载荷（如压力或重力）的作用而在管道部件中产生的正应力或应力。是指平衡外加机械载荷所必需的应力。一次应力有两个特点：a、这类应力必须满足外载与内力及内力矩的静力平衡关系，即可按静力平衡条件加以确定；b、有非自限性：应力随外载增加而增大，不会因达到屈服而自行限制。一次应力还分以下几种：一次总体薄膜应力(Pm)，一次弯曲应力(Pb)，一次局部薄膜应力(PL)第六十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二B)二次应力(Q)

由于管道部件的自身约束或相邻部件的约束、管道热胀冷缩而产生的正应力或剪应力称为二次应力，和一次应力相比较，二次应力有以下二个特性：a、不是为了满足与外力的平衡，而是为了满足变形协调条件所引起的应力；b、具有自限性。当局部范围内的材料产生屈服或小量变形，相邻部分之间的约束便得到缓和，使变形趋向协调不再继续发展，应力则自动地限制在一定范围内不能继续增长。

二次应力包括：（1）由总体结构不连续引起的弯曲应力(边缘应力)；（2）总体温差应力（如管道热胀冷缩产生的应力）。第六十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二C）峰值应力(F)

由于局部结构的不连续引起的应力集中，峰值应力是指该处总应力(最大应力)中，扣除一次和二次应力后多余的应力值，如主管和支管连接处(接管根部)的应力集中。峰值应力的基本特征是：应力分布区域很小，它不会引起整个结构的任何明显变形，而只是导致管道产生疲劳破坏或脆性断裂的可能根源，因此，在一般设计中不予考虑，只是在疲劳设计时加以限制。第六十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二3.3压力管道（管系）的热应力分析和柔性设计3.3.1热膨胀概念1）管道受热膨胀，膨胀量（自由位移量）计算式：

Δ=α·ΔT·L(mm)

式中：α—管道材料的热（线）膨胀系数，mm/mm℃；

ΔT—管道温升，℃；

L—管道长度，mm。2）约束位移产生的应力：

σt=EΔ/L=EαΔT；相应的推力：F=σt·A举例：一20#钢管，φ219×10mm，L=2m，两端固定，加热升温到200℃。材料α=12.2×106mm/mm℃，E=1.82×105MPa，分析热应力。ΔT=200-20=180℃；管子横截面积A=π(Do2-Di2)/4=8258.2mm2

解除一端约束，其自由膨胀量为：Δ=α·ΔT·L=4.39mm；自由端回到原位，管子受压缩产生应力：σt=EαΔT=400MPa；

管子受到推力：F=σt·A=3303280N，推力约为330吨。第六十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二归纳几点：a)管子受热就会膨胀，管子的膨胀量与管子的长度和所受温度成正比；b)管子的热胀导致了管子端点沿膨胀方向发生位移，当无其它附加位移时，端点位移等于膨胀量；c)管子端点位移受约束时管内会产生内力，该内力只与管子温度、管子材料和管子截面积有关，且成正比，而与管子长度无关；d)管子内力将导致对约束点施加一个推力。第六十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二3.3.2管系柔性概述1）管系柔性概念在管系中由于设备的刚性，支架的约束等管道中的热应力是不可避免的。通常对管系通过自身的变形而吸收热胀的特性称为管系的柔性。管系的柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念，表示管道通过自身变形吸收热胀冷缩和其它位移的能力。2）管系柔性分析目的所有管道系统都应具有足够的柔性，以避免出现如下情况：第六十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二（1）由于应力超限或疲劳原因导致的管道或支吊架失效；（2）管道连接部位发生泄露；（3）因存在过大的推力或弯矩，而导致管道支吊架、管道元件或与管道连接的其他设备产生应力或载荷超限而失效。3）柔性分析的许用应力范围许用应力范围SA=f（1.25Sc+0.25Sh）如果SL＜Sh则：SA=f[1.25（Sc+Sh）－SL]式中：Sc--循环载荷作用下管道元件或管子材料在最低工作温度下的许用应力；第六十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二Sh--循环载荷作用下管道元件或管子材料在最高工作温度下的许用应力；f—许用应力范围折减系数，查GB/T20801.3表18；或计算：f=6N-0.2且小于等于1.0；N—当量循环次数，N=NE+∑（ri5Ni）（i=1，2，n）NE--最大应力范围SE作用下的循环次数；SE--在循环载荷作用时的最大应力范围（MPa）；ri--比值，ri=Si/SE；Si--在循环载荷作用时，小于SE的某一个应力范围值；Ni--应力范围Si作用下的循环次数。第六十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二3.3.3影响管系柔性的因素1）规格及尺寸的影响：直径和壁厚小则管系柔性好；π型补偿结构悬臂长则柔性好。2）管系的空间几何形状影响：增加管系中的弯头数量，管系柔性增加。增加了变形点，弯头本身刚度也比直管小。三通等管件的刚度也比直管小。反映这些影响程度的有两个重要系数，柔性系数和应力增大系数。（1）柔性系数K：表示弯管等管件相对于直管在承受弯矩时柔性增大的程度。（2）应力增大系数i：管道在载荷作用下，在弯头和三通等薄壁管件上将产生局部的应力集中。以同一弯矩值作用在薄壁管件上和直管后，所产生的最大应力之比称为应力增大系数。各种弯头和三通等管件的柔性系数和应力增大系数，查GB/T20801.3附录C和GB50316附录E。3）管系端部相关设施刚度的影响：相当于刚性约束。4）管系中间支撑的影响：5）管系中特殊管道元件的影响：刚性管道元件，法兰，阀门，小型管道设备；柔性元件，膨胀节。第七十页，共八十页，编辑于2023年，星期二3.3.4管道系统应力范围计算按可能工况分析管道系统的危险部位，计算其轴向弯曲应力和扭矩产生的剪应力，再计算组合应力范围：

SE=（Sb2+Ss2）1/2

，SE≤SA

式中：Sb--轴向应力范围，

Sb=[（iiMi）2+（ioMo）2]1/2/ZSs--剪应力范围，Ss=Mt/2ZMi—由交变位移载荷引起的平面内弯矩范围；Mo—由交变位移载荷引起的平面外弯矩范围；Mt—由交变位移载荷引起的扭矩范围；第七十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二3.3.5管系的柔性设计（与管道布置有关）1）管系的空间走向和尺寸设计：尽量采用自然补偿，即利用管系自身形状所具有的柔性以达到吸收热胀和端点位移。2）管端相关设施的刚度考虑：变换与设备接口的主要连接方向；在管系和设备接口连接处设置柔性管件，如金属软管。3）管系中间支撑的设计：选用弹簧支吊架等。4）应用管道柔性元件：波纹膨胀节。5）摩擦力的考虑：6）管系冷紧的考虑：是指在安装时（冷态）使管道产生一个初位移和初应力的一种方法。冷紧的目的：是将管道的热位移的一部分分配到冷态，从而降低管道在热态下的热胀应力和对端点的推力和力矩，也可防止法兰连接处弯矩过大而发生泄漏。冷紧比：指冷紧量与全部补偿量的比值，反映冷紧对管系热应力影响的程度。对于在材料蠕变温度下工作的管道，冷紧比宜为0.7；在非蠕变温度下工作的管道，冷紧比宜为0.5。第七十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二3.4管系的动应力分析动载荷：风载荷，地震载荷，瞬时变流冲击载荷，两相流脉动载荷，压力脉动载荷，机械振动载荷等都属于动载荷。机械振动研究1）机械振动理论2）往复压缩机管道的振动分析与设计主要内容：a)进行气柱固有频率分析，使其避开激振力的频率；b)进行压力脉动不均匀度分析，采用设置缓冲器或孔板等装置结构，抑制脉动，将压力不均匀度控制在允许的范围内；c)进行管系结构振动固有频率，震动特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，消除过大的管道振动。3)管道的疲劳破坏及设计基本概念：平均应力，应力幅，循环次数，高循环疲劳，低循环疲劳。低循环疲劳设计：疲劳设计曲线。管道结构方面应注意的问题：a)在保证管道柔性要求的前提下应加强支撑，以避免由压力脉动产生的机械振动问题；b)弯管部分应采用长半径弯头，以减少应力集中的影响；c)分支管应尽可能采用标准三通管件（标准三通管件与开孔补强结构相比有两个优点：一是其肩部为圆滑过度，能有效地降低应力集中影响；二是标准三通本身就具有补强作用，而无需再加补强圈，可减少施工工作量）；d)不宜采用标准三通进行分支时，应进行补强，且宜采用整体补强结构；e)不允许使用螺纹连接结构，也不宜采用承插焊结构；f)整个管系各组成件的壁厚宜取一致，尽可能避免出现不等厚的管件焊接。第七十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二3.5管道支撑设计管道的支撑设计包括：支撑型式的选用、支撑件材料的选用、支撑件强度的计算、生根点载荷计算等方面的内容。3.5.1管道支吊架的分类承重支吊架：刚性支吊架，可调刚性支吊架，可变弹簧支吊架，恒力弹簧支吊架；限制性（限位）支吊架：固定支架，限位支架，导向支架；防振支架：减振器，阻尼器。3.5.2支吊架的形式及其选用3.5.3支吊架位置的确定一．支吊架位置确定的原则（管道布置相关）二．管道允许跨距的确定管道跨距是指管道相邻两承重支架之间的距离