管道应力及热力管道培训讲义

管道应力及热力管道培训讲义

主要讲以下几项主要内容：

应力的概念、应力分析的目的、应力分析的方法、柔性设计、热伸长

的计算、补偿方法、常用的补偿器、常用支架的种类、常用管托的种

类、推力计算

一、管道机械（管道应力）

1.应力

材料单位面积上受到的力。

2.一次应力

由于外载（包括内压、管道自重、保温材料、雪荷载）的作用所产生

的应力。特点：随外加荷载的增加而增加，且无自限性，当其值超过

材料的屈服极限时，管道将产生塑性变形而破坏，（一般情况下一次

应力超标是由于缺少管架或管架布置不当引起）。

3.二次应力（温度应力、热应力）

是由于管道温度升高、管道变形受到约束而产生的应力，称为二次应

力。它由管道热胀冷缩、端点位移等引起。（假如管道一端固定，另

一端自由则不产生应力）。

二次应力的特点是：具有自限性，当管道局部变形或产生小量变形时,

就能降低下来。二次应力过大时，将使管道产生疲劳破坏。二次应力

产生的破坏，是管系在冷热状态下的反复交变应力作用下出现反复塑

性变形，并因塑性应变的反复累计而引起疲劳破坏。因此，对二次应

力的限定采用许用应力范围植和限定交变循环次数加以控制。

管道应力分析分为静力分析和动力分析

静力分析包括：

①压力荷载和持续外载作用下的一次应力计算一一防止塑性变形破

坏。

②管道热胀冷缩以及端点附加位移荷载作用下的二次应力计算一一

防止疲劳破坏。

③管道对设备作用力的计算一一防止作用力太大，保证设备正常运

行。

④管道支吊架的受力计算一一为支吊架设计提供依据。

⑤管道上法兰的受力计算一一防止法兰泄漏。

⑥管道位移计算一一防止管道碰撞和支吊点位移过大，或管道掉至

支架下面。

动力分析包括：

①管道自振频率分析一一防止管道系统共振。

②管道强迫振动分析一一控制管道振动及应力。

③往复式压缩机气柱频率分析一一防止气柱共振。

④往复式压缩机压力脉动分析一一控制压力脉动值。

二、应力分析的方法，常用的有三种

1、目测法：

目测人具有相当的水平和工程经验。

2、公式法：

(图表法)常用的手册有''简明动力管道手册小'热力管道内化工管路

设计手册〃等

3.计算机计算法：

目前国际通用的管道应力分析软件为美国COADE公司编制

CAESAIL

三、管道应力分析常用的规范标准及设计手册

1)GB50316-2000《工业金属管道设计规范》

2)SH/T3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》

3)SH/T3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》

4)SH3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》

5)SH/T3073-2004《石油化工管道支吊架设计规范》

6)JB/T8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》

7)JB/T8130.2-1999《可变弹簧支吊架》

8)GB/T12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》

9)GB50251-2003《输气管道工程设计规范》

10)GB50253-2003《输油管道工程设计规范》

11)DL/T5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》

12)SDGJ6-90《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》

13)HG/T20645-1998《化工装置管道机械设计规范》

14)《热力管道》山西出版社

15)《简明动力管道设计手册》机械工业出版社

16)《化工管路手册》

17）《化工工艺设计手册》

五、压力管道的柔性设计

1.管道计算温度的确定

管道的计算温度应根据工艺设计条件及下列要求确定：

1）对于无隔热层管道：介质温度低于65℃时，取介质温度为计算

温度；介质温度等于或高于65。。时，取介质温度的95%为计算温

度；

2）对于有外隔热层管道，除另有计算或经验数据外，应取介质温

度为计算温度；（最常用）

3）对于夹套管道应取内管或套管介质温度的较高者作为计算温度；

4）对于外伴热管道应根据具体条件确定计算温度；

5）对于衬里管道应根据计算或经验数据确定计算温度；

6）对于安全泄压管道，应取排放时可能出现的最高或最低温度作为

计算温度；

7）进行管道柔性设计时，不仅应考虑正常操作条件下的温度，还应

考虑开车、停车、除焦、再生及蒸汽吹扫等工况。

2.管道安装温度

管道安装温度应按区域温度计取，一般取5~20℃。

3.管道计算压力

管道计算压力宜取计算温度下对应的操作压力。

4.管道柔性

管道柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念。它表示管道通过

自身变形吸收热胀冷缩和其它位移变形的能力。

进行管道设计时一，应在保证管道具有足够的柔性来吸收位移应变的前

提下，使管道的长度尽可能缩短。投资尽可能减少。在管道柔性设计

中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑管道的端点附加位移。

在设计时，一般采用下列一种或儿种措施来增加管道的柔性，增加柔

性即可降低应力，要想完全去掉应力是不可能的。只是降低应力使管

道的应力在规定的范围内。

①改变管道走向，改变设备布置。

②选用波纹补偿器、方型补偿器或球型补偿器。

③选用弹簧支吊架

5、哪些管道宜进行详细柔性设计

(1)操作温度大于400。C或小于-50。C的管道；(应根据具体情

况具体分析)

(2)进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道；

(3)进出反应器的高温管道；

(4)进出汽轮机的蒸汽管道；

(5)进出离心压缩机、往复式压缩机的工艺管道；

(6)与离心泵连接的管道，可根据设计要求或按图7.2.3确定柔

性设计方法；

(7)设备管口有特殊受力要求的其它管道；

(8)利用简化分析方法分析后，表明需要进一步详细分析的管道。

6、热位移

管道的热位移是指由于管道内介质温度高于周围环境温度，因热胀而

产生的热伸长。

7、热伸长的计算

△L=AtxLxax£

=(t2-tl)XLXQXE

t2一一计算温度。C

tl一安装温度。C

L一管道的长度m

a—钢材的线膨胀系数

E一冷紧系数

8、管道热补偿的方法有儿种，何谓自然补偿，自然补偿的特点

管道热补偿的方法有两种，即自然补偿和补偿器补偿。

管道的自然补偿就是管道的走向按具体情况呈各种弯曲形状，管道利

用这种自然的弯曲形状所具有的柔性补偿其自身的热膨胀和端点位

移。自然补偿的特点是构造简单、运行可靠、投资少。

9、如何增加管道的自然补偿能力

(1)改变管道的走向，以增加整个管道的柔性；

(2)利用弹簧支吊架放松约束；

(3)改变设备布置。

10、常用的补偿器有儿种，各有何特点，适用范围

压力管道设计常用的补偿器有三种：II型补偿器、波形补偿器和套管

式补偿器或球形补偿器。

II形补偿器结构简单、运行可靠投资少，在压力管道设计中广泛采用。

（缺点：占地大）。波纹补偿器补偿能力大、占地少，但制造较为复

杂，价格高，适用于低压大直径管道。

套管式或球形补偿器因填料容易松弛，发生泄露，因此很少采用。在

有毒及可燃介质管道中严禁采用。

11、H型补偿器的设置的要求

II形补偿器设置在两固定点中部，特殊情况不少于1/3o为防止管道

横向位移过大，应在n形补偿器两侧设置导向架。导向架应与弯头

有一定距离，以防止弯头处弯曲应力过大。

12、常用的波纹补偿器有哪儿种

（1）方型补偿器；

（2）轴向型波纹管膨胀节（用于直管段）

（3）大拉杆波纹管膨胀节。（用于有弯管的管道上）

13、管道应力计算参数如何选取

（1）蒸汽管道取用锅炉、汽轮机抽（排）汽口的最大工作压力和温

度作为管道计算压力和工作循环最高温度。

（2）热水热力网供、回水管道的计算压力均取用循环水泵最高出口

压力加上循环水泵与管道电低点地形高差产生的静水压力，工作循环

最高温度取用热力网设计供水温度。

（3）凝结水管道计算压力取用户凝结水泵最高出水压力加上地形高

差产生的静水压力，工作循环最高温度取用户凝结水箱的最高水温。

（4）管道式作循环最低温度，对于全年运行的管道，地上敷设时取

300C,地上敷设时取150C,对于只在采暖期运行的管道，地上敷

设时取100C,地上敷设时取50C。

14、管道作用力计算包括哪些内容

管道作用力计算时应包括：管道热胀冷缩受约束产生的作用力、内压

产生的不平衡力、活动端位移产生的作用力。

15、支吊架受力类型

(1)管道及附件重量(包括管内介质和保温结构重量)；

(2)弹簧支吊架预压弹簧所产生的作用力及其转移至刚性支吊架的

转移荷重；

(3)活动支吊架的摩作用力；

(4)管道热胀冷缩产生的作用力和力矩；

(5)管内介质产生的作用力；

(6)室外架空管道尚应包括风荷重、雪荷重。

16、固定支架推力计算：

(1)、装有方形补偿器固定支架、自然补偿固定支架所承受的水平

推力：包括摩擦力、弹性力：

①摩擦力

Pm=QML

②弹性力：由相关手册查得

(2)产生的推力包括摩擦力、内压力、波纹管刚度三项之和：

①、摩擦力

Pm=Q.U.L

②、内压力：A.P

③、刚度（补偿器产生的推力）由各类补偿器手册查得；

A-波纹管补偿器截面积：

p-介质操作压力：

Q-管道每米重量

U-磨擦系数

L-管道长度

17、蒸汽吹扫应符合哪些规定？

答：（1）吹扫前应缓慢升温暖管，恒温lh,后进行吹扫。

（2）吹扫用蒸汽压力和流量计算确定。

（3）吹扫次数一般为2〜4h。

（4）吹扫用排汽管的管径应根据计算确定并能将脏物排出，管口的

朝向、高度、倾角应计算确定、要保证安全可靠。

六、管道支架设计

1、管道支吊架有的种类和型式

管道支吊架按其功能可分为承受管道荷载、限制管道位移和控制

管道振动三大类，详细分类如下：

（1）承重支吊架的作用是承受管道荷载、可进一步细分为：

1）刚性支吊架；

2）可调刚性支吊架；

3）可变弹簧支吊架。

（2）限制性支架的作用是限制管道位移，可进一步细分为：

1）固定支架；

2）限位支架；

3）导向支架。

（3）防振支架的作用是控制管道振动，可进一步细分为：

1）防振管卡；

2）阻尼减振器。

按热力管道的答案为:支吊架包括支架和吊架，其中支架又分为固定

支架和活动支架两种类型。吊架根据能否承受垂直方向位移，分为刚

性吊架和弹簧吊架。

2、确定管道支吊架位置的要点

（1）应满足管道最大允许跨度的要求；

（2）当有集中载荷时，支架应布置在靠近集中载荷的地方，以减少

偏心载荷和弯曲应力；

（3）在转动机器附近，应设置支架，以防止机器口承受过大的管道

荷载；

（4）往复式压缩机的吸入或排出管道以及其他有强烈振动和管道，

宜单独设置支架，（支架生根于地面的管墩或管架上），以避免将振

动传递到建筑物上；

（5）除振动道处，应尽可能利用建筑物、构筑物的梁柱作为支架的

生根点，且应考虑生根点所能承受的荷载，生根点的面积和形状应能

同时满足生根件的要求。

（6）对于复杂的管系，尤其是需要作详细应力计算的管系，尚应根

据应力计算结果调整其支吊架的位置；

(7)管道支架应设在不妨碍管道与设备的连接和检修的部位；

(8)安全泄压装置出口管道应设刚性支架。

3、管道固定点的设置应考虑的问题

(1)对于复杂管道可用固定点将其划分成几个形状较为简单的管段,

如L形管段、U形管段、Z形管等以便进行分析计算；

(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；

(3)选用H形补偿器时，宜将其设置在两固定的中部；

(4)固定点宜靠近需要限制分支管位移的地方；

(5)固定点应设置在需要承受管道振动、冲击载荷或需要限制管道

多方向位移的地方；

(6)作用于管道中固定点的载荷，应考虑其两侧各滑动支架的摩擦

反力；

(7)进出装置的工艺管道和非常温的公用工程管道，宜在装置分界

处设固定点。并应与内部工艺人员协商。

4、泵管道支架设置的要点

各类泵嘴均有荷载限制，支吊架设置时应考虑以下因素：

(1)在靠近泵的管段上设置支、吊架或弹簧支吊架；

(2)泵出口管嘴垂直向上时，在距泵最近拐弯处，于泵基础以外的

位置设置支架；也可和泵管口上方的拐弯处设置吊架；

(3)对于大型机泵的高温进出口管道，为减轻泵管口受力而设置的

支架应尽量使约束点和泵管口之间的相对热伸量最小；

（4）泵的水平吸入管道宜在靠近泵的管段上设置可调支架，也可采

用弹簧支吊架；

（5）为防止往复泵管道的振动，应缩短管道支架之间的距离，尽量

采用管卡型支架，不宜采用吊架；

（6）泵附属小管道应尽量成组布置，以便安装支架；

（7）未经泵制造厂许可，不得在泵底座上安装支架。

5、压缩机进出口管道支架的设计的要点

（1）往复式压缩机的吸入和排出管道上的管架（或管墩）宜与建、

构筑物基础脱开；不宜在楼板和平台上生根，当设计独立的管架（或

管墩）时，第一个支架应靠近压缩机；

（2）往复式压缩机吸入和排出管道支架（或管墩）的高度应尽可能

低些，以便于管道的支承；

（3）往复式压缩机的管道抑振管架宜设在管道集中荷载处、管道拐

弯、分支以及标高有变化处；

（4）由于离心式压缩机吸入和排出管口一般均向下，机体热膨胀及

管道热膨胀均向下，因此管道支架宜采用弹簧支架或弹簧吊架

6、对于具有不同接触面的滑动支架，如何选取摩擦系数

摩擦系数|J的取值如下：

钢对钢滑动摩擦：|J=0.3；

钢对钢滚动摩擦：|J=0.1；

不锈钢对聚四氟乙烯滑动摩擦：|J=0.1；

钢对混凝土滑动摩擦：|J=0.6

七、管托设计和选用

常用管托有滑动管托、固定管托、弹簧管托、弹簧吊架、导向支架、

限位支架，

①、滑动管托用在滑动支架上，管托的地板不与支架焊死，管托的肋

板与管道焊死；

②、固定管托用在固定支架上，管托的地板与支架上的预埋钢板焊死,

管托的肋板与管道焊死即可形成固定支架；

③、弹簧管托、弹簧吊架是用来支撑有垂直位移的管道的管托；

④、导向支架是用来限制管道径向位移的支架，做法是在滑动管托的

两侧焊角钢或钢板；

⑤、限位支架，限制管道