管道與儲罐強度-2地上管道

1、第2章 地上管道主講：帥健 教授地上管道 使用場合：長輸管道跨越：山谷、河流，通過沼澤、沙漠及永久凍土帶等地區(qū)時采用地面架設(shè) ；站場及廠區(qū)管道，常設(shè)置在地面管架（管墩）上或地下管溝中； 優(yōu)點：不影響土壤環(huán)境，且不受地下水位的影響，檢修方便，發(fā)現(xiàn)和清除事故容易。 缺點：限制了通道的高度，不美觀；管道直接設(shè)置在空氣中，對于非常溫管增加了熱冷能量的損失。2-1 地上管道的支承形式地上管道是由支架或管架支承，支承的形式種類繁多。按支架高低按管架的結(jié)構(gòu)形式按支架對管道的約束形式管道的跨越形式支承形式 按支架高低分： 低支架敷設(shè) 中支架和高支架敷設(shè) 沿墻敷設(shè)低支架敷設(shè)距地面的凈空約0.5米，防止地面水的侵

2、襲和節(jié)約材料。施工、維護和檢修方便，節(jié)約材料。缺點： 線路規(guī)劃不當，將嚴重影響交通。中支架和高支架敷設(shè) 在人行交通頻繁的地方，采用中支架，支架凈空高度約2.53.0米。 在跨越鐵路或公路的地方采用高支架，高支架凈空高度約4.56.5米，甚至更高。 缺點： 投資大，耗材多，維修困難。管道跨越鐵路與道路凈空高度 類型凈空高度（m）類型凈空高度（m）人行道路3.5鐵路6.57.0公路5.5電氣化鐵路11沿墻敷設(shè) 當管徑不大、管數(shù)不多時可以采用懸臂托架，將管道敷設(shè)在建筑物的墻上。 不需另設(shè)支柱。 應(yīng)校核墻體的穩(wěn)定性，并應(yīng)注意不要影響廠房的采光和窗扇的開啟。按管架的結(jié)構(gòu)形式分類 分獨立式和組合式。 獨立

3、式管架：管架之間沒有任何聯(lián)系結(jié)構(gòu)，獨立地支承管道； T形和形，它們又可做成單層和雙層，根據(jù)安裝管道的多少來選用，從結(jié)構(gòu)上可分為單片平面管架、空間剛架和塔架等。 組合式管架 把各自獨立的管架聯(lián)接起來，形成管架系統(tǒng)。 常見形式： 縱梁式等：比較宏偉，剛度也大，一般用于多根小直徑管道在一起平行敷設(shè)，或在管線上分支較多的情況下，如化工廠、煉油廠等工廠內(nèi)的室外管線。 桁架式按支架對管道的約束形式固定支架和活動支架通常每隔一定距離，就設(shè)置一個固定支架，在兩個固定支架中間設(shè)置一個補償器。 兩個固定支架之間設(shè)活動支架，只作為管道支承，而不約束管道的熱膨脹。管道跨越形式長輸管道 梁式管道跨越以輸送管道作為梁的跨

4、越 “”形剛架管道跨越以輸送管道構(gòu)成“”形剛架桁架式管道跨越以輸送管道和其它構(gòu)件組成桁架結(jié)構(gòu)輕型托架式管道跨越以管道作為上弦桿、鋼索作為下弦桿組成托架結(jié)構(gòu)管道跨越形式長輸管道單管拱跨越以單根輸送管道作為拱形的跨越 組合管拱跨越以輸送管道及其它構(gòu)件組成拱形的跨越 管道跨越形式長輸管道懸纜式管道跨越輸送管道以懸垂形式吊掛在承重主索上的跨越 懸垂式管道跨越輸送管道以懸垂狀構(gòu)成自承式的跨越 管道跨越形式長輸管道懸索式管道跨越輸送管道以平直形狀吊掛在承重主索上的跨越 管道跨越形式長輸管道斜拉索管道跨越 輸送管道用多根斜向張拉鋼索連結(jié)于塔架和錨固墩上的跨越 管道跨越形式長輸管道2-1 地上管道的支承形式地

5、上管道是由支架或管架支承，支承的形式種類繁多。按支架高低按管架的結(jié)構(gòu)形式按支架對管道的約束形式管道的跨越形式支承形式2-2 架空管道的載荷計算除管道輸送介質(zhì)的內(nèi)壓外，架空管道上還作用有多種形式的載荷。根據(jù)管道施加的載荷，設(shè)計管架。 根據(jù)作用方向，分為 垂直載荷 水平載荷 軸向載荷1垂直載荷 垂直載荷包括管道自重、保溫結(jié)構(gòu)重量、管內(nèi)輸送介質(zhì)重量、管道附件重量等； 氣體管道在某些情況下尚應(yīng)考慮水壓試驗時的水重； 必要時考慮彈簧支吊架產(chǎn)生的作用載荷和位移； 低支架敷設(shè)時要考慮行人的重量； 明設(shè)管道要考慮冰雪載荷和積灰載荷等。總垂直載荷的計算 lqlqqqvwz)(2 . 1載荷系數(shù) 管道單位長度自重

6、，N/m 管道單位長度上保溫層重量，N/m 管道單位長度內(nèi)所輸送的液重，按充滿管道截面計算，N/m 管架間距，當管架兩側(cè)的間距不等時，取其平均值,m 2水平（橫向）載荷風載荷lDwKKTZW03 . 1載荷系數(shù) 風載體型系數(shù)，架空管道風載體型系數(shù) 風壓高度變化系數(shù) 基本風壓值(又稱標準風壓值)，取決于管架所在地點，它是指空曠地區(qū)10m高處30年一遇的10分鐘最大平均風壓值N/m2 3軸向載荷 軸向摩擦力 內(nèi)壓引起的不平衡軸向力（閥門、彎頭等處） 補償器的反彈力 為了適應(yīng)管道熱膨脹的要求，在架空管道中多設(shè)有補償器，一般設(shè)置在兩個固定管架之間，當管道受熱膨脹時，補償器被壓縮變形，由于補償器的剛度，

7、將產(chǎn)生一個抵抗壓縮的力量。 對于拐彎或附近設(shè)有支管的固定管架，尚有拐彎管或支管傳來的側(cè)向水平推力 2-3 管道跨度計算 地上管道，隔定的距離就要用管架（管墩）、吊架、托架來支承。 兩支承間的距離稱為管道跨度。 跨度計算是地上管道設(shè)計中的重要部分。 兩種條件： 強度 剛度一、按強度條件 管道截面上產(chǎn)生的最大應(yīng)力不得超過管材的許用應(yīng)力。 連續(xù)梁模型允許出現(xiàn)塑性變形最大彎矩和應(yīng)力彈性122l qMZl qZMb122塑性Z.ZZ2514ZqLZqLb151222qZLb15中跨跨度設(shè)計公式跨長許用應(yīng)力均布載荷截面系數(shù) 焊縫系數(shù) 中跨邊跨LL82. 0焊縫系數(shù)焊 接 情 況焊縫系數(shù)手工電弧焊070有墊

8、環(huán)對焊焊接090無墊環(huán)對焊焊接070手動雙面加強焊接095自動雙面焊接100自動單面焊接080二、按剛度條件確定管道跨度 管道在一定的跨度下總有一定的撓度，根據(jù)對撓度的限制所確定的管道允許跨度，叫做按剛度條件確定的管道跨度 兩種情況 不允許反坡 允許一定程度反坡 一般要求管道的坡度和撓度限制在一定范圍內(nèi)就可以，并不限制反坡。 如輸送特別粘稠介質(zhì)的管道或要求介質(zhì)在管內(nèi)能完全自流放空的管道，不允許出現(xiàn)反坡。允許反坡限制管道的撓度max0.1Dg 10246753110242248 . 02234ggDqEIxxxlxDqEIxqEIxl中跨近端直跨43222424210l124l210ggDEIx

9、EIxqqxDEIxxxq不允許反坡 通常只需要按強度條件決定跨度即可。 對于蒸汽管道或其它對撓度有特殊限制要求的管道，應(yīng)同時按強度條件和剛度條件計算跨度，最后選用兩者中數(shù)值較小者。35qEIlmax2-4 管道熱應(yīng)力計算（彈性中心法） 地面敷設(shè)管道受到來自管架、連接設(shè)備等的約束，因此，當溫度變化時，管道必然發(fā)生變形，管壁上由此產(chǎn)生熱應(yīng)力。 例2-1：設(shè)油罐進出油管線為1594.5鋼管，管材為A3鋼，操作溫度為60，若安裝溫度為0，當管線在1點處固定時，求管線的熱應(yīng)力和對油罐的推力。解：管道材料的熱脹系數(shù)和彈性模量C/1 10124202GPaE管子截面積為 31017. 2A溫差：T=60-

10、0=60 橫截面上的溫度應(yīng)力：=1.210-520210960=145.4MPa 管子對油罐的推力：P=316000N 將進出油管在罐前的固定點由1點改至2點 角形平面管道； 管系有大的變形能力； 管道的熱應(yīng)力和對油罐的推力大為降低； 力法。平面管系熱應(yīng)力的計算 彈性中心法（力法）分析法 圖解法查設(shè)計手冊 計算程序法計算機程序或商用有限元軟件 簡化計算方法不作詳細計算，直接判斷管道有無足夠補償能力 ASME B31.1和B31.3的判別式 08. 2)(2uLDg管子的公稱直徑，m 管道在溫度變化時的自由位移，等于兩個固定支座間的直線熱伸長量，mm 兩個固定支座間管道的實際總長度，m 兩個固定

11、支座間的直線長度，m 例2-2：如圖，在相距60m的固定支座的管道中，設(shè)計膨脹彎的尺寸h。假定直徑D=406mm，管道的安裝溫度為15，而運行溫度為80，管道材質(zhì)的彈性模量E=210GPa，=1.1210-5 1/。解： 管道安裝與運行時的溫度變化為： T=80-15=65 熱伸長量為： =UT=1.1210-56065=0.04368m=43.68mm 設(shè)計膨脹彎后，應(yīng)用簡易校核公式，得： 3 .208)60260(68.434062h求解：h=4.6mm 2-5 管道熱應(yīng)力的補償 在溫度較高的管道系統(tǒng)中，一般設(shè)置一些可伸縮的裝置或彎曲的管段，以增加管道的彈性，減小熱脹應(yīng)力。 這種能減小熱應(yīng)

12、力的裝置稱為補償器。 伸縮器 彎曲管段伸縮裝置 波紋管式和填料函式 彎曲管段：L形、Z形、形和形補償器。 形補償器用于小口徑管道。2-6 管道振動振動是一種現(xiàn)象；結(jié)構(gòu)振動有巨大的危害性；振動會引起管道和管架的疲勞損壞、建筑物誘發(fā)振動以及噪聲等。 管道產(chǎn)生振動的原因 流體（氣體或液體）脈動 往復式機泵進出口； 彎頭、異徑管、控制閥、盲板等 共振 當激發(fā)頻率與系統(tǒng)某階固有頻率相等時； 對管道組件，推薦的最低固有頻率是30Hz； 工程上的共振區(qū)范圍（0.81.2）fn 機泵本身的振動 動平衡性能差、安裝不對中、基礎(chǔ)設(shè)計不當?shù)?容許壓力脈動值（API 618-3.9.2.7） 5 . 011255.

13、1fdPPPp管道絕對壓力平均值，kPa 振動頻率，Hz 容許聲學振動力 5 . 030/7874fdFP要求的容器振動力，直到2000N最大峰值 振動力頻率，Hz（如果小于30Hz則使用30Hz） 允許氣流脈動引發(fā)的計量誤差（ISO3313） 1001215 . 0220QVE孔板流量計誤差，% 孔板流速，m3/s（峰值） 流經(jīng)孔板實際的平均流速， m3/s 容許壓力降 RRPd167. 1基于穩(wěn)定流經(jīng)振動抑制設(shè)備的最大壓力降值，以在該儀器進口的絕對平均管道壓力值的百分比表示，最低指導壓力下降比率是0.25% 在振動抑制儀器所處的管段，絕對排出壓力與絕對吸入壓力的比值 本章小結(jié) 地上管道有多種支承形式；其分類方式有：支座高低、結(jié)構(gòu)形式、約束形式和跨越形式。 地上