管道應(yīng)力分析及計算

1、管道應(yīng)力分析專題一、管道應(yīng)力分析的目的一、管道應(yīng)力分析的目的1 1、使管道應(yīng)力在規(guī)范的許用范圍內(nèi)，保證管道系、使管道應(yīng)力在規(guī)范的許用范圍內(nèi)，保證管道系統(tǒng)的整體安全統(tǒng)的整體安全2 2、使動（靜）設(shè)備管口載荷符合制造商或公認(rèn)的、使動（靜）設(shè)備管口載荷符合制造商或公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)使其能長周期、平穩(wěn)運轉(zhuǎn)使其能長周期、平穩(wěn)運轉(zhuǎn)3 3、給結(jié)構(gòu)及各種支撐提供設(shè)計載荷、給結(jié)構(gòu)及各種支撐提供設(shè)計載荷4 4、確定管道熱位移及各種沖擊載荷所導(dǎo)致的管道、確定管道熱位移及各種沖擊載荷所導(dǎo)致的管道位移位移5 5、解決管道動力學(xué)問題：機(jī)械振動、脈動、安全、解決管道動力學(xué)問題：機(jī)械振動、脈動、安全閥排放等閥排放等6 6、優(yōu)化配

2、管設(shè)計、優(yōu)化配管設(shè)計 二、管道應(yīng)力分析基礎(chǔ)知識二、管道應(yīng)力分析基礎(chǔ)知識2.12.1、應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)力狀態(tài)2.22.2、材料的機(jī)械性能、材料的機(jī)械性能2.32.3、強(qiáng)度理論、強(qiáng)度理論2.42.4、管道變形的基本形式、管道變形的基本形式2.52.5、管道中的應(yīng)力狀態(tài)、管道中的應(yīng)力狀態(tài)2.62.6、管道應(yīng)力分類、管道應(yīng)力分類2.6.12.6.1、應(yīng)力分類校核遵循的原則、應(yīng)力分類校核遵循的原則2.6.22.6.2、管道應(yīng)力分析中的應(yīng)力分類、管道應(yīng)力分析中的應(yīng)力分類2.6.32.6.3、管道應(yīng)力分析中一次和二次應(yīng)力超標(biāo)原因、管道應(yīng)力分析中一次和二次應(yīng)力超標(biāo)原因2.72.7、管道應(yīng)力

3、分析所遵循的標(biāo)準(zhǔn)、管道應(yīng)力分析所遵循的標(biāo)準(zhǔn)三、管道的柔性設(shè)計三、管道的柔性設(shè)計3.13.1、柔性定義及柔性設(shè)計的方法和目的、柔性定義及柔性設(shè)計的方法和目的a)a)定義定義b)b)目的目的c)c)設(shè)計方法設(shè)計方法d)d)端點位移考慮端點位移考慮3.23.2、是否進(jìn)行詳細(xì)柔性設(shè)計的判別方法、是否進(jìn)行詳細(xì)柔性設(shè)計的判別方法a)a)應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)柔性設(shè)計的管道應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)柔性設(shè)計的管道b)b)可以不進(jìn)行詳細(xì)柔性設(shè)計的管道可以不進(jìn)行詳細(xì)柔性設(shè)計的管道c)c)判別式的使用方法與注意事項判別式的使用方法與注意事項3.33.3、管道的熱補(bǔ)償、管道的熱補(bǔ)償三、管道的柔性設(shè)計三、管道的柔性設(shè)計3.43.4、應(yīng)力增大因子

4、、應(yīng)力增大因子3.53.5、柔性分析方程、柔性分析方程3.63.6、彈性模量隨溫度變化效應(yīng)、彈性模量隨溫度變化效應(yīng)3.73.7、柔性分析的另一規(guī)則柔性分析的另一規(guī)則四、管道應(yīng)力分析的職責(zé)四、管道應(yīng)力分析的職責(zé)4.14.1、應(yīng)力分析（靜力分析、動力分析）、應(yīng)力分析（靜力分析、動力分析）; ;4.24.2、對重要管線的壁厚進(jìn)行計算，包括特殊管件的應(yīng)力、對重要管線的壁厚進(jìn)行計算，包括特殊管件的應(yīng)力分析；分析； 4.34.3、對動設(shè)備（機(jī)泵、空冷器、透平等）管口受力進(jìn)行、對動設(shè)備（機(jī)泵、空冷器、透平等）管口受力進(jìn)行校核計算；校核計算；4.44.4、管架設(shè)計；、管架設(shè)計；4.54.5、審核供貨商文件；、

5、審核供貨商文件；4.64.6、編制、修改相關(guān)規(guī)定；、編制、修改相關(guān)規(guī)定； 4.74.7、編制應(yīng)力分析及管架設(shè)計工程規(guī)定；、編制應(yīng)力分析及管架設(shè)計工程規(guī)定；4.84.8、本專業(yè)人員培訓(xùn)；、本專業(yè)人員培訓(xùn)；4.94.9、進(jìn)度、質(zhì)量及人工時控制、進(jìn)度、質(zhì)量及人工時控制 ；4.104.10、參加現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)；、參加現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)；五、管道機(jī)械專業(yè)（應(yīng)力分析）常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范五、管道機(jī)械專業(yè)（應(yīng)力分析）常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范1 1、GB50316-2000GB50316-2000工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范2 2、HG/T20645-1998HG/T20645-1998化工裝置管道機(jī)械設(shè)計規(guī)定化工裝置管

6、道機(jī)械設(shè)計規(guī)定3 3、SH/T3041-2002SH/T3041-2002石油化工企業(yè)管道柔性設(shè)計規(guī)范石油化工企業(yè)管道柔性設(shè)計規(guī)范4 4、GB150GB150鋼制壓力容器鋼制壓力容器5 5、JB/T8130.1-1999 JB/T8130.1-1999 恒力彈簧支吊架恒力彈簧支吊架6 6、JB/T8130.2-1999 JB/T8130.2-1999 可變彈簧支吊架可變彈簧支吊架7 7、GB 50251-2003 GB 50251-2003 輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范8 8、GB 50253-2003 GB 50253-2003 輸油管道工程設(shè)計規(guī)范輸油管道工程設(shè)計規(guī)范9 9、A

7、SME/ANSI B31.1 - Power PipingASME/ANSI B31.1 - Power Piping1010、ASME/ANSI B31.3 Process PipingASME/ANSI B31.3 Process Piping1111、ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution piping Distribution piping systemssystems1212、ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission

8、 and ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systemsDistribution piping systems1313、API610 - API610 - 離心泵離心泵1414、NEMA SM23 - NEMA SM23 - 透平透平1515、API617 - API617 - 離心式壓縮機(jī)離心式壓縮機(jī)1616、API618 - API618 - 往復(fù)式壓縮機(jī)往復(fù)式壓縮機(jī)1717、API661 - API661 - 空冷器空冷器1818、ANSI/B31.1ANSI/B31.1、APIRP520 - APIRP5

9、20 - 安全閥、爆破膜安全閥、爆破膜六、工程設(shè)計階段管機(jī)專業(yè)的任務(wù)六、工程設(shè)計階段管機(jī)專業(yè)的任務(wù)6.16.1、初步設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計階段、初步設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計階段 編制工程設(shè)計規(guī)定編制工程設(shè)計規(guī)定( (應(yīng)力分析、管架設(shè)計應(yīng)力分析、管架設(shè)計) () (四級簽四級簽署署) )； (2) (2) 參加設(shè)備布置工作；參加設(shè)備布置工作； (3) (3) 對主要管線的走向進(jìn)行應(yīng)力分析和評定對主要管線的走向進(jìn)行應(yīng)力分析和評定。6.26.2、詳細(xì)設(shè)計階段、詳細(xì)設(shè)計階段 修訂工程設(shè)計規(guī)定修訂工程設(shè)計規(guī)定( (應(yīng)力分析、管架設(shè)計應(yīng)力分析、管架設(shè)計) ) ( (四級簽署四級簽署) )； 重要管線的壁厚計算，特殊管件的應(yīng)

10、力分析；重要管線的壁厚計算，特殊管件的應(yīng)力分析； 編制臨界管線表編制臨界管線表( (三級簽署三級簽署) ) 應(yīng)力分析管線表應(yīng)力分析管線表 靜力分析靜力分析 應(yīng)力分析應(yīng)力分析 ( (三、四級三、四級) )； 動力分析動力分析 臥式容器固定端確定，立式設(shè)備支耳標(biāo)高確定；臥式容器固定端確定，立式設(shè)備支耳標(biāo)高確定； 支管補(bǔ)強(qiáng)計算；支管補(bǔ)強(qiáng)計算； 動設(shè)備許用荷載校核動設(shè)備許用荷載校核( (四級四級) ) 夾套管夾套管( (蒸汽、熱油、熱水蒸汽、熱油、熱水) )計算計算( (端部強(qiáng)端部強(qiáng)度計算、內(nèi)部導(dǎo)向翼板位置確定、同時度計算、內(nèi)部導(dǎo)向翼板位置確定、同時包括任何應(yīng)力分析管道的所有內(nèi)容包括任何應(yīng)力分析管道的

11、所有內(nèi)容) )； 往復(fù)式壓縮機(jī)、往復(fù)泵動力分析往復(fù)式壓縮機(jī)、往復(fù)泵動力分析( (四級四級) )； 安全閥、爆破膜泄放反力計算；安全閥、爆破膜泄放反力計算； 結(jié)構(gòu)、建筑荷載條件；結(jié)構(gòu)、建筑荷載條件； 設(shè)備管口荷載、預(yù)焊件條件；設(shè)備管口荷載、預(yù)焊件條件； 編制彈簧架采購編制彈簧架采購MRMR文件及彈簧架技術(shù)數(shù)據(jù)文件及彈簧架技術(shù)數(shù)據(jù)表；表； 編制柔性件編制柔性件( (膨脹節(jié)、軟管等膨脹節(jié)、軟管等) )采購采購MRMR文件文件及技術(shù)數(shù)據(jù)表；及技術(shù)數(shù)據(jù)表；6.36.3 工程規(guī)定內(nèi)容工程規(guī)定內(nèi)容 A A、適用范圍；、適用范圍； B B、概述；、概述； C C、設(shè)計中采用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；、設(shè)計中采用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；

12、 D D、計算程序、計算程序( (軟件軟件) )； E E、設(shè)計溫度、壓力、安裝溫度、設(shè)計溫度、壓力、安裝溫度( (環(huán)境溫度環(huán)境溫度) )、壓力；、壓力； F F、設(shè)計荷載、設(shè)計荷載 風(fēng)壓值；風(fēng)壓值； 地震烈度；地震烈度； 雪荷載；雪荷載； 土壤的力學(xué)性質(zhì)；土壤的力學(xué)性質(zhì)；J J、其它、其它 壁厚計算壁厚計算A A、當(dāng)、當(dāng) B B、當(dāng)、當(dāng) t t 的確定應(yīng)根據(jù)斷裂理論、疲勞、熱應(yīng)力及材的確定應(yīng)根據(jù)斷裂理論、疲勞、熱應(yīng)力及材料特性等因素綜合考慮確定。料特性等因素綜合考慮確定。C C、外壓直管的壁厚，應(yīng)根據(jù)、外壓直管的壁厚，應(yīng)根據(jù)GB150GB150規(guī)定的方法確定。規(guī)定的方法確定。 D D、其它的

13、管件、其它的管件( (如如Y Y型三通、孔板等型三通、孔板等) )依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范(GB50316-2000)(GB50316-2000)公式進(jìn)行計算。公式進(jìn)行計算。 YP22PDt385.0P6Dtt0t0 時時且且 時時或或385.0P6Dtt0 臨界管線表臨界管線表公式法：公式法： D D0 0 管外徑管外徑(mm)(mm)Y Y 管段總位移管段總位移(mm) (mm) Y=(XY=(X2 2+Y+Y2 2 +Z +Z2 2) )1/21/2L L 管段兩個固定點的展開長度管段兩個固定點的展開長度(m) (AB+BC+CD)(m) (AB+BC+CD)U U 管段兩個固定點的

14、直線距離管段兩個固定點的直線距離(m) (AD(m) (AD間的直線距離間的直線距離) )( (依據(jù)依據(jù)ASME/ANSI B31.1ASME/ANSI B31.1及及B31.3)B31.3)3.208)UL(YD20 計算機(jī)計算計算機(jī)計算(BY COMPUTER(BY COMPUTER）（350350C)簡單手算簡單手算( (公式法、圖表法公式法、圖表法) )(BY FORMULA)(BY FORMULA)目測法目測法(BY VISUAL)(BY VISUAL)ABCD(固 定 )(固 定 )A A、靜力分析包含的內(nèi)容、靜力分析包含的內(nèi)容 a) a) 一次應(yīng)力計算及評定一次應(yīng)力計算及評定 防

15、止管道塑性變形破壞防止管道塑性變形破壞. . b) b) 二次應(yīng)力計算及評定二次應(yīng)力計算及評定 防止疲勞破壞。防止疲勞破壞。 c) c) 設(shè)備管口受力計算設(shè)備管口受力計算( (及評定及評定) ) 防止作用力太大，防止作用力太大，保證設(shè)備正常運行。保證設(shè)備正常運行。 d) d) 支承點受力計算支承點受力計算 為支吊架設(shè)計提供依據(jù)。為支吊架設(shè)計提供依據(jù)。 e) e) 管道上法蘭受力計算管道上法蘭受力計算 防止法蘭泄漏。防止法蘭泄漏。 f) f) 兩相流及液擊沖擊載荷計算兩相流及液擊沖擊載荷計算 為支吊架和結(jié)構(gòu)為支吊架和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。設(shè)計提供依據(jù)。B B、動力分析包含的內(nèi)容、動力分析包含的內(nèi)容

16、a)a)管道固有頻率分析管道固有頻率分析 防止共振。防止共振。 b)b)管道強(qiáng)迫振動響應(yīng)分析管道強(qiáng)迫振動響應(yīng)分析 控制管道振動及應(yīng)力?？刂乒艿勒駝蛹皯?yīng)力。 c)c)往復(fù)式壓縮機(jī)往復(fù)式壓縮機(jī)( (泵泵) )氣氣( (液液) )柱頻率分析柱頻率分析 防止氣柱防止氣柱共振。共振。 d)d)往復(fù)式壓縮機(jī)往復(fù)式壓縮機(jī)( (泵泵) )壓力脈動分析壓力脈動分析 控制壓力脈動控制壓力脈動值值(值值) )。C C、動力分析要點、動力分析要點b) b) 機(jī)器動平衡差機(jī)器動平衡差修改基礎(chǔ)設(shè)計修改基礎(chǔ)設(shè)計c)c)減少脈動和氣柱共振的方法：減少脈動和氣柱共振的方法：1)1)加大緩沖罐加大緩沖罐 依據(jù)依據(jù)API618AP

17、I618計算緩沖罐的體積，一計算緩沖罐的體積，一般為氣缸容積的般為氣缸容積的1010倍以上，使緩沖罐盡量靠近進(jìn)出倍以上，使緩沖罐盡量靠近進(jìn)出口，但不能放在共振管長位置?？?，但不能放在共振管長位置。2)2)兩臺或三臺壓縮機(jī)的匯集總管截面積至少為進(jìn)口管兩臺或三臺壓縮機(jī)的匯集總管截面積至少為進(jìn)口管截面積的三倍，且應(yīng)使柱塞流的沖擊力不增加。截面積的三倍，且應(yīng)使柱塞流的沖擊力不增加。 3)3)孔板消振孔板消振 在緩沖罐的出口加一塊孔板。在緩沖罐的出口加一塊孔板。 孔徑大?。嚎讖酱笮。?孔板厚度孔板厚度=3=35mm 5mm 孔板位置孔板位置 在較大緩沖罐的進(jìn)出口均可在較大緩沖罐的進(jìn)出口均可介介質(zhì)質(zhì)內(nèi)內(nèi)的

18、的聲聲速速氣氣體體流流速速VVU,UDd4 5.03.0Dd d)d)減少激振力減少激振力減少彎頭、三通、異徑管等管件。減少彎頭、三通、異徑管等管件。 改改9090。為彎頭為彎頭4545。彎頭。彎頭。e)e)改變（提高）管線的固有頻率，使其遠(yuǎn)離激振力頻率。改變（提高）管線的固有頻率，使其遠(yuǎn)離激振力頻率。 (1)(1)共振區(qū)域共振區(qū)域 放大因子放大因子W1 固有頻率（角頻）固有頻率（角頻）W0 激振頻率（角頻）激振頻率（角頻） 通 常通 常 W1應(yīng) 避 開應(yīng) 避 開 0 . 8 W0 1.2W0 的區(qū)域，在工程中的區(qū)域，在工程中最好避開最好避開 0.5W0 1.5W0的的范圍，這樣振幅較小。范圍

19、，這樣振幅較小。 (2)(2)通常通常W W1 1應(yīng)在應(yīng)在W W0 0（壓縮機(jī)的吸入或吸出頻率）的（壓縮機(jī)的吸入或吸出頻率）的1.21.2倍以上，設(shè)計時最好控制在倍以上，設(shè)計時最好控制在1.51.5倍以上。倍以上。(3)(3)激振力頻率激振力頻率n = n = 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分分 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù) )/1()(60nW0秒秒作作用用數(shù)數(shù)雙雙單單缸缸數(shù)數(shù) 振幅(4)控制壓力脈動控制壓力脈動 注：此為原蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)注：此為原蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)(5)(5)臥式容器固定端及立式設(shè)備支耳標(biāo)高確定臥式容器固定端及立式設(shè)備支耳標(biāo)高確定 提高管提高管道柔性，減小位移量，防止對設(shè)備管口的推力過大。道柔性，減小位移量，防止對設(shè)

20、備管口的推力過大。支管補(bǔ)強(qiáng)計算支管補(bǔ)強(qiáng)計算 降低局部應(yīng)力降低局部應(yīng)力 等面積補(bǔ)強(qiáng)等面積補(bǔ)強(qiáng) WRC329WRC329 動設(shè)備管口許用荷載校核動設(shè)備管口許用荷載校核 API 610;API 617; NEMA SM 23; API 661。 往復(fù)式機(jī)泵動力分析往復(fù)式機(jī)泵動力分析 安全閥，爆破膜泄放反力計算安全閥，爆破膜泄放反力計算( (見標(biāo)準(zhǔn)計算程序見標(biāo)準(zhǔn)計算程序) ) ANSI/B 31.1( (氣體氣體) )；API RP 520( (氣體、氣混氣體、氣混) )結(jié)構(gòu)，荷載條件：結(jié)構(gòu)，荷載條件： F1000Kgf，M750Kgf Bf Bf 梁翼緣寬度。梁翼緣寬度。 需提條件給土建需提條件給土

21、建 ：沉降量的考慮；儲罐抗震措施。：沉降量的考慮；儲罐抗震措施。設(shè)備管口荷載及預(yù)焊件條件設(shè)備管口荷載及預(yù)焊件條件 供設(shè)備專業(yè)校核供設(shè)備專業(yè)校核局部應(yīng)力和設(shè)計用局部應(yīng)力和設(shè)計用編編制彈簧架采購制彈簧架采購MR文件及彈簧架技術(shù)數(shù)據(jù)表文件及彈簧架技術(shù)數(shù)據(jù)表 選型、荷載、位移選型、荷載、位移串聯(lián)串聯(lián) 按最大荷載選彈簧按最大荷載選彈簧 位移按最大位移量分配位移按最大位移量分配并聯(lián)并聯(lián) 選同型號彈簧、荷載平均分配選同型號彈簧、荷載平均分配荷載變化率荷載變化率 國標(biāo)國標(biāo)2525（可改變）（可改變）編制柔性件編制柔性件（膨脹節(jié)、軟管等）（膨脹節(jié)、軟管等）采購采購MRMR文件及柔文件及柔性件技術(shù)數(shù)據(jù)表性件技術(shù)數(shù)

22、據(jù)表七、管道應(yīng)力分析中的特殊問題七、管道應(yīng)力分析中的特殊問題7.1、夾套管應(yīng)力分析、夾套管應(yīng)力分析7.2、埋地管應(yīng)力分析、埋地管應(yīng)力分析7.3、高壓管道應(yīng)力分析、高壓管道應(yīng)力分析八、有限元法在管道應(yīng)力分析中的應(yīng)用八、有限元法在管道應(yīng)力分析中的應(yīng)用九、管道應(yīng)力分析程序九、管道應(yīng)力分析程序9.1、CAESAR II軟件的應(yīng)用軟件的應(yīng)用9.2、AUTOPIPE軟件的應(yīng)用軟件的應(yīng)用十、管道支架設(shè)計十、管道支架設(shè)計10.1、管道支架的分類及定義、管道支架的分類及定義按支架的作用分為三大類：按支架的作用分為三大類：承重架、限制性支架和減振承重架、限制性支架和減振架。架。1）承重架）承重架 : 用來承受管道

23、的重力及其它垂直向下載荷的用來承受管道的重力及其它垂直向下載荷的支架支架( (含可調(diào)支架含可調(diào)支架) )。a）滑動架：）滑動架：在支承點的下方支撐的托架，除垂直方向在支承點的下方支撐的托架，除垂直方向支撐力及水平方向摩擦力以外，沒有其他任何阻力。支撐力及水平方向摩擦力以外，沒有其他任何阻力。b）彈簧架：）彈簧架：包括恒力彈簧架和可變彈簧架。包括恒力彈簧架和可變彈簧架。c ）剛性吊架：）剛性吊架：在支承點的上方以懸吊的方式承受管道在支承點的上方以懸吊的方式承受管道的重力及其他垂直向下的荷載，吊桿處于受拉狀態(tài)。的重力及其他垂直向下的荷載，吊桿處于受拉狀態(tài)。d）滾動支架：）滾動支架：采用滾筒支承，摩

24、擦力較小。采用滾筒支承，摩擦力較小。 10.2、管道跨距及導(dǎo)向間距、管道跨距及導(dǎo)向間距1）管道跨距）管道跨距 強(qiáng)度及剛度兩項控制強(qiáng)度及剛度兩項控制 a)力學(xué)模型力學(xué)模型 強(qiáng)度條件：連續(xù)敷設(shè)水平直管允許跨距強(qiáng)度條件是管強(qiáng)度條件：連續(xù)敷設(shè)水平直管允許跨距強(qiáng)度條件是管道中最大道中最大 縱向應(yīng)力不得大于設(shè)計溫度下的材縱向應(yīng)力不得大于設(shè)計溫度下的材料的許用應(yīng)力。料的許用應(yīng)力。b)管道跨距計算管道跨距計算c) 不考慮內(nèi)壓最大允許跨距不考慮內(nèi)壓最大允許跨距d)考慮內(nèi)壓最大允許跨距考慮內(nèi)壓最大允許跨距10.2、管道跨距及導(dǎo)向間距、管道跨距及導(dǎo)向間距2）導(dǎo)向間距：）導(dǎo)向間距： a）水平管）水平管 b）垂直）垂直DNPTLTCMLMCMT3”1500150015006006006004”2100210021001100110011006”4600460046003400340034008”60006000600057005700570010”760076007600690069