管道應力分析講座

1、管道應力分析講座 1.1 管道應力分析的內容管道應力分析包括靜力分析和動力分析兩部分。管道應力分析1.1.1 靜力分析1）壓力荷載和持續(xù)荷載作用下的一次應力計算防止塑性變形破壞（W+P）； 一次應力：是指由于外加荷載，如壓力，重力和內壓等的作用而產(chǎn)生的應力。一次應力的特點是：它滿足與外加荷載的平衡關系，隨外加荷載的增加而增加，且無自限性，當其值超過材料的屈服極限時，管道將產(chǎn)生塑性變形而破壞。 2）管道熱脹冷縮以及端點附加位移等位移荷載作用下的二次應力計算防止疲勞破壞（T）； 二次應力：是由于管道受溫度影響變形受到約束而產(chǎn)生的應力，它不直接與外力平衡。二次應力的特點是具有自限制性，當管道局部屈服

2、和產(chǎn)生小量變形時應力就能降低下來。 3）管道對設備作用力的計算防止作用力太大，保證設備正常運行； 4）管道支吊架的受力計算為支吊架設計提供依據(jù)； 5）管道上法蘭的受力計算防止法蘭匯漏。管道應力分析1.1.2 動力分析化工管道的振動，經(jīng)常會引起管系和管架的疲勞破壞，建筑物誘發(fā)振動和噪音等，嚴重的影響整個裝置的正常運行?；す艿乐薪?jīng)常遇到的振動有往復式壓縮機及往復泵進出口管道的振動，兩相流管道呈柱塞流時的振動，水錘，安全閥排氣系統(tǒng)產(chǎn)生振動，風載荷、地震載荷引起振動等，管系設計時要考慮防止或控制管道發(fā)生振動和共振。振動分析主要包括以下內容： l）管道自振頻率分析防止管道系統(tǒng)共振； 2）管道強迫振動響

3、應分析控制管道振動及應力； 3）往復壓縮機（泵）氣（液）柱頻率分析防止氣柱共振； 4）往復壓縮機（泵）壓力脈動分析控制壓力脈動值?？偨Y：我們分析出來要得到的結果重點就是一次應力、二次應力、設備管口的受力和管道支吊架的受力。管道應力分析1.2 管道應力分析的目的管道應力分析應保證管道在設計下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、端點附加位移、管道支承設置不當?shù)仍蛟斐傻南铝袉栴}：管道應力過大或者金屬疲勞引起的管道或者支架破壞；管道連接處產(chǎn)生泄漏；管道推力和力矩過大，使與其連接的設備產(chǎn)生過大的應力或變形，影響設備正常運行。管道應力分析1.3 管道應力分析合格的標準管道上各點的一次應力和二次應力值應小

4、于許用應力范圍；管道對設備管口的推力和力矩應在允許的范圍內；管道支吊架受力應能滿足支吊架本身結構強度和與之生根的土建結構強度；管道的最大位移量應能滿足管道布置的要求。管道應力分析2.1 材料特性在應力計算中總是需要考慮的是材料的許用應力、彈性模量、平均線膨脹系數(shù)等。管道應力分析2.1.1 許用應力(鋼管)見工業(yè)金屬管道設計規(guī)范(2008年版)-附錄 A 金屬管道材料的許用應力-表A.0.1 常用鋼管許用應力管道應力分析2.1.2 金屬材料物理性質見工業(yè)金屬管道設計規(guī)范(2008年版)-附錄 B 金屬管道物理性質-表B.0.1 金屬材料的彈性模量-表B.0.2 金屬材料的平均線膨脹系數(shù)值管道應力

5、分析3.1 管系內應力的評定 管道上各點的一次應力值和二次應力值應小于許用應力范圍；即：(一次) t；(二次) f(1.25c+1.25t(一次)。從公式中可以知道一次應力值和二次應力值與鋼管許用應力直接相關，對于焊接管道一定要計入焊接接頭系數(shù)Ej。管道應力分析3.2 附加位移Y =H（T-20） mm 應力分析計算不僅要考慮設備管口的位移量，還要考慮生根在設備上的支吊架的位移量。管道應力分析3.3 彈簧支吊架3.3.1 彈簧支吊架在管道設計中的應用3.3.2 CAESAR應力計算軟件選用彈簧的原則 3.3.3 彈簧在CAESAR進行管道應力分析時的合理使用3.3.4 熱態(tài)吊零與冷態(tài)吊零的合理

6、使用 管道應力分析3.3.1 彈簧支吊架在管道設計中的應用對于有彈簧作為管道支吊架的管系，管道在運行過程中(冷態(tài)或熱態(tài))，會受到彈簧支吊架與其重量不平衡的附加力,而且管道垂直位移愈大，其荷載變化率也愈大，為此，通常選用時均把彈簧荷載變化率控制在25%以內。管道設計中，當管道支承點處有較大垂直位移時，該點產(chǎn)生脫空或過大推力, 使支架失去其承載功能，該荷載轉移將造成管道一次應力增大或鄰近支架(或設備)超載；或將使管道產(chǎn)生較大的二次應力, 對管道和支吊架都不利。這時管道支承點處就需要采用彈簧支吊架。另外，在與敏感機械設備相連接的管道處, 也常常采用彈簧支吊架?？傊?，彈簧支吊架主要解決管道有垂直位移時

7、的支撐問題和減小敏感設備的受力問題，對管系能否正常運行起著重要作用。不過，需要強調的是，由于彈簧支吊架的剛度遠低于剛性支吊架，如果設置太多，則會造成管系不穩(wěn)，產(chǎn)生偏斜和振動。彈簧支吊架必須嚴格按照設計要求定位和裝配，在施工安裝過程中，定位裝置應保持不動，直到整個管系安裝完畢且試壓完成后，管系升溫之前將定位裝置取出，使彈簧正常工作。否則，會出現(xiàn)彈簧卡死、繞中心軸歪斜等現(xiàn)象，造成彈簧支吊架失效。管系運行前，必須仔細檢查定位裝置是否取出，使彈簧正常發(fā)揮作用。此外，在管系處于冷態(tài)(非操作工況) 時，如果彈簧支吊點處荷載過大，也會使彈簧裝置變形，甚至毀壞，因而往往要增加保護裝置，如彈簧箱，加厚殼體鋼板等

8、措施。在實際工程中，因為設計彈簧支吊架元件時，采用較大的安全系數(shù)，所以發(fā)生失效的情況并不多見。 管道應力分析3.3.2 CAESAR應力計算軟件選用彈簧的原則管道系統(tǒng)是一個超靜定結構，其自重荷載在各支吊架間分配。常用的管道荷重分配方法有三種：吊零分配法； 靜力平衡法； 簡支梁法。當用CAESAR計算管系時，就是用吊零分配法，另外兩種方法是手算時常用的，但比較復雜。吊零分配法就是按每個支吊點處管道自重產(chǎn)生的垂直位移為零的條件來分配荷重。它是一種按變形條件分配的原則。有時侯，我們希望垂直管道或水平管道的重量盡量由彈簧支吊架來承擔，就采用對某些支吊點給定荷載，而對一般(多數(shù)) 的支吊架按支吊點處垂直

9、位移為零的變形條件分配荷重。在計算程序中，計算機以虛擬的大剛度支吊架代替吊零處的彈簧支吊架，即此點垂直位移為零，進行吊零分配荷載。當我們把整個管系的有關數(shù)據(jù)輸入CAESAR 計算程序后，即可得知管系支吊點處的工作載荷、熱位移方向及大小。在CAESAR計算中，支吊架彈簧的選用原則是：在彈簧特性能承受冷態(tài)荷載和熱態(tài)荷載，而且荷載變化率不超過規(guī)定值的前提下，力求選用較小規(guī)格的彈簧。當所選用的彈簧其荷載變化率25%時，應減小彈簧剛度，另選位移范圍大一級的彈簧。 管道應力分析3.3.3 彈簧在CAESAR進行管道應力分析時的合理使用CAESARII作為管道應力計算軟件，正在被越來越多的工程公司和應力分析

10、工作者所采用，對于彈簧支吊架的各種建模方法，可參考CASESARII軟件應用指南進行。在工程設計中經(jīng)常會遇到多工況的應力計算，如泵的一開一備、分子篩的再生與吸附等，此外對于液體管線，CAESARII軟件報告中默認給出理論安裝載荷，而與實際安裝載荷有偏差的情況經(jīng)常出現(xiàn)，在管道未投入使用前，而彈簧定位銷已被去掉，彈簧不平衡力就會對管道產(chǎn)生過多的應力，特別是在管線管徑DN500時，管內流體的重量要已大于管道本身的重量，表現(xiàn)尤為明顯。為此，作為應力分析者應在分析報告中給出此工況的應力情況，在CAESARII軟件中，以一開一備，介質為液體管線為例，可按下列步驟進行工況的組合設計，首先在Model菜單中打

11、開Hanger Design Control Data，見圖1，對“No. of Hanger Design Operating Cases”選項，選擇2，即按照兩種工況對彈簧進行選用，勾選“Calculate Actual Cold Loads”選項，允許報告中給出彈簧實際安裝載荷，對“Multiple Load Case Design Options”選項，可根據(jù)實際運行工況，在13種工況中選擇一項，例如選擇11-Maximum Travel；其次按照圖2進行載荷工況編輯；最后按照圖3進行載荷工況選項選擇，即可在報告表中得到WNC + H(SUS)工況中的管道的應力情況和實際安裝載荷，為管

12、道分析分析設計者提供所需數(shù)據(jù)。 管道應力分析圖1 彈簧設計控制數(shù)據(jù) 圖2 載荷工況編輯 圖3 載荷工況選項 管道應力分析3.3.4 熱態(tài)吊零與冷態(tài)吊零的合理使用工程界對熱態(tài)吊零和冷態(tài)吊零的作用有不同看法，有的認為熱態(tài)吊零對管道運行狀態(tài)比較有利，有的認為冷態(tài)吊零便于安裝，具體的優(yōu)缺點在CAESARII技術參考手冊中有詳細的介紹。CAESARII中默認為熱態(tài)吊零選擇彈簧，在運用軟件時可通過選擇調用不同的設計選項，并且一個文件中可以使用任意彈簧表的組合。具體為：Extended Range（得到擴展的載荷范圍）Cold Load Design（得到彈簧的冷態(tài)吊零設計）get the Hot load

13、 centered if possible（如可能可得到居中的熱載荷）管道應力分析4.1 波紋補償器類型約束類型產(chǎn)品類型吸收位移形式無約束型通用型(TB型)波紋補償器軸向串式通用型(TCB型)波紋補償器通用型(TA型)波紋補償器復式軸向型(ZA型)波紋補償器外壓軸向型(WDB型)波紋補償器小拉桿三向型(XHB型)波紋補償器橫向、軸向、角向約束型直管壓力平衡型(ZPB型)波紋補償器軸向旁通軸向壓力平衡型(ZPP型)波紋補償器軸向曲管壓力平衡型(QPHB型)波紋補償器橫向、軸向大拉桿橫向型(DHB型)波紋補償器橫向鉸鏈橫向型(JHB型)波紋補償器橫向萬向角橫向型(WJHB型)波紋補償器橫向角向型(

14、JB型)波紋補償器角向萬向角型(WJB型)波紋補償器角向管道應力分析萬向角型(WJB型)波紋補償器管道應力分析串式通用型(TCB型)波紋補償器管道應力分析曲管壓力平衡型(QPHB型)波紋補償器管道應力分析大拉桿橫向型(DHB型)波紋補償器管道應力分析4.2 波紋補償器選用注意事項應根據(jù)介質特性判斷是否適合使用波紋補償器根據(jù)現(xiàn)有管道布置確定選用什么形式的波紋補償器(補償軸向、橫向還是角向位移)選用無約束型時，應該核算軸向力(盲板力)對設備管口、固定支架及管系的應力影響膨脹節(jié)補償能力通常參照廠家樣本管道應力分析4.3 波紋補償器訂貨須知波紋波補償位號、型式、公稱壓力等級需要提供介質的操作及設計參數(shù)

15、波紋波補器端面連接型式及安裝型式波紋補償器設計補償能力波紋補償器所執(zhí)行的標準特殊要求管道應力分析膨脹節(jié)數(shù)據(jù)表5.1 管道支吊架的合理使用為保證管口受力在合適的范圍內，通常使用特殊管架(導向架、限位支架等)，以保證與設備管口相連接的工藝管道不把過多的水平推力轉移到設備上；對于限位架、導向架均應具有足夠的剛度，以保證其發(fā)揮應有的作用，一般情況下，管道與限位架生根所在的梁、柱之間有一段距離，若中間連接件結構形式不當或生根部位強度不夠，均會導致總體限位剛度不足，使限位架起不到應起的作用，單股懸臂的情況應當避免，對于所生根梁柱也應注意對其局部加固 (比如加肋板對鋼梁梁翼進行加固) ；此外對于敏感動設備(

16、離心式壓縮機、汽輪機)，靠近設備管口第一個管架建議使用可變彈簧架，對于選用的可變彈簧盡量使荷載變化率控制在10%以內，以便彈簧荷載變化引起的不平衡力盡量偏小，從而保證管口受力在合理的范圍內。 管道應力分析6.1 CAESARII基于的力學模型-3D梁單元管道模型最終能夠簡化為純力學模型主要的變形特征為彎曲每一個單元的力學行為均通過端點來描述，包括推力、位移、應力計算梁單元構造的管道分析模型所需要的材料基本參數(shù)包括：剛度、直徑、壁厚、長度、彈性模量、泊松比、線脹系數(shù)、密度等等管道應力分析6.2 3D梁單元的力學假設梁單元的使用將把管道模擬為剛性桿，其力學特性需要做以下假設：忽略局部變形（不考慮大

17、直徑管道的失穩(wěn)）；假設管道任意截面不出現(xiàn)翹曲（即認為管道遵循純彎曲變形）；假設不考慮管道之間的碰撞影響；剪切力不是分析的重點；支撐作用在單元中心線上；梁單元上純彎曲的概念：當梁發(fā)生純彎曲時，各截面上的彎矩值唯一（整個截面的彎矩由唯一值表示），且不存在剪力，截面發(fā)生轉動，梁軸線變?yōu)榛【€，但轉動后各截面仍為平面。在這種假設下，應力S=M/Z.（胡克定律）如果不使用純彎曲假設，則上式不一定適用。管道應力分析6.2.4 大口徑管道應力分析CAESARII中針對管道的應力增大系數(shù)(SIF)的計算公式及軟件的計算過程均針對D/t100，當D/t100時，管道進入薄壁系列，其局部失穩(wěn)特性開始表現(xiàn)出來，此時再

18、按照管道標準進行計算將引起誤差?？梢允褂糜邢拊治鲕浖?NozzlePro/FEpipe)進行計算。管道應力分析7.1 設備管口荷載的評定管道的應力分析除要保證管道內的應力符合要求外，還應使管道對設備管口的反力小于設備管口的許用值，以保證設備能夠安全運行。設備管口的許用載荷一般由制造商提出，當制造商無數(shù)據(jù)時，可按下列規(guī)定進行評定。容器和熱交換器上的管口許用載荷離心泵管口的許用載荷離心式壓縮機管口的許用載荷往復式壓縮機管口的許用載荷蒸汽輪機管口的許用載荷空冷器管口的許用載荷加熱爐管口的許用載荷板式換熱器管口的許用載荷 管道應力分析7.1.1 容器和熱交換器上的管口許用載荷壓力容器(如塔、儲罐、換

19、熱器和反應器)上的管口載荷原則上應提交給設備專業(yè)，由設備專業(yè)用WRC107或其他局部應力分析軟件對管口的應力進行校核。但實際上設備專業(yè)不可能對每一個管口都進行校核，而是通常用一個較為保守的經(jīng)驗值作為壓力容器上管口的許用載荷。當實際計算的管口載荷小于此經(jīng)驗值時，可認為管口是安全的。通常，各個大型的工程公司均有自己相應的經(jīng)驗值或經(jīng)驗公式。詳見：化工裝置管道機械設計技術規(guī)定 HG/T 20645.5-1998 表13.2.2-1 許用載荷 詳見：化工工藝設計手冊(第四版)下冊 表29-3 壓力容器和熱交換器管口的許用載荷 管道應力分析7.1.2 離心泵管口的許用載荷對于API泵，其管口許用載荷應符合API 610規(guī)定對于ISO 泵，其管口許用載荷應符合ISO 5199規(guī)定管道應力分析7.1.3 離心式壓縮機管口的許用載荷離心式壓縮機進出口的許用載荷應符合A