管道應(yīng)力及熱力管道培訓(xùn)講義

管道應(yīng)力及熱力管道培訓(xùn)講義

主要講以下幾項主要內(nèi)容：

應(yīng)力的概念、應(yīng)力分析的目的、應(yīng)力分析的方法、柔性設(shè)計、熱伸長

的計算、補償方法、常用的補償器、常用支架的種類、常用管托的種

類、推力計算

一、管道機械（管道應(yīng)力）

1.應(yīng)力

材料單位面積上受到的力。

2.一次應(yīng)力

由于外載（包括內(nèi)壓、管道自重、保溫材料、雪荷載）的作用所產(chǎn)生

的應(yīng)力。特點：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，（一般情況下一次

應(yīng)力超標是由于缺少管架或管架布置不當引起）。

3.二次應(yīng)力（溫度應(yīng)力、熱應(yīng)力）

是由于管道溫度升高、管道變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為二次應(yīng)

力。它由管道熱脹冷縮、端點位移等引起。（假如管道一端固定，另

一端自由則不產(chǎn)生應(yīng)力）。

二次應(yīng)力的特點是：具有自限性，當管道局部變形或產(chǎn)生小量變形時,

就能降低下來。二次應(yīng)力過大時，將使管道產(chǎn)生疲勞破壞。二次應(yīng)力

產(chǎn)生的破壞，是管系在冷熱狀態(tài)下的反復(fù)交變應(yīng)力作用下出現(xiàn)反復(fù)塑

性變形，并因塑性應(yīng)變的反復(fù)累計而引起疲勞破壞。因此，對二次應(yīng)

力的限定采用許用應(yīng)力范圍植和限定交變循環(huán)次數(shù)加以控制。

管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動力分析

靜力分析包括：

①壓力荷載和持續(xù)外載作用下的一次應(yīng)力計算一一防止塑性變形破

壞。

②管道熱脹冷縮以及端點附加位移荷載作用下的二次應(yīng)力計算一一

防止疲勞破壞。

③管道對設(shè)備作用力的計算一一防止作用力太大，保證設(shè)備正常運

行。

④管道支吊架的受力計算一一為支吊架設(shè)計提供依據(jù)。

⑤管道上法蘭的受力計算一一防止法蘭泄漏。

⑥管道位移計算一一防止管道碰撞和支吊點位移過大，或管道掉至

支架下面。

動力分析包括：

①管道自振頻率分析一一防止管道系統(tǒng)共振。

②管道強迫振動分析一一控制管道振動及應(yīng)力。

③往復(fù)式壓縮機氣柱頻率分析一一防止氣柱共振。

④往復(fù)式壓縮機壓力脈動分析一一控制壓力脈動值。

二、應(yīng)力分析的方法，常用的有三種

1、目測法：

目測人具有相當?shù)乃胶凸こ探?jīng)驗。

2、公式法：

(圖表法)常用的手冊有''簡明動力管道手冊小'熱力管道內(nèi)化工管路

設(shè)計手冊〃等

3.計算機計算法：

目前國際通用的管道應(yīng)力分析軟件為美國COADE公司編制

CAESAIL

三、管道應(yīng)力分析常用的規(guī)范標準及設(shè)計手冊

1)GB50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》

2)SH/T3041-2002《石油化工管道柔性設(shè)計規(guī)范》

3)SH/T3039-2003《石油化工非埋地管道抗震設(shè)計通則》

4)SH3059-2001《石油化工管道設(shè)計器材選用通則》

5)SH/T3073-2004《石油化工管道支吊架設(shè)計規(guī)范》

6)JB/T8130.1-1999《恒力彈簧支吊架》

7)JB/T8130.2-1999《可變彈簧支吊架》

8)GB/T12777-1999《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》

9)GB50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》

10)GB50253-2003《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》

11)DL/T5054-1996《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》

12)SDGJ6-90《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算技術(shù)規(guī)定》

13)HG/T20645-1998《化工裝置管道機械設(shè)計規(guī)范》

14)《熱力管道》山西出版社

15)《簡明動力管道設(shè)計手冊》機械工業(yè)出版社

16)《化工管路手冊》

17）《化工工藝設(shè)計手冊》

五、壓力管道的柔性設(shè)計

1.管道計算溫度的確定

管道的計算溫度應(yīng)根據(jù)工藝設(shè)計條件及下列要求確定：

1）對于無隔熱層管道：介質(zhì)溫度低于65℃時，取介質(zhì)溫度為計算

溫度；介質(zhì)溫度等于或高于65。。時，取介質(zhì)溫度的95%為計算溫

度；

2）對于有外隔熱層管道，除另有計算或經(jīng)驗數(shù)據(jù)外，應(yīng)取介質(zhì)溫

度為計算溫度；（最常用）

3）對于夾套管道應(yīng)取內(nèi)管或套管介質(zhì)溫度的較高者作為計算溫度；

4）對于外伴熱管道應(yīng)根據(jù)具體條件確定計算溫度；

5）對于襯里管道應(yīng)根據(jù)計算或經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定計算溫度；

6）對于安全泄壓管道，應(yīng)取排放時可能出現(xiàn)的最高或最低溫度作為

計算溫度；

7）進行管道柔性設(shè)計時，不僅應(yīng)考慮正常操作條件下的溫度，還應(yīng)

考慮開車、停車、除焦、再生及蒸汽吹掃等工況。

2.管道安裝溫度

管道安裝溫度應(yīng)按區(qū)域溫度計取，一般取5~20℃。

3.管道計算壓力

管道計算壓力宜取計算溫度下對應(yīng)的操作壓力。

4.管道柔性

管道柔性是反映管道變形難易程度的一個物理概念。它表示管道通過

自身變形吸收熱脹冷縮和其它位移變形的能力。

進行管道設(shè)計時一，應(yīng)在保證管道具有足夠的柔性來吸收位移應(yīng)變的前

提下，使管道的長度盡可能縮短。投資盡可能減少。在管道柔性設(shè)計

中，除考慮管道本身的熱脹冷縮外，還應(yīng)考慮管道的端點附加位移。

在設(shè)計時，一般采用下列一種或兒種措施來增加管道的柔性，增加柔

性即可降低應(yīng)力，要想完全去掉應(yīng)力是不可能的。只是降低應(yīng)力使管

道的應(yīng)力在規(guī)定的范圍內(nèi)。

①改變管道走向，改變設(shè)備布置。

②選用波紋補償器、方型補償器或球型補償器。

③選用彈簧支吊架

5、哪些管道宜進行詳細柔性設(shè)計

(1)操作溫度大于400。C或小于-50。C的管道；(應(yīng)根據(jù)具體情

況具體分析)

(2)進出加熱爐及蒸汽發(fā)生器的高溫管道；

(3)進出反應(yīng)器的高溫管道；

(4)進出汽輪機的蒸汽管道；

(5)進出離心壓縮機、往復(fù)式壓縮機的工藝管道；

(6)與離心泵連接的管道，可根據(jù)設(shè)計要求或按圖7.2.3確定柔

性設(shè)計方法；

(7)設(shè)備管口有特殊受力要求的其它管道；

(8)利用簡化分析方法分析后，表明需要進一步詳細分析的管道。

6、熱位移

管道的熱位移是指由于管道內(nèi)介質(zhì)溫度高于周圍環(huán)境溫度，因熱脹而

產(chǎn)生的熱伸長。

7、熱伸長的計算

△L=AtxLxax￡

=(t2-tl)XLXQXE

t2一一計算溫度。C

tl一安裝溫度。C

L一管道的長度m

a—鋼材的線膨脹系數(shù)

E一冷緊系數(shù)

8、管道熱補償?shù)姆椒ㄓ袃悍N，何謂自然補償，自然補償?shù)奶攸c

管道熱補償?shù)姆椒ㄓ袃煞N，即自然補償和補償器補償。

管道的自然補償就是管道的走向按具體情況呈各種彎曲形狀，管道利

用這種自然的彎曲形狀所具有的柔性補償其自身的熱膨脹和端點位

移。自然補償?shù)奶攸c是構(gòu)造簡單、運行可靠、投資少。

9、如何增加管道的自然補償能力

(1)改變管道的走向，以增加整個管道的柔性；

(2)利用彈簧支吊架放松約束；

(3)改變設(shè)備布置。

10、常用的補償器有兒種，各有何特點，適用范圍

壓力管道設(shè)計常用的補償器有三種：II型補償器、波形補償器和套管

式補償器或球形補償器。

II形補償器結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠投資少，在壓力管道設(shè)計中廣泛采用。

（缺點：占地大）。波紋補償器補償能力大、占地少，但制造較為復(fù)

雜，價格高，適用于低壓大直徑管道。

套管式或球形補償器因填料容易松弛，發(fā)生泄露，因此很少采用。在

有毒及可燃介質(zhì)管道中嚴禁采用。

11、H型補償器的設(shè)置的要求

II形補償器設(shè)置在兩固定點中部，特殊情況不少于1/3o為防止管道

橫向位移過大，應(yīng)在n形補償器兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)向架。導(dǎo)向架應(yīng)與彎頭

有一定距離，以防止彎頭處彎曲應(yīng)力過大。

12、常用的波紋補償器有哪兒種

（1）方型補償器；

（2）軸向型波紋管膨脹節(jié)（用于直管段）

（3）大拉桿波紋管膨脹節(jié)。（用于有彎管的管道上）

13、管道應(yīng)力計算參數(shù)如何選取

（1）蒸汽管道取用鍋爐、汽輪機抽（排）汽口的最大工作壓力和溫

度作為管道計算壓力和工作循環(huán)最高溫度。

（2）熱水熱力網(wǎng)供、回水管道的計算壓力均取用循環(huán)水泵最高出口

壓力加上循環(huán)水泵與管道電低點地形高差產(chǎn)生的靜水壓力，工作循環(huán)

最高溫度取用熱力網(wǎng)設(shè)計供水溫度。

（3）凝結(jié)水管道計算壓力取用戶凝結(jié)水泵最高出水壓力加上地形高

差產(chǎn)生的靜水壓力，工作循環(huán)最高溫度取用戶凝結(jié)水箱的最高水溫。

（4）管道式作循環(huán)最低溫度，對于全年運行的管道，地上敷設(shè)時取

300C,地上敷設(shè)時取150C,對于只在采暖期運行的管道，地上敷

設(shè)時取100C,地上敷設(shè)時取50C。

14、管道作用力計算包括哪些內(nèi)容

管道作用力計算時應(yīng)包括：管道熱脹冷縮受約束產(chǎn)生的作用力、內(nèi)壓

產(chǎn)生的不平衡力、活動端位移產(chǎn)生的作用力。

15、支吊架受力類型

(1)管道及附件重量(包括管內(nèi)介質(zhì)和保溫結(jié)構(gòu)重量)；

(2)彈簧支吊架預(yù)壓彈簧所產(chǎn)生的作用力及其轉(zhuǎn)移至剛性支吊架的

轉(zhuǎn)移荷重；

(3)活動支吊架的摩作用力；

(4)管道熱脹冷縮產(chǎn)生的作用力和力矩；

(5)管內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的作用力；

(6)室外架空管道尚應(yīng)包括風(fēng)荷重、雪荷重。

16、固定支架推力計算：

(1)、裝有方形補償器固定支架、自然補償固定支架所承受的水平

推力：包括摩擦力、彈性力：

①摩擦力

Pm=QML

②彈性力：由相關(guān)手冊查得

(2)產(chǎn)生的推力包括摩擦力、內(nèi)壓力、波紋管剛度三項之和：

①、摩擦力

Pm=Q.U.L

②、內(nèi)壓力：A.P

③、剛度（補償器產(chǎn)生的推力）由各類補償器手冊查得；

A-波紋管補償器截面積：

p-介質(zhì)操作壓力：

Q-管道每米重量

U-磨擦系數(shù)

L-管道長度

17、蒸汽吹掃應(yīng)符合哪些規(guī)定？

答：（1）吹掃前應(yīng)緩慢升溫暖管，恒溫lh,后進行吹掃。

（2）吹掃用蒸汽壓力和流量計算確定。

（3）吹掃次數(shù)一般為2?4h。

（4）吹掃用排汽管的管徑應(yīng)根據(jù)計算確定并能將臟物排出，管口的

朝向、高度、傾角應(yīng)計算確定、要保證安全可靠。

六、管道支架設(shè)計

1、管道支吊架有的種類和型式

管道支吊架按其功能可分為承受管道荷載、限制管道位移和控制

管道振動三大類，詳細分類如下：

（1）承重支吊架的作用是承受管道荷載、可進一步細分為：

1）剛性支吊架；

2）可調(diào)剛性支吊架；

3）可變彈簧支吊架。

（2）限制性支架的作用是限制管道位移，可進一步細分為：

1）固定支架；

2）限位支架；

3）導(dǎo)向支架。

（3）防振支架的作用是控制管道振動，可進一步細分為：

1）防振管卡；

2）阻尼減振器。

按熱力管道的答案為:支吊架包括支架和吊架，其中支架又分為固定

支架和活動支架兩種類型。吊架根據(jù)能否承受垂直方向位移，分為剛

性吊架和彈簧吊架。

2、確定管道支吊架位置的要點

（1）應(yīng)滿足管道最大允許跨度的要求；

（2）當有集中載荷時，支架應(yīng)布置在靠近集中載荷的地方，以減少

偏心載荷和彎曲應(yīng)力；

（3）在轉(zhuǎn)動機器附近，應(yīng)設(shè)置支架，以防止機器口承受過大的管道

荷載；

（4）往復(fù)式壓縮機的吸入或排出管道以及其他有強烈振動和管道，

宜單獨設(shè)置支架，（支架生根于地面的管墩或管架上），以避免將振

動傳遞到建筑物上；

（5）除振動道處，應(yīng)盡可能利用建筑物、構(gòu)筑物的梁柱作為支架的

生根點，且應(yīng)考慮生根點所能承受的荷載，生根點的面積和形狀應(yīng)能

同時滿足生根件的要求。

（6）對于復(fù)雜的管系，尤其是需要作詳細應(yīng)力計算的管系，尚應(yīng)根

據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果調(diào)整其支吊架的位置；

(7)管道支架應(yīng)設(shè)在不妨礙管道與設(shè)備的連接和檢修的部位；

(8)安全泄壓裝置出口管道應(yīng)設(shè)剛性支架。

3、管道固定點的設(shè)置應(yīng)考慮的問題

(1)對于復(fù)雜管道可用固定點將其劃分成幾個形狀較為簡單的管段,

如L形管段、U形管段、Z形管等以便進行分析計算；

(2)確定管道固定點位置時，使其有利于兩固定點間管段的自然補

償；

(3)選用H形補償器時，宜將其設(shè)置在兩固定的中部；

(4)固定點宜靠近需要限制分支管位移的地方；

(5)固定點應(yīng)設(shè)置在需要承受管道振動、沖擊載荷或需要限制管道

多方向位移的地方；

(6)作用于管道中固定點的載荷，應(yīng)考慮其兩側(cè)各滑動支架的摩擦

反力；

(7)進出裝置的工藝管道和非常溫的公用工程管道，宜在裝置分界

處設(shè)固定點。并應(yīng)與內(nèi)部工藝人員協(xié)商。

4、泵管道支架設(shè)置的要點

各類泵嘴均有荷載限制，支吊架設(shè)置時應(yīng)考慮以下因素：

(1)在靠近泵的管段上設(shè)置支、吊架或彈簧支吊架；

(2)泵出口管嘴垂直向上時，在距泵最近拐彎處，于泵基礎(chǔ)以外的

位置設(shè)置支架；也可和泵管口上方的拐彎處設(shè)置吊架；

(3)對于大型機泵的高溫進出口管道，為減輕泵管口受力而設(shè)置的

支架應(yīng)盡量使約束點和泵管口之間的相對熱伸量最??；

（4）泵的水平吸入管道宜在靠近泵的管段上設(shè)置可調(diào)支架，也可采

用彈簧支吊架；

（5）為防止往復(fù)泵管道的振動，應(yīng)縮短管道支架之間的距離，盡量

采用管卡型支架，不宜采用吊架；

（6）泵附屬小管道應(yīng)盡量成組布置，以便安裝支架；

（7）未經(jīng)泵制造廠許可，不得在泵底座上安裝支架。

5、壓縮機進出口管道支架的設(shè)計的要點

（1）往復(fù)式壓縮機的吸入和排出管道上的管架（或管墩）宜與建、

構(gòu)筑物基礎(chǔ)脫開；不宜在樓板和平臺上生根，當設(shè)計獨立的管架（或

管墩）時，第一個支架應(yīng)靠近壓縮機；

（2）往復(fù)式壓縮機吸入和排出管道支架（或管墩）的高度應(yīng)盡可能

低些，以便于管道的支承；

（3）往復(fù)式壓縮機的管道抑振管架宜設(shè)在管道集中荷載處、管道拐

彎、分支以及標高有變化處；

（4）由于離心式壓縮機吸入和排出管口一般均向下，機體熱膨脹及

管道熱膨脹均向下，因此管道支架宜采用彈簧支架或彈簧吊架

6、對于具有不同接觸面的滑動支架，如何選取摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)|J的取值如下：

鋼對鋼滑動摩擦：|J=0.3；

鋼對鋼滾動摩擦：|J=0.1；

不銹鋼對聚四氟乙烯滑動摩擦：|J=0.1；

鋼對混凝土滑動摩擦：|J=0.6

七、管托設(shè)計和選用

常用管托有滑動管托、固定管托、彈簧管托、彈簧吊架、導(dǎo)向支架、

限位支架，

①、滑動管托用在滑動支架上，管托的地板不與支架焊死，管托的肋

板與管道焊死；

②、固定管托用在固定支架上，管托的地板與支架上的預(yù)埋鋼板焊死,

管托的肋板與管道焊死即可形成固定支架；

③、彈簧管托、彈簧吊架是用來支撐有垂直位移的管道的管托；

④、導(dǎo)向支架是用來限制管道徑向位移的支架，做法是在滑動管托的

兩側(cè)焊角鋼或鋼板；

⑤、限位支架，限制管道