管道专业施工相关热力计算
第一部分管道热推力的计算
一、管道热伸长计算
管道的热伸长量的大小与管材的种类、管段的长度及温差数值有关。
ΔL=αLΔt=αL(t2-t1)公式一
式中ΔL——管段的热伸长量（m）；
α——管材的线膨胀系数[m/(m?)]；在附表1中查询
L——管段长度（m）；
t1——安装时环境温度（℃）；
t2——管内介质最高温度（℃）；
二、管道的热应力计算
管道受热时所产生的热应力大小与管材的性质、管段长度及热伸长量有关。
δ=E(ΔL/L)公式二
式中δ——管道受热产生的热应力（MPa）；
E——管道的弹性模量（MPa）；在附表2中查询
ΔL——管段的热伸长量（m）；（由公式一得出）
L——管段长度（m）；
当管道受热时的应力知道后，乘以管道截面积，就是整个截面积所产生的总的热推力，即：
P=106δF公式三
式中P——管道的热推力（N）
F——管道截面积（㎡）
δ——管道热应力（MPa）
附表1：常用钢材的线膨胀系数(×10-6m/m·℃)
第二部分相关补偿器的计算
一、管道的自然补偿
1、L形直角弯自然补偿；L形自然补偿管段如图
3 管道应力 3.1 石油化工管道应力分析常用规范、标准有哪些？ 答：石油化工管道应力分析常用规范、标准有： (1)《工业金属管道设计规范》（国标报批稿）； (2)《石油化工企业管道柔性设计规范》（SHJ41-91）； (3)《石油化工企业非埋地管道抗震设计通则》（SHJ39-91）； (4)《石油化工企业管道设计器材选用通则》（SH3059-94）； (5)《石油化工企业管道支吊架设计规范》（SH3073-95）； (6) 化工管道设计规范（HG20695-1987）； (7) 化工部设计标准《管架标准图》（HG/T21629-1991）。 3.2 管道应力分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？ 答：管道应力分析分为静力分析和动力分析。 静力分析包括： (1) 压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算—防止塑性变形破坏； (2) 管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算—防止疲劳破坏； (3) 管道对设备作用力的计算—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—为支吊架设计提供依据； (5) 管道上法兰的受力计算—防止法兰泄漏。 动力分析包括： (1) 管道自振频率分析—防止管道系统共振； (2) 管道强迫振动响应分析—控制管道振动及应力； (3) 往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析—防止气柱共振； (4) 往复压缩机（泵）压力脉动分析—控制压力脉动值。 3.3 管道上可能承受的荷载有哪些？ 答：管道上可能承受的荷载有： (1) 重力荷载，包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等； (2) 压力荷载，压力荷载包括内压力和外压力； (3) 位移荷载，位移荷载包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等； (4) 风荷载； (5) 地震荷载； (6) 瞬变流冲击荷载，如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击； (7) 两相流脉动荷载； (8) 压力脉动荷载，如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动；
蒸汽管道温度损失计算 及分析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
bw k p g f C G t t k l t ?-=?)(热水供热管道的温降 1.计算基本公式 温损计算公式为： 式中： g k —管道单位长度传热系数C m w ο?/ p t —管内热媒的平均温度 C ? k t —环境温度C ? G —热媒质量流量s Kg / C —热水质量比热容 C Kg J ??/ l ——管道长度 m 由于计算结果为每米温降，所以L 取1m .管道传热系数为 式中： n a ，w a —分别为管道内外表面的换了系数C m w ο?2/ n d ，w d —分别为管道（含保温层）内外径m i λ—管道各层材料的导热系数 C m w ο?/（金属的导热系数很高，自身热阻很小，可以忽略不计）。 i d —管道各层材料到管道中心的距离m 内表面换热系数的计算 根据的研究结果，管内受迫流动的努谢尔特数可由下式计算： Pr 为普朗特常数查表可得，本文主要针对供水网温度和回水网温度进行查找得： 90摄氏度时Pr=;在75摄氏度时Pr=; 外表面换热系数的计算 由于采用为直埋方式，管道对土壤的换热系数有： 式中： t λ—管道埋设处的导热系数。
t h —管道中心到地面的距离。 3.假设条件： A. 管道材料为碳钢（%5.1≈w ） B. 查表得：碳钢在75和90摄氏度时的导热系数λ都趋近于 C m w ο?/ C.土壤的导热系数t λ= C m w ο?/ D. 由于本文涉及到的最大管径为，所以取t h = E.保温材料为：聚氨酯，取λ= C m w ο?/ F. 保温层外包皮材料是：PVC ，取λ= C m w ο?/ G.在75到90摄氏度之间水的比热容随温度的变化很小，可以忽略不计。 4.电厂实测数据为： 管径为300mm 时，保温层厚度为：50mm ，保温外包皮厚度为：7mm ； 管径为400mm 时，保温层厚度为：51mm ，保温外包皮厚度为：； 管径为500mm 时，保温层厚度为：52mm ，保温外包皮厚度为：9mm ； 管径为600mm 时，保温层厚度为：54mm ，保温外包皮厚度为：12mm ； 蒸汽管道损失理论计算及分析 1、蒸汽管道热损失公式推导 稳态条件下，通过单位长度的蒸汽管道管壁的热流量q 1是相同的。 根据稳态导热的原理，可得出蒸汽保温管道的导热热流量式为： 2、总传热系数及其影响因素分析 总传热系数k 式中：h 1—蒸汽对工作钢管内壁的换热系数 λ1—蒸汽管道各层材料的导热系数 1 1 1 1 1 1 ln 2 1 1 1 ? ? ? ? ? ? ? n i i n i i d d d d h k ?? ?? ?
管道应力分析和计算
目次 1 概述 1.1 管道应力计算的主要工作 1.2 管道应力计算常用的规范、标准1.3 管道应力分析方法 1.4 管道荷载 1.5 变形与应力 1.6 强度指标与塑性指标 1.7 强度理论 1.8 蠕变与应力松弛 1.9 应力分类 1.10 应力分析 2管道的柔性分析与计算 2.1管道的柔性 2.2管道的热膨胀补偿 2.3管道柔性分析与计算的主要工作2.4 管道柔性分析与计算的基本假定2.5 补偿值的计算 2.6 冷紧 2.7 柔性系数与应力增加系数 2.8 作用力和力矩计算的基本方法2.9 管道对设备的推力和力矩的计算
3 管道的应力验算 3.1管道的设计参数 3.2钢材的许用应力 3.3管道在内压下的应力验算 3.4 管道在持续荷载下的应力验算 3.5管道在有偶然荷载作用时的应力验算3.6 管系热胀应力范围的验算 3.7力矩和截面抗弯矩的计算 3.8 应力增加系数 3.9 应力分析和计算软件
1 概述 1.1 管道应力计算的主要工作 火力发电厂管道（以下简称管道）应力计算的主要工作是验算管道在内压、自重和其他外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力；判断计算管道的安全性、经济性、合理性，以及管道对设备产生的推力和力矩应在设备所能安全承受的范围内。 管道的热胀应力应按冷、热态的应力范围验算。管道对设备的推力和力矩应按冷状态下和工作状态下可能出现的最大值分别进行验算。 1.2 管道应力计算常用的规范、标准 （1）DL/T 5366－2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规程（2）ASME B 31.1－2004动力管道 在一般情况下，对国内工程采用DL/T 5366进行管道应力验算。对涉外工程或顾客有要求时，采用B 31.1进行管道应力验算。 1.3 管道应力分析方法 管道应力分析方法分为静力分析和动力分析。 对于静荷载，例如：管道内压、自重和其他外载以及热胀、冷缩和其他位移荷载作用的应力计算，采用静力分析法。DL/T 5366和B31.1规定的应力验算属于静力分析法。同时，它们也用简化方法计及了地震作用的影响，适用于火力发电厂管道和一般动力管道。 对于动载荷，例如：往复脉冲载荷、强迫振动载荷、流动瞬态冲击载荷和地震载荷作用的应力计算采用动力分析法。核电站管道和地震烈度在９度及以上地区的火力发电厂管道应力计算采用动力分析法。 1.4 管道荷载
膨胀节地分类： 一、按材质分为：金属膨胀接、非金属膨胀节. ■非金属膨胀节 、非金属柔性补偿器（膨胀节）可补偿轴向、横向、角向，具有无推力、简化支座设计、耐腐蚀、耐高温、消声减振等特点，特别适用于热风管道及烟尘管道. 、非金属柔性补偿器（膨胀节）地特点： 、补偿热膨胀：可以补偿多方向，大大优于只能单式补偿地金属补偿器. 、补偿安装误差：由于管道连接过程中，系统误差再所难免，纤维补偿器较好地补偿了安装误差. 、消声减振：纤维织物、保温棉体本身具有吸声、隔震动传递地功能，能有效地减少锅炉、风机等系统地噪声和震动. 、无反推力：由于主体材料为纤维织物，无力地传递.用纤维补偿器可简化设计，避免使用大地支座，节省大量地材料和劳动力. 、耐腐蚀性：选用地氟塑料、有机硅材料具有较好地耐温和耐腐蚀性能.不耐高温，比金属差. 、体轻、结构简单、安装维修方便. 、价格低于金属补偿器. ■金属波纹补偿器（膨胀节）地特点及应用： 、金属波纹补偿器是用于吸收管线、导管或容器、设备由热胀冷缩等原因而产生地尺寸变化地装置，它地金属波纹管是主要地补偿元件，广泛用于石油化工、电力供热、锅炉烟风道、钢铁冶金、水泥、船舶、机械等管线及设备地软连接，波纹管（补偿元件）材质：不锈钢、碳钢、不锈钢内衬聚四氟乙烯等. 、耐高温、耐压 一、按材质分为：金属膨胀接、非金属膨胀节. ■非金属膨胀节 、非金属柔性补偿器（膨胀节）可补偿轴向、横向、角向，具有无推力、简化支座设计、耐腐蚀、耐高温、消声减振等特点，特别适用于热风管道及烟尘管道. 、非金属柔性补偿器（膨胀节）地特点： 、补偿热膨胀：可以补偿多方向，大大优于只能单式补偿地金属补偿器. 、补偿安装误差：由于管道连接过程中，系统误差再所难免，纤维补偿器较好地补偿了安装误差. 、消声减振：纤维织物、保温棉体本身具有吸声、隔震动传递地功能，能有效地减少锅炉、风机等系统地噪声和震动. 、无反推力：由于主体材料为纤维织物，无力地传递.用纤维补偿器可简化设计，避免使用大地支座，节省大量地材料和劳动力. 、耐腐蚀性：选用地氟塑料、有机硅材料具有较好地耐温和耐腐蚀性能.不耐高温，比金属差. 、体轻、结构简单、安装维修方便. 、价格低于金属补偿器. ■金属波纹补偿器（膨胀节）地特点及应用： 、金属波纹补偿器是用于吸收管线、导管或容器、设备由热胀冷缩等原因而产生地尺寸变化地装置，它地金属波纹管是主要地补偿元件，广泛用于石油化工、电力供热、锅炉烟风道、钢铁冶金、水泥、船舶、机械等管线及设备地软连接，波纹管（补偿元件）材质：不锈钢、碳钢、不锈钢内衬聚四氟乙烯等.
1、符号说明 2、对管线进行合理设计与分段，确定各段采用补偿器的型式与数量 不论多么复杂的管线，均可以通过架设管架的方法将管线简化为一定数量的、形状比较简单的典型管段，如直线管段、L形管段、Z形管段等。固定支架的数 目和位置的选定取决于管道的构形、单个膨胀节所能调节的膨胀量、适合作为固 定支架的有效构件、多种管道配件的位置、相连设备的位置、接管连接件的位置 和其它方面的考虑。这些管段的位移均可用不同类型的波纹补偿器来补偿。 一般直线管段用轴向补偿器；L型管段、Z型管段采用横向型或由角向型组 成的复式铰链型（或三铰链系统）补偿器；而空间Z形管段则采用复式拉杆型 或由万向角向型组成的万向横向型（或万向三铰链系统）补偿器。图1是典型管 段采用各种膨胀节的实例。 单式膨胀节 带拉杆的单 式膨胀节 横向大拉杆 式膨胀节 直管压力平 衡式膨胀节 铰链式膨胀节主固定支架中间固定支架直线导向支架
图1 典型管段采用各种补偿器实例 在管网中，若将L形管段和Z形管段再细化分解，也可以变成几个直线管段，那么只选用轴向型膨胀节就可以了。整个管线全部划分为直线管段，这样的设计虽然也能解决管线的补偿问题，也不是错误的设计，但并不是最佳的、合理的设计。将L形管段和Z形管段分解为直线管段需要通过增设固定支架来实现分段，每一管段又要轴向型补偿器来补偿，这样支架和膨胀节的数量都要增加，使得工程造价增加，因此在L形管段和Z形管段中广泛地采用横向型补偿器。
另外由于横向型补偿器补偿量大，故在有弯头的管线（L形管段和Z形管段）中，人们常常用一个横向型波纹补偿器取代多个轴向型波纹补偿器（如图2）。 图2 一个横向型波纹补偿器取代 多个轴向型补偿器的应用 所以选择补偿器类型时要从价格、空间限制、满足对循环寿命和受力状态的要求的能力等方面考虑，对各种不同方案进行对比，最后决定固定支架的位置以及所采用的补偿器的类型。 3、确定公称压力等级 一般可以根据管道的设计压力直接确定补偿器的公称压力，应使设计压力大于管道运行的工作压力。 4、计算各管段的位移量，确定补偿器的额定补偿量 各管段的位移量是根据管线在最高与最低温度下由热胀冷缩产生的伸缩量来确定的。 △L=α·L·(T max－T min) 式中：△L —管段的伸缩量(mm)； α—管段的线膨胀系数(mm/(m·℃))； L —管段长度(m)； T max —最高设计温度(℃)； T min —最低设计温度(℃)。 波纹补偿器的额定补偿量根据管段的位移量来确定。
1.计算基本公式 温损计算公式为： 式中：—管道单位长度传热系数 —管内热媒的平均温度 —环境温度 —热媒质量流量 —热水质量比热容 ——管道长度由于计算结果为每米温降，所以L取1m .管道传热系数为 式中： ，—分别为管道内外表面的换了系数 ，—分别为管道（含保温层）内外径 —管道各层材料的导热系数（金属的导热系数很高，自身热阻很 i 小，可以忽略不计）。 —管道各层材料到管道中心的距离m 内表面换热系数的计算 根据的研究结果，管内受迫流动的努谢尔特数可由下式计算：
Pr为普朗特常数查表可得，本文主要针对供水网温度和回水网温度进行查找得： 90摄氏度时Pr=;在75摄氏度时Pr=; 外表面换热系数的计算 由于采用为直埋方式，管道对土壤的换热系数有： 式中： —管道埋设处的导热系数。 —管道中心到地面的距离。 3.假设条件： A. 管道材料为碳钢（） B. 查表得：碳钢在75和90摄氏度时的导热系数都趋近于 C.土壤的导热系数= D. 由于本文涉及到的最大管径为，所以取= E.保温材料为：聚氨酯，取= F. 保温层外包皮材料是：PVC，取= G.在75到90摄氏度之间水的比热容随温度的变化很小，可以忽略不计。 4.电厂实测数据为：
管径为300mm时，保温层厚度为：50mm，保温外包皮厚度为：7mm； 管径为400mm时，保温层厚度为：51mm，保温外包皮厚度为：； 管径为500mm时，保温层厚度为：52mm，保温外包皮厚度为：9mm； 管径为600mm时，保温层厚度为：54mm，保温外包皮厚度为：12mm； 蒸汽管道损失理论计算及分析 1、蒸汽管道热损失公式推导 稳态条件下，通过单位长度的蒸汽管道管壁的热流量是相同的。 根据稳态导热的原理，可得出蒸汽保温管道的导热热流量式为： 2、总传热系数及其影响因素分析
第一章总则 第1.0.1条管道应力计算的任务是：验算管道在内压、自重和其它外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力，以判明所计算的管道是否安全、经济、合理以及管道对设备的推力和力矩是否在设备所能安全承受的范围内。 第1.0.2条本规定适用于以低碳钢、低合金钢和高铬钢为管材的火力发电厂汽水管道的应力计算。 油、空气介质的管道应力计算，可参照本规定执行。 核电站常规岛部分管道应力计算，可参照本规定执行。 第1.0.3条管道的热胀应力按冷热态的应力范围验算。管道对设备的推力和力矩按在冷状态下和在工作状态下可能出现的最大值分别进行验算。 第1.0.4条恰当的冷紧可减少管道运行初期的热态应力和管道对端点的热态推力，并可减少管系的局部过应变。冷紧与验算的应力范围无关。 第1.0.5条进行管系的挠性分析时，可假定整个管系为弹性体。 第1.0.6条使用本规定进行计算的管道，其设计还应遵守《火力发电厂汽水管道设计技术规定》。管道零件和部件的结构、尺寸、加工等，应符合《火力发电厂汽水管道零件及部件典型设计》的要求。
第二章 钢材的许用应力 第2.0.1条 钢材的许用应力，应根据钢材的有关强度特性取下列三项中的最小值： σb 20/3，σs t /1.5或σ s t (0.2%) /1.5，σ D t /1.5 其中 σb 20——钢材在20℃时的抗拉强度最小值（MPa ）； σs t ——钢材在设计温度下的屈服极限最小值（MPa ）； σs t (0.2%) ——钢材在设计温度下残余变形为0.2%时的屈服极限最 小值（MPa ）； σ D t ——钢材在设计温度下105h 持久强度平均值。 常用钢材的许用应力数据列于附录A 。 国产常用钢材和附表中所列的德国钢材的许用应力按本规定的安全系数确定。 美国钢材的许用应力摘自美国标准ASME B31.1。 对于未列入附录A 的钢材，如符合有关技术条件可作为汽水管道的管材时， 它的许用应力仍按本规定计算。
一、热膨胀量的计算 管道安装完毕投入运行时，常因管内介质的温度与安装时环境温度的差异而产生伸缩。 另外，由于管道本身工作温度的高低，也会引起管道的伸缩。实验证明，温度变化而引起 管道长度成比例的变化。管道温度升高，由于膨胀，长度增加；温度下降，则由于收缩， 长度缩短。温度变化1度相应的长度成比例变化量称为管材的线膨胀系数。不同材质的材 料线膨胀系数也不同。碳素钢的线膨胀系数为12×10—6 ／℃，而硬质聚氯乙烯管的线膨胀 系数为80X10—6／℃，约为碳素钢的七倍。 管材受热后的线膨胀量，按下式进行计算： ()L t t L 21-=?α 式中△L ——管道热膨胀伸长量(m)； ——管材的线膨胀系数(1／K)或(1／℃)； t 2——管道运行时的介质温度(℃)； t l ——管道安装时的温度(℃)，安装在地下室或室内时取t 1=—5℃；当室外架空敷 设时，t 1应取冬季采暖室外计算温度； L ——计算管段的长度(m)。 不同材质管材的。值见表2—1。 表2—1不同材质管材的线膨胀系数 在管道工程中，碳素钢管应用最广，其伸长量的计算公式为 ()L t t L 2161012-?=?- 管道材质 线膨胀系数/（×10—6/℃） 管道材质 线膨胀系数/（×10—6/℃） 碳素钢 铸铁 中铬钢 不锈钢 镍钢 奥氏体钢 12 17 纯铜(紫铜) 黄铜 铝 聚氯乙烯 氯乙烯 玻璃 80 10 5
式中12×10—6——常用钢管的线膨胀系数(1／)。 根据式(2—2)制成管道的热伸长量△L表(见表2—2)，由表中可直接查出不同温度下相应管长的热伸长量。 例有一段室内热水采暖碳素钢管道，管长70m，输送热水温度为95℃，试计算此段管道的热伸长量。 解根据钢管的热膨胀伸长量计算式(2—2) △L=12×10—6(t1—t2)L =12×10—6（95+5）×70 = 由已知管长及送水温度，直接查表2—2，也可得管道的热伸长量△L。 如果管道中通过介质的温度低于环境温度，则计算出来的是缩短量。 表2—2水和蒸汽管道的热伸长量△L表(m)
管道应力分析的原则 管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。 ASME B31《压力管道规范》由几个单独出版的卷所组成，每卷均为美国国家标准。它们是子ASME B31 压力管道规范委员会领导下的编制的。 每一卷的规则表明了管道装置的类型，这些类型是在其发展过程中经考虑而确定下来的，如下所列： B31.1 压力管道：主要为发电站、工业设备和公共机构的电厂、地热系统以及集中和分区的供热和供冷系统中的管道。 B31.3 工艺管道：主要为炼油、化工、制药、纺织、造纸、半导体和制冷工厂，以及相关的工艺流程装置和终端设备中的管道。 B31.4 液态烃和其他液体的输送管线系统：工厂与终端设备剑以及终端设备、泵站、调节站和计量站内输送主要为液体产品的管道。 B31.5 冷冻管道：冷冻和二次冷却器的管道 B31.8 气体输送和配气管道系统：生产厂与终端设备（包括压气机、调节站和计量器）间输送主要为气体产品的管道以及集汽管道。 B31.9 房屋建筑用户管道：主要为工业设备、公共结构、商业和市政建筑以及多单元住宅内的管道，但不包括B31.1 所覆盖的只寸、压力和温度范围。 B31.11 稀浆输送管道系统：工厂与终端设备间以及终端设备、泵站和调节站内输送含水稀浆的管道。 管道应力分析的主要内容 一、管道应力分析分为静力分析析 1.静力分析包括： 1)压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏； 2)管道热胀冷缩以及端点附加位移等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——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——为支吊架设计提供依据： 5)管道上法兰的受力计算一防止法兰汇漏。 2.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)管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力； 3)往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析一一防止气柱共振； 4)往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。 二、管道上可能承受的荷载 (1)重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等 (2)压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力； (3)位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等； (4)风荷载；
A 简易热工设计 1 设计需要确定的工艺参数 1) 管道要求的维持温度，TV； 2) 当地最低环境温度(℃)，TA； 3) 管道的外径，D； 4) 容器的表面积，S； 5) 管道的保温材料品种及厚度； 6) 管道是在室内或室外。 2 管道、平面热损失计算 2.1 管道 保温管道的热损失(加30%安全系数)按公式(1)计算： Qt={[2π(TV-TA) ]/〔( LnD0/D1）1/λ+2/( D0α)]}×1.3 (1) 2.2 平面 保温平面的热损失(加30%安全系数)按公式(2)计算： QP=[(TV-TA)/(δ/λ+1/α)] ×1.3 (2) 式(1)和式(2)中： Qt —单位长度管道的热损失，W/m； Qp —单位平面的热损失，W/㎡; TV —系统要求的维持温度，℃； TA —当地的最低环境温度℃； λ —保温材料的导热系数，W/(m℃)，见表3； D1 —保温层内径，(管道外径) m； D0 —保温层外径，m; D0=D1+2δ； δ —保温层厚度，m； Ln —自然对数； α —保温层外表面向大气的散热系数，W/(㎡℃)与风速ω，(m/s)有关，α值按公式(3)计算: α=1.163(6+ω1/2) W/( ㎡℃) (3) 表3 常用保温材料导热系数 保温材料导热系数W/ (m. ℃)
玻璃纤维0.036 矿渣棉0.038 硅酸钙0.054 膨胀珍珠岩0.054 蛭石0.084 岩棉0.043 聚氨脂0.024 聚苯乙烯0.031 泡沫塑料0.042 石棉0.093 表4 管道材质修正系数 碳钢1 不锈钢1．25 a铜0．9 塑料1.5 B 电伴热设计 首先应知道管道的口径、保温层材料及厚度和所需维持温度之差△T，查管道散热量表，（乘以适当的保温系数），就能得到单位长管道的散热量，如果管子在室内则再乘以0.9。如果伴热的是塑料管道，因为塑料的导热性远低于碳钢（0.12:25），故可用0.6-0.7的系数对正常散热量加以修正。 例1：某厂有一管线，管径为1/2"，保温材料是硅酸钙，厚度10mm，管道中流体为水，水温需保持10℃，冬季最低气温是-25℃，环境无腐蚀性，周围供电条件380V、220V均有，求管道每米热损失？ 步骤一：△T = TA - TB =10℃-（-25℃）=35℃ 步骤二：查管道散热量表，管径1/2"。10mm保温层。 当△T =30℃热损失为11.0w/m，当△T =40℃热损失为14.9w/m，△T =35℃时，每米损失可采用中间插入法求得（因表中无QB值）。 QB=11.0w/m+（14.9w/m - 11.0w/m）[（35-30）÷ （40-30）]=12.95w/m 步骤三：保温层采用硅酸钙，查保温材料修正数表乘以保温系数f及综合系数1.4 Qr=1.4QB×f=1.4×12.95w/m×1.50=27.195w 答案：管道每米损失热量27.195W 保温材料修正数表 容器罐体耗散热量的计算
bw k p g f C G t t k l t ?-=?)(热水供热管道的温降 1.计算基本公式 温损计算公式为： 式中： g k —管道单位长度传热系数C m w ο ?/ p t —管内热媒的平均温度C ? k t —环境温度 C ? G —热媒质量流量 s Kg / C —热水质量比热容 C Kg J ? ?/ l ——管道长度 m 由于计算结果为每米温降，所以L 取1m .管道传热系数为 ∑=++ += n i w w i i i n n g d a d d d a k 111 ln 2111 ππ λπ 式中： n a ，w a —分别为管道内外表面的换了系数C m w ο ?2/ n d ， w d —分别为管道（含保温层）内外径 m i λ—管道各层材料的导热系数C m w ο ?/（金属的导热系数很高，自身 热阻很小，可以忽略不计）。 i d —管道各层材料到管道中心的距离m
内表面换热系数的计算 根据的研究结果，管内受迫流动的努谢尔特数可由下式计算： 42 .075 .0Pr )180(Re 037.0-≈= λ n n n d a N Pr 为普朗特常数查表可得，本文主要针对供水网温度和回水网温度进行查找得： 90摄氏度时Pr=;在75摄氏度时Pr=; 外表面换热系数的计算 由于采用为直埋方式，管道对土壤的换热系数有： ]1)2(2ln[22-+ = w t w t w t w d h d h d a λ 式中： t λ—管道埋设处的导热系数。 t h —管道中心到地面的距离。 3.假设条件： A. 管道材料为碳钢（%5.1≈w ） B. 查表得：碳钢在75和90摄氏度时的导热系数λ都趋近于 C m w ο?/ C.土壤的导热系数t λ= C m w ο?/ D. 由于本文涉及到的最大管径为，所以取 t h = E.保温材料为：聚氨酯，取λ= C m w ο?/
新生培训教材 管道应力分析和计算 （机务专业篇） 国核电规划设计研究院机械部 二零一零年十一月 北京
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目次 1 概述 1.1 管道应力计算的主要工作 1.2 管道应力计算常用的规范、标准1.3 管道应力分析方法 1.4 管道荷载 1.5 变形与应力 1.6 强度指标与塑性指标 1.7 强度理论 1.8 蠕变与应力松弛 1.9 应力分类 1.10 应力分析 2 管道的柔性分析与计算 2.1 管道的柔性 2.2 管道的热膨胀补偿 2.3 管道柔性分析与计算的主要工作2.4 管道柔性分析与计算的基本假定2.5 补偿值的计算 2.6 冷紧 2.7 柔性系数与应力增加系数 2.8 作用力和力矩计算的基本方法 2.9 管道对设备的推力和力矩的计算 3 管道的应力验算
3.1 管道的设计参数 3.2 钢材的许用应力 3.3 管道在内压下的应力验算 3.4 管道在持续荷载下的应力验算 3.5 管道在有偶然荷载作用时的应力验算3.6 管系热胀应力范围的验算 3.7 力矩和截面抗弯矩的计算 3.8 应力增加系数 3.9 应力分析和计算软件
1 概述 1.1 管道应力计算的主要工作 火力发电厂管道（以下简称管道）应力计算的主要工作是验算管道在内压、自重和其他外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力；判断计算管道的安全性、经济性、合理性，以及管道对设备产生的推力和力矩应在设备所能安全承受的范围内。 管道的热胀应力应按冷、热态的应力范围验算。管道对设备的推力和力矩应按冷状态下和工作状态下可能出现的最大值分别进行验算。 1.2 管道应力计算常用的规范、标准 （1）DL/T 5366－2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规程及其勘误 （2）ASME B 31.1－2007动力管道 (3 ) DL/T 5054-1996 火力发电厂汽水管道设计技术规定 在一般情况下，对国内工程采用DL/T 5366进行管道应力验算。对涉外工程或用户有要求时，可采用B 31.1进行管道应力验算。 1.5.3 应力 在外力作用下，构件发生变形，这说明构件材料内部在外力作用下变形时原子间的相对位置产生了改变，同时原子间的相互作用力（吸引力与排斥力）也发生了改变。这种力的改变量称为内力。 内力是沿整个断面连续分布的，单位面积上的内力强度，即应力，以“σ”表示。
第一节 管材的线膨胀及伸缩量的计算 一、热膨胀量的计算 管道安装完毕投入运行时，常因管内介质的温度与安装时环境温度的差异而产生伸缩。另外,由于管道本身工作温度的高低,也会引起管道的伸缩。实验证明,温度变化而引起管道长度成比例的变化。管道温度升高,由于膨胀,长度增加;温度下降，则由于收缩,长度缩短。温度变化１度相应的长度成比例变化量称为管材的线膨胀系数。不同材质的材料线膨胀系数 也不同。碳素钢的线膨胀系数为12×10—6／℃,而硬质聚氯乙烯管的线膨胀系数为80X10— 6／℃,约为碳素钢的七倍。 管材受热后的线膨胀量，按下式进行计算: ()L t t L 21-=?α 式中△L ——管道热膨胀伸长量（m); α——管材的线膨胀系数(1/K)或(1/℃)； ｔ2——管道运行时的介质温度(℃）; t l ——管道安装时的温度(℃),安装在地下室或室内时取t 1=—5℃;当室外架空敷设 时，t 1应取冬季采暖室外计算温度; L ——计算管段的长度(m)。 不同材质管材的。值见表2—1。 表2—1不同材质管材的线膨胀系数 在管道工程中，碳素钢管应用最广，其伸长量的计算公式为 ()L t t L 2161012-?=?- 式中12×１0—6 ——常用钢管的线膨胀系数(１/)。 根据式(2—2）制成管道的热伸长量△L 表(见表2—2)，由表中可直接查出不同温度下相应管长的热伸长量。 例有一段室内热水采暖碳素钢管道，管长70ｍ，输送热水温度为95℃，试计算此段管道的热伸长量。 解根据钢管的热膨胀伸长量计算式（２—2) △Ｌ=１2×10—6 (t 1—t 2)L =12×10—６ （95＋５)×７０ ＝０.084m 由已知管长及送水温度,直接查表２—2，也可得管道的热伸长量△L 。 如果管道中通过介质的温度低于环境温度，则计算出来的是缩短量。
管材的线膨胀及伸缩 量的计算
第一节 管材的线膨胀及伸缩量的计算 一、热膨胀量的计算 管道安装完毕投入运行时，常因管内介质的温度与安装时环境温度的差异而产生伸缩。另外，由于管道本身工作温度的高低，也会引起管道的伸缩。实验证明，温度变化而引起管道长度成比例的变化。管道温度升高，由于膨胀，长度增加；温度下降，则由于收缩，长度缩短。温度变化1度相应的长度成比例变化量称为管材的线膨胀系数。不同材质的材料线膨胀系数也不同。碳素钢的线膨胀系数为12×10—6／℃，而硬质聚氯乙烯管的线膨胀系数为80X10—6／℃，约为碳素钢的七倍。 管材受热后的线膨胀量，按下式进行计算： ()L t t L 21-=?α 式中△L ——管道热膨胀伸长量(m)； α——管材的线膨胀系数(1／K)或(1／℃)； t 2——管道运行时的介质温度(℃)； t l ——管道安装时的温度(℃)，安装在地下室或室内时取t 1=—5℃；当 室外架空敷设时，t 1应取冬季采暖室外计算温度； L ——计算管段的长度(m)。 不同材质管材的。值见表2—1。 表2—1不同材质管材的线膨胀系数
在管道工程中，碳素钢管应用最广，其伸长量的计算公式为 ()L t t L 2161012-?=?- 式中12×10—6——常用钢管的线膨胀系数(1／)。 根据式(2—2)制成管道的热伸长量△L 表(见表2—2)，由表中可直接查出不同温度下相应管长的热伸长量。 例有一段室内热水采暖碳素钢管道，管长70m ，输送热水温度为95℃，试计算此段管道的热伸长量。 解根据钢管的热膨胀伸长量计算式(2—2) △L=12×10—6(t 1—t 2)L =12×10—6（95+5）×70 =0.084m 由已知管长及送水温度，直接查表2—2，也可得管道的热伸长量△L 。 如果管道中通过介质的温度低于环境温度，则计算出来的是缩短量。 表2—2水和蒸汽管道的热伸长量△L 表(m)
1 范围 本标准规定了： （1）管道在内压、持续外载作用下的一次应力和由于热胀、冷缩及其它位移受约束产生的热胀二次应力的验算方法，以判断所计算的管道是否安全、经济、合理； （2）管道由于热胀、冷缩及其它位移受约束和持续外载作用产生的对设备的推力和力矩核算方法，以判明是否在设备所能安全承受的范围内； （3）管道应力分析方法的选择依据； （4）支吊架的选用原则. 执行本规定时，尚应符合现行有关标准规范的要求。 本规定适用于石油化工企业承受静力载荷的碳素钢、合金钢及不锈钢管道的柔性设计 2 引用标准 《石油化工企业管道柔性设计规范》 SHJ41 《石油化工企业管道设计器材选用通则》 SH3059 《石油化工钢制压力容器》SH3074 《石油化工企业管道支吊架设计规范》SH3073 《化工厂和炼油厂管道》ANSI/ASME B31.3 《API－610/NEMA－SM23》 上述标准所包含的条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。在标准出版时，所示标准均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用上述标准最新版本的可能性。 3 一般规定 3.1 管道柔性设计应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移和管道支撑设置不当等原因造成的下列问题： 一.管道应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏； 二.管道连接处产生泄漏; 三.管道推力和力矩过大,使与其相连接的设备产生过大的应力和变形,影响设备正常运行。 3.2 在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑下列管道端点的附加位移： 一.加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移; 二.塔或其它立式设备产生热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移； 三.管壳式换热器及其它卧式设备滑动支座移动造成连接管道的附加位移； 五.几台设备互为备用时，不操作管道对操作管道的影响； 六.不和主管一起分析的支管，应将分支点处主管的位移作为支管端点的附加位移； 七.根据需要，应考虑固定架和限位架的刚度影响。 3.3 对于复杂管道可用固定架将其划分成几个较为简单的管段，如L形管段，U形管段、Z形管段等再进行分析计算。 3.4 确定管道固定点位置时,宜使两固定点间的管段能自然补偿。 3.5 管道应首先利用改变走向获得必要的柔性，但由于布置空间的限制或其它原因也可采用波形补偿器其它类型或其它类型补偿器获得柔性。 3.6 在剧毒及易燃可燃介质管道中严禁采用填料函式补偿器。
管道计算 第一章任务与职责 1. 管道柔性设计的任务 压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、内压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况； 1) 因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏； 2) 管道接头处泄漏； 3) 管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行； 4) 管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏； 2. 压力管道柔性设计常用标准和规范 1) GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》 2) SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》 3) SH 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》 4) SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》 5) SH 3073-95《石油化工企业管道支吊架设计规范》 6) JB/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》 7) JB/T 8130.2-1999《可变弹簧支吊架》 8) GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》 9) HG/T 20645-1998《化工装置管道机械设计规定》 10) GB 150-1998《钢制压力容器》 3. 专业职责 1) 应力分析(静力分析动力分析） 2) 对重要管线的壁厚进行计算 3) 对动设备管口受力进行校核计算 4) 特殊管架设计 4. 工作程序 1) 工程规定 2) 管道的基本情况 3) 用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿 4) 用目测法判断管道是否进行柔性设计 5) L型U型管系可采用图表法进行应力分析 6) 立体管系可采用公式法进行应力分析 7) 宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道 8) 采用CAESAR II 进行应力分析 9) 调整设备布置和管道布置 10) 设置、调整支吊架 11) 设置、调整补偿器 12) 评定管道应力 13) 评定设备接口受力 14) 编制设计文件 15) 施工现场技术服务 5. 工程规定 1) 适用范围 2) 概述 3) 设计采用的标准、规范及版本 4) 温度、压力等计算条件的确定 5) 分析中需要考虑的荷载及计算方法 6) 应用的计算软件 7) 需要进行详细应力分析的管道类别
蒸汽管道热损失测试报告 1 测试背景 郴州钻石钨制品有限责任公司蒸汽在输送过程中蒸汽热损失和压力 损失明显，导致因为蒸汽末端蒸汽品质严重下降，通过与现场工作人员交流和了解，厂区蒸汽管道管线保温层破损处较多，由于长期使用而未曾更换保温材料，因此，导致岩棉材料下沉，上薄下厚；局部管线有裸露在外的现象，从而导致其热损失比较大，此外有个别阀门未采取保温，也不同程度加大了散热损失。保温材料和保温结构单一，缺少防水，防渗透措施，长期遭受雨雪侵蚀，保温效果变差。因此有必要对其进行热损失测试，找出具体的热损失原因，从而为做好能源利用工作提供方向和科学依据。 2测试方法 热流计法 测试原理 用热阻式热流传感器(热流测头)和测量指示仪表直接测量保温结构的 散热热流密度。热流传感器的输出电势(E)与通过传感器的热流密度(q)成正比，q=cE值为测头系数。 热流传感器的标定按GB/T10295中的方法进行，必要时绘制q/E系数c与被测表面温度(视作热流传感器的温度)的标定曲线，该曲线还应表示出工作温度和热流密度的范围。 现场测定应满足下列条件 应满足一维稳态传热条件减少外部环境因素的影响读取测定数据应在达到准稳态条件时进行。
（1）现场风速不应超过s,不能满足时应设挡风装置。 （2）应避免传感器受阳光直接辐射的影响宜选择阴天或夜间进行测定或加装遮阳装置。 （3）应避免在雨雪天气时进行测定。 （4）环境温度湿度的测点应在距热流密度测定位置1m远处,避免有其他热源的影响;地温的测点应在距热流密度测定位置10m远处相同埋深的自然土壤中。 表面温度法 测试原理 对于地上地沟敷设的热力管道测定保温结构外表面温度环境温度风向和风速表面热发射率及保温结构外形尺寸按下面公式计算其散热热流密度 q=α(t W-t F) 式中: q:散热热流密度，W/m2； α:总放热系数，W/(m2·k)； t W:保温结构外表面温度，K； t F:环境温度，K。 温差法 测试原理 通过测定保温结构各层厚度、各层分界面上的温度以及各层材料在使用温度下的导热系数，计算保温结构的散热热流密度。 供热管道单层保温结构的热流密度和单位长度线热流密度按下面公式求
本文由snnanf贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第10章蒸汽分配 排空气、散热损失和管道标准总结 章节10.5 10.5 排空气、散热损失和管道标准总结 蒸汽和冷凝水系统手册 10.5.1 第10章蒸汽分配 排空气、散热损失和管道标准总结 章节10.5 排空气、散热损失和管道标准总结 排空气 管道关闭一段时间后，在蒸汽进入管道前，管道中充满了空气。空气和其它不凝性气体也会随蒸汽一起进入管道。和蒸汽相比，这些不凝性气体所占的比例很小。除非我们采取措施排除它们，否则当蒸汽冷凝后，这些不凝性气体会在蒸汽管道和换热空间中积聚。不排除空气的后果就是延长起机时间，降低设备效率和工艺制程的性能。蒸汽系统中存在空气也会影响系统的温度。空气在整个系统中有自己的压力，再加上蒸汽的压力就是系统的总压力。因此实际的蒸汽压力和温度要小于压力表读数显示的蒸汽/空气混合气体的压力和对应温度。更重要的是空气对传热效果的影响。仅有1μm厚的空气膜，其热阻与25μm的水膜相同，与2mm厚的铁板和15mm厚的铜墙相同。因此任何蒸汽系统的排空气都是很重要的。蒸汽系统的排空气阀（同热静力蒸汽疏水阀的工作原理）应布置在冷凝水液面之上，这样只有蒸汽/空气的混合气体到达排空气阀。最佳的安装位置是在蒸汽主管的末端，如图10.5.1所示。压力平衡式排空气阀 空气排至安全位置 蒸汽主管 排至安全位置 图10.5.1 蒸汽主管的末端疏水和排空气 冷凝水 排空气阀的排放气体口应连接至安全的地方。实际应用中，如果冷凝水水管能靠重力流向开口箱，则可以考虑将排气管接入冷凝水水管。除了在主管末端安装排空气阀，还应安装在以下地方：与倒吊桶疏水阀平行安装，或者在有些实例中，与热动力疏水阀并行安装。这些疏水阀在起机阶段的排空气性能较差。在很苛刻的蒸汽空间（例如蒸汽进入夹套锅的对面）。蒸汽/空气混合气体影响工艺制程品质的大型蒸汽空间（如高压杀菌锅）。 降低热损失 即使蒸汽主管的暖管过程结束，蒸汽也会由于辐射散热损失而继续冷凝。冷凝率取决于蒸汽温度、环境温度以及管道保温效率。要使蒸汽分配系统高效，应当采取适当的措施来确保热损失减小到最低程度。最经济的保温厚度根据以下几个因素：安装成本蒸汽携带的能量 10.5.2 蒸汽和冷凝水系统手册 第10章蒸汽分配 排空气、散热损失和管道标准总结