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网络出版时间：
2012-3-16 10:47:56 网络出版地址：https://www.doczj.com/doc/c310297206.html,/kcms/detail/13.1093.TE.20120316.1047.001.html 由于埋地管道所具有的特殊性和控制规范要求，其应力分析与工艺管道存在较大差异，埋地管道轴向受约束，因此，受压力和温度影响将产生较大的轴向应力。埋地管道应力分析的关键是模拟管道与土壤的相互作用[1]
，主要包括两个方面：土壤对管道的轴向摩擦力及土壤对管道的横向推力。前者只有当管道存在轴向移动趋势时存在，后者是管道产生横向位移时的反作用力。目前，埋地管道应力分析均采用双线性弹簧约束模拟土壤对管道的作用，由于受管道长度所限而无法在管道沿线不间断地设置弹簧约束，因此，需要解决3个问题：其一，合理设置弹簧约束的间距；其二，研究土壤约束性质；其三，解决土壤约束和弹簧约束之间的转化问题。
1应力分析影响参数
在温度、压力及地震载荷的作用下，埋地管道中的弯头和三通等管道走向发生改变的区域会产生较大的弯矩（使管道产生横向形变）和轴向力，距离此类管道元件越远，管道的弯矩越小[2]
。为了准确模拟土壤和管道的相互作用，从而得到较准确的应力分析结果，在弯头和三通等管道元件处必须将土壤约束间距设置很小；在远离弯头和三通的区域，只需模拟土壤与管道摩
埋地管道应力分析方法
刘仕鳌1 蒲红宇2 刘书文3 蒋洪2
1.中国石油冀东油田分公司油气集输公司，河北唐山 063000；
2.西南石油大学，四川成都 610500；
3.四川科宏石油天然气工程有限公司，重庆 400021
刘仕鳌等.埋地管道应力分析方法.油气储运，2012，31（4）：274-278.
文章编号：1000-8241（2012）
04-0274-05摘要：油气输送管道大部分为埋地管道，其应力分析与工艺管道不同，关键在于准确模拟管道与土壤
的相互作用。结合国际上广泛运用的CAESARII 和AUTOPIPE 软件设计思路，阐述了埋地管道应力分析模型中对埋地管道离散化的理论基础和方法，模拟土壤与管道相互作用的原理以及相关数据的计算方法；对比分析了ASMEB31.4、ASMEB31.8及国内相关油气输送管道设计规范对管道应力的校核要求；结合工程实例深化了埋地管道应力分析方法，对于开展管道应力分析工作具有积极作用，有利于增进对于管道应力分析及管道应力安全问题的认识。关键词：埋地管道；应力；约束；土壤中图分类号：TE89 文献标识码：A doi ：10.6047/j.issn.1000-8241.2012.04.009擦造成的管道轴向力，此时可以将土壤约束间距设置稍大。1.1模型离散
根据连续弹性地基上的柔性梁在力R 作用下的受力分析（图1），可以计算位移分布：
γ（x ）＝ e βx
（cos βx ＋sin βx ） （1）
（2）
式中： γ（x ）为位移分布，mm；R 为作用力，N；β为设置的中间变量；E 为管道的弹性模量，MPa；I 为管道的惯性矩，mm 4；k 为单位长度的土壤线刚度，N/mm 2。
对于带有弯头或三通的埋地管道，其横向承载性能与连续弹性地基上的柔性梁相似（图1C），弯头一端
图 1 带弯头的埋地管道和连续弹性
地基上无限长梁的受力分析
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的轴向力在另一端产生横向弯矩。随着管道与弯头距离的增大，管道位移逐渐减小（图1B）。依据管道与土壤的相互作用，可将管道分成3个区域：区域1为距离弯头最近的管段，该区域受弯矩影响最大，主要产生横向位移；区域2为过渡区域，该区域内管道受弯矩的影响较小，且距离一定时，管道仅受轴向力的作用；区域3为管道与土壤无相对位移的区域，管道已锚固在土壤中[3]
。
区域1的长度（L b ）是指管道侧向位移变为0处距离弯头的长度，称为侧向承载长度，可通过式（3）计算得到：
L b ＝ （3）区域1与区域2的总长度是指弯头距离土壤提供的轴向摩擦力为0处（管道与土壤无相对位移）的长度，称为虚拟锚固长度（L a ）。虚拟锚固长度取决于土壤力与管道位移的关系，可通过最大滑移长度（L m ）进行有效估算。
根据管道受力平衡简图 （图2，土壤力与管道位移的反应关系为刚塑性），当管道承受热载荷时，土壤产生轴向屈服强度（P 1）限制管道的增长。为了有效限制管道的热膨胀形变，土壤屈服强度必须作用在一定长度的管道上，该长度决定了管道的最大滑移长度。当受力平衡时：
P 1 L m ＝εAE （4）式中：L m 为最大滑移长度，m；ε为管道的热应变；A 为管道的横截面积，m 2；P 1为土壤轴向屈服强度，N/m。
要比弹塑性反应或弹性反应虚拟锚固长度L a 小。因此通常不考虑管道位移反应曲线类型，而采用式（5）估算L a ：
L a ＝C 0 L m （5）
式中：C 0为无因次常数，取值范围为1（刚性土壤）～2（塑性土壤）。若土壤并未达到轴向屈服强度P 1，C 0值可能大于2，但大量研究表明，
C 0取值应在1.5～2之间。管道与土壤的滑动是相对的，当不考虑导致应变
的原因时，式（4）的计算结果有效。此时，ε为总的相对应变，可由管道热载荷和地震载荷引起。当土壤约束和管道位移反应为刚塑性时，弹性应变区域将缩减至0，此时L m 的值等于塑形应变区域的长度，即L a 的长度。
管道的最大滑移长度L m 与土壤约束力和管道位移反应曲线的形状有关（图3），通常计算得到的L m 值
图 2
管道受力平衡简图
按照上述方法，可以将弯头和三通附近的管道分成3部分进行模拟。1.2土壤
建模细化时，通常采用用户自定义管道节点和软件内部生成土壤点相结合的方法。土壤对管道的作用是连续的，然而受管道长度的限制，无法将土壤对管道的作用进行连续模拟。根据各区域内土壤和管道相互作用的特点，可以对各区域内的土壤点间隔进行设置。模拟埋地管道的关键在于确定区域1，通常需要在管道走向发生改变处、形成三通管道处以及管道进入或离开土壤处按照区域1的方式对土壤作用进行模拟。在运用CAESARII 软件进行模拟时，土壤点间距的设置由软件自行完成，用户只需划分区域。
2土壤约束性质
2.1土壤约束性质的说明
进行应力分析时，需要确定沿埋地管道走向的土壤约束力与管道位移的关系。在典型的土壤约束力与管道位移的关系中，管道位移较小时，土壤约束力随位移的增加而增大，当到达一定位移后，土壤约束力随位移增大的幅度变小。
土壤作用采用双线性弹簧约束进行模拟，可以定义从刚塑性反应曲线到近似于实际刚度曲线的情况。
将K 2的值设为0时，P 1将变为土壤的极限约束力（图4）。
设计计算
图 3 土壤对管道轴向限制力随管道距离
弯头或三通长度的变化图
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图 5
应用于直管的局部坐标系
管道沿线各点的土壤约束力会因回填土性质差异
而不同，
K 1、P 1、K 2的值具有不确定性。如果土壤约束的变化对于管道的影响较大，应考虑土壤性质的影响；如果土壤约束的变化对于管道无太大影响，则可忽略土壤性质。
根据土壤参数计算得到轴向、横向水平、横向向上和横向向下4个方向的刚度值，CAESARII 软件通常将横向水平、横向向上和横向向下的刚度值设定为相同，因此，计算时只需确定轴向和横向两个方向的刚度值。需要说明的是，4个方向均通过应用于直管的局部坐标系体现（图5）。轴向土壤参数限制管道的轴向运动（x 轴方向），横向水平参数限制土壤沿z 轴方向的运动，横向向上参数限制管道沿y 轴正向的运动，横向向下参数限制管道沿y 轴负向的运动。
2.2土壤约束性质的计算
CASEARII 软件的土壤约束模拟算法源于Peng L C的论文《Stress Analysis Methods for Underground Pipeline》，土壤支撑运用具有初始刚度、极限载荷和屈服刚度的双线性弹簧来模拟。将屈服刚度设为接近于0的数，即一旦达到极限载荷，即使位移不断增加，其值也不会进一步增大。埋地管道应力分析需要计算的两个基本极限载荷是轴向和横向极限载荷，刚度则可以通过极限载荷除以屈服位移得到。其中涉及的计算公式[4]
如下。
（1）轴向极限载荷
F ax ＝μD （2 ρs ＋π ρp （6）
式中：F ax 为轴向极限载荷，N/mm；μ为管道与土壤的
摩擦因数，一般淤泥取0.3，细沙取0.4，沙砾取0.5，粘
土取0.6～2.4；
D 为管道的直径，mm；ρs 为土壤密度，N/mm 3；ρp 为管道材料密度，N/mm 3；ρf 为管内介质密度，N/mm 3。 （2）横向极限载荷未给定排水抗剪切强度：
F tr ＝0.5 ρs （H ＋D ）2tan 2C
（7）给定排水抗剪切强度：
F tr ＝（0.5 ρs （H ＋D ）2tan 2
C ）
S u /250 （8）式中：F tr 为横向极限载荷，N/mm；为土壤表面到管道顶部的深度，mm；S u 为无排水抗剪切强度，MPa；φ为土壤内摩擦角（沙土取27°～45°，淤泥取26°～35°，粘土取0°）；C 为土壤压缩因数。（3）屈服位移
y d ＝M (H ＋D )
（9）式中：y d 为屈服位移，mm；M 为屈服位移因数，屈服位移因数默认为0.015。
（4）单位长度管子上的轴向刚度
K ax ＝F ax /y d （10）（5）单位长度管子上的横向刚度
K tr ＝F tr /y d （11）可以根据经验或计算结果对每一个单元的土壤刚度进行设定，也可以由软件计算生成每个单元的土壤刚度。
3应力校核条件
液体输送管道和气体输送管道的应力校核标准分别采用ASME B31.4 和ASME B31.8。ASME B31.4根据埋地管道是否受到轴向约束而分别进行应力校核，而ASME B31.8不作区分。此外，国内标准对埋地管道的应力校核也有相关规定。3.1ASME B31.4的应力校核条件[5]
对于轴向位移受到约束的管道，应满足： Ea (T 2－T 1)＋(1－υ)σh ≤0.9 S （12）
式中：
E 为安装温度下管道的弹性模量，MPa；a 为材料的线膨胀因数，mm/（mm?℃）；υ为材料泊松比，对
钢材取0.3；T 1为管道安装温度，℃；T 2为管道最高操作温度，℃；σh 为介质压力引起的管道环向应力，MPa；S 为管道材料的最小屈服强度，MPa。
图 4 土壤约束力和管道位移的关系图
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表 1 土壤基本参数
对于轴向存在位移的管道，应该满足下列要求。①由压力、重力和其他持续外载荷在管道中产生的轴向应力之和S L ：
S L ≤0.75×0.72 S （13）
②由温度变化在管道中引起的热膨胀应力S e ： S e ≤0.72 S
（14）③由压力、活载荷和静载荷以及风和地震等偶然荷载在管道中产生的轴向应力之和S L ：
S L ≤0.8 S （15） 3.2ASME B31.8的应力校核条件[6]
（1）持续应力
S L ＝S 1p ＋S b ＜0.75 ST （16）
式中：S lp 为内压引起的轴向应力，MPa；S b 为载荷引起的弯曲应力，MPa；T 为温度折减因数，管道温度在121 ℃以下时取1，在149 ℃以下时取0.967，在177 ℃以下时取0.933，在204 ℃以下时取0.9。（2）热胀应力
S e ＝(S b 2＋4 S t 2)1/2≤0.72 S （17）式中：S t 为荷载引起的扭应力，MPa。
（3）操作应力
S ope ＝S e ＋S L ＜S （18）（4）偶然应力
S occ ＝S e ＋S L ＜0.75 STK （19）
式中：
K 为偶然载荷因数。3.3国内标准要求[1，
7-10]文献[1]和[9]均要求埋地管道直管段的轴向应力
与环向应力组合的当量应力小于管子最小屈服强度的90％（其表达式与ASME B31.4一致），并且要求管道组件的设计强度不小于相连直管段的设计强度。
文献[9]要求管道中因压力、重力和其他持续载荷所产生的纵向应力之和σL ，不超过材料在预计最高温度下的许用应力[σ]h 。计算的最大位移应力范围[σ]E 不超过式（20）确定的许用应力范围。
[σ]A ＝f （1.25[σ]C ＋0.25[σ]h ） （20）
若[σ]h ＞σL ，其差值可以加到式（20）中的0.25[σ]h
项上，则许用位移应力范围：
[σ]A ＝f （1.25[σ]C ＋[σ]h －σL ） （21）式中：
[σ]A 为许用位移应力范围；[σ]C 为在分析中的位移循环内，金属材料在冷态（预计最低温度）下的许用应力；[σ]h 为在分析中的位移循环内，金属材料在
热态（预计最高温度）下的许用应力；σL 为管道中由于压力、重力和其他持续载荷所产生的纵向应力之和；f 为管道位移应力范围减小因数。
4实例分析
某埋地输气管道采用φ273×12.5的X52钢管，管输介质压力为10 MPa，温度80 ℃，密度0.76 kg/m 3，土壤参数见表1。管道在点15进入土壤，在点20和30处为2个弯头，角度分别为90°和45°，管道上方绿色物体为计算得出的作用于管道的双线性弹簧约束码（图6）
。
图 6 添加土壤约束前后的管道模型
设计计算
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表 2 基于埋地管道回填土性质通过软件计算的土壤约束情况
结合埋地管道应力分析的基础知识和应力分析软件的实际运用，对埋地管道应力分析方法进行了较为全面的叙述，可供管道设计人员参考使用。
1代表操作工况，2代表持续应力工况，3
代表热膨胀工况；2）许用应力未给出表示未对其进行定义，但是可以判断应力分析结果满足要求。
表 3 部分管道节点在对应荷载作用下的应力分析结果
1）[1] 国家建设部. GB50251-2003输气管道工程设计规范[S].北京：
中国计划出版社，2005.
[2] Cai Qiangkang，Lu Yingmin. The effects of various parameters
on the thermal stresses in the pipe bends of underground pipelines[C].International Meeting on Petroleum Engineering Paper Presented by Chinese Party，Beijing，China，1982.[3] Blake，Alexander，Zaslawsky，et al.Friction and bearing loads on
buried pipes[J].Society of Petroleum Engineers，1973：5-6.[4] 北京艾思弗软件技术有限公司.管道应力分析理论指南[M].北
京：COADE Inc 中国技术服务与培训中心，1998：193-202.[5] The American Society of Mechanical Engineers. ASME B31.4-2009 pipeline transportation systems for liquid hydrocarbons and other liquids[S].New York：ASME，2010.
参考文献：
[6] The American Society of Mechanical Engineers.ASME B31.8-2010 gas transportation and distribution piping systems[S]. New York：ASME，2010.
[7] The American Society of Mechanical Engineers. ASME B31.3-
2008 Process Piping[S]. New York：ASME，2008.
[8] 国家技术监督局.GB50316-2000工业金属管道设计规范[S].
北京：中国计划出版社，2000.
[9] 国家建设部. GB50350-2005油气集输设计规范[S].北京：中
国计划出版社，2003.
[10] 唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2009：
95-97.
（收稿日期：2011-04-06；编辑：孙伶）
作者简介：
刘仕鳌，工程师，1963年生，1986年毕业于西南石油大学油气储运专业，现主要从事油气集输管理与相关技术研究。电话：139********；Email：lsa2005@https://www.doczj.com/doc/c310297206.html,
模型建立后，分别对管道在操作载荷、持续载荷、热膨胀载荷下进行应力分析，运用ASME B31.8进行校正。由于管道较长，分析结果较多，在此只给出软件
计算的相关数据和部分管道节点的应力情况（表2、表3），所有管道节点的应力均满足ASME B31.8的相关要求。
suffers from leakage, the gas is easily accumulated in the tankfarm and the diffusion rate is lower; when the tank at the edge of a tank group suffers from leakage, the gas diffusion rate is higher with a larger in? uence area; when the leakage direction is vertically upward or vertically downward, the gas accumulates easily in the tankfarm around the leakage opening, of which gas volume fractions can quickly reach the explosive limit, causing great risk. The research results can provide a reference to the development of emergency rescue plans for hazardous materials in tankfarm.
Key words: oil tankfarm, heavy gas, leakage, diffusion
Zhou Ning: Ph.D, associate professor, born in 1977, graduated from China University of Science and Technology, engineering mechanics with a doctor’s degree in 2007, mainly engaged in the research and teaching of oil & gas storage and transportation security technology. Add: Petroleum Engineering College of Changzhou University (Baiyun Campus), Changzhou, Jiangsu, 213016, P. R. China.
Tel:151********; Email:zhouning@https://www.doczj.com/doc/c310297206.html,
TRANSPORTATION PROCESS / DESIGN & CALCULATION / CORROSION CONTROL & INSULATION
Hydrate accident and prevention in Sebei-Xining-Lanzhou Gas Pipeline
Li Daquan，Ai Muyang，Wang Yubin，et al
OGST，Vol. 31 No. 4，pp. 267–269，4/25/2012. ISSN 1000-8241；In Chinese
Sebei-Xining-Lanzhou Pipeline passes through cold regions in the northwest plateaus of China. Due to gas with higher moisture and pipeline not being complete dried in the operation process, liquid water occurs in the pipeline, so that pipelines are vulnerable to frozen hydrate blockages. For the hydrate blockage accident which occurred at the Terminal Station in Lanzhou of Sebei-Xining-Lanzhou Gas Pipeline in winter of 2010, the dew point of gas and operating parameters of the pipeline were analyzed. The dew point value of natural gas was converted into water content value, and the water content value and process operating parameter scope obtained from the analysis were used to compare with hydrate formation condition parameters. Based on comparative results, operating parameters of the pipeline were controlled to prevent the formation of hydrate. The method to prevent hydrate formation by inhibitor injection and calculation method of the concentration were introduced. Practices in hydrate control technology in the pipeline hydrate accident indicated that compared with the inhibitor injection method, the method to detect gas parameters and monitor pipeline process operating parameters for preventing hydrate formation in the gas pipeline system can meet the requirements of operation and is more economic and safe.
Key words: Sebei-Xining-Lanzhou gas pipeline, hydrate, accident, inhibitor, water dew point, prevention
Li Daquan: Ph.D candidate, born in 1980, graduated from Southwest University of Petroleum, oil & gas storage and transportation, in 2005, mainly engaged in the research of pigging and integrity management technology of oil and gas pipelines.
Add: No.51, Jinguang Road, Guangyang District, Langfang, Hebei, 065000, P. R. China.
Tel: 137********; Email:ldq80@https://www.doczj.com/doc/c310297206.html,
Calculate the failure probability of urban gas pipeline based on Bayesian network model
Hao Yongmei，Xing Zhixiang，Shen Ming，et al
OGST，Vol. 31 No. 4，pp. 270–273，4/25/2012. ISSN 1000-8241；In Chinese
Bayesian network has a powerful processing capacity and the capacity in self-learning and upgrading on the uncertain problems. Application of Bayesian network software can improve the effectiveness of risk prediction related to the network. In a urban gas pipeline case, Bayesian network-based model for the failure probability of urban gas pipeline is built to calculate the failure probability of polymorphism top event and structural importance containing failure factors by HUGIN and MSBNX software tools. By means of BN’s reasoning ability, single-factor and two-factor corrections on the natural destruction factor and corrosion factor which cause failure of pipeline are respectively given. Corrected Bayesian network model is more able to meet the actual conditions, which allows for better practical signi? cance in improving the systematicness, predictability and accuracy in failure quantitative analysis of urban gas pipeline, and also re? ects the unique advantage and applicability of the Bayesian network in dealing with complex system risk analysis.
Key words: urban gas pipeline network, Bayesian network, probability analysis
Hao Yongmei: senior engineer, born in 1970, and graduated from China University of Geosciences, safety engineering, in 1993, mainly engaged in the research and application of oil & gas pipeline safety and testing technology.
Add: Room 502, Unit B, East of Building 1, Hanlinyaju, University Town, Wujin District, Changzhou, Jiangsu, 213164, P. R. China.
Tel: 137********; Email:hymzcs@https://www.doczj.com/doc/c310297206.html,
Stress analysis method of buried pipeline
Liu Shi’ao，Pu Hongyu， Liu Shuwen，et al
OGST，Vol. 31 No. 4，pp. 274–278，4/25/2012. ISSN 1000-8241；In Chinese
Most oil and gas pipelines are buried pipelines, and their stress analysis, different to the process pipelines, mainly depends on the correct simulation of interaction between pipeline and soil. In combination with the world’s widely-used design ideas, CAESARII and AUTOPIPE software, this paper explains the theoretical basis and method of discretization for buried pipeline in the stress analysis model of buried
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3
pipeline, simulates the theory of interaction between soil and pipeline and the calculation method of related data; analyzes the veri? cation requirements to pipeline stress in ASMEB31.4, ASMEB31.8, and related design codes in China regarding oil and gas pipelines; and deepens the stress analysis method of buried pipeline in combination with engineering examples, so it will be able to play an active role in pipeline stress analysis work and help to improve understanding of pipeline stress analysis and pipeline stress safety issues.
Key words: buried pipeline, stress, binding, soil
Liu Shi’ao: Engineer, born in 1963, graduated from Southwest Petroleum University, oil & gas storage and transportation, in 1986, mainly engaged in the research of management of oil & gas gathering related technology.
Add: Oil and Gas Gathering Company, Jidong Oil? eld Branch, CNPC, Tangshan, Hebei, 063200, P. R. China.
Tel: 139********; Email:lsa2005@https://www.doczj.com/doc/c310297206.html,
Analysis of tensile and bending mechanical properties of offshore ? oating oil hose
Xu Hui，Zhang Caiying， Luo Yansheng，et al
OGST，Vol. 31 No. 4，pp. 279–282，288，4/25/2012. ISSN 1000-8241；In Chinese
Offshore ? oating hose is a combination section ? exible structure with a complex manufacturing process, high performance and high cost. Based on the ? nite element method, by the use of ABAQUS software, non-linear relationships between axial tensile load and stretch rate and between curvature and bending moment of ? ve-layer adhesive offshore oil ? oating hose under pressure and pressure-free conditions and formation mechanisms are analyzed and calculated. By analyzing the model, stress distribution characteristics for different layers of hose are obtained, and it is pointed out that the adhesive hose still has the non-linear equivalent section stiffness characteristics due to the non-symmetrical structure feature. In? uences of spiral reinforcement layout angle, spiral reinforcement diameter, cord thread layout angle of cord thread-rubber composite layers, and other structural design parameters on the hose stretch rate under the axial load are analyzed. It is considered that the relevant research results can provide a reference to the design of oil hose.
Key words: ? exible adhesive pipe, ? oating hose, composite material, cord thread-rubber composite, tensile stiffness, bending stiffness, mechanical property
Xu Hui: associate professor, MS.D, born in 1957, graduated from Tianjin University, ship and ocean engineering, in 1990, engaged in the ship and ocean engineering risk analysis and large-scale structure’s reliability design.
Add: Ship and Ocean Engineering Laboratory of Tianjin University, Tianjin, 300072, P. R. China.
Tel: 138********; Email:tjuxuhui@https://www.doczj.com/doc/c310297206.html,
Criterion for pipeline AC interference corrosion in the public energy corridor
Hao Hongna，Li Zili，Yi Hualei，et al
OGST，Vol. 31 No. 4，pp. 283–288，4/25/2012. ISSN 1000-8241；In Chinese
Construction of high-voltage power lines and AC electrified railways speed up the formation of utility energy corridor. This causes AC interference corrosion problems due to being crossed with, parallel to, or near buried oil and gas pipelines, which may threaten the safe operation of pipeline. Criterions and relevant standards for AC interference corrosion are promulgated in countries worldwide. For pipeline systems without cathodic protection (CP), AC induction voltage and AC current density are more likely to be used. For pipeline systems with CP, the density ratio between AC current and DC current is more likely to be used. For new pipeline systems, the most direct method for avoiding AC interference corrosion in the public energy corridor is to remove AC interference sources from high-voltage power lines, electri? ed railways and other buried pipelines. For in-service pipeline systems, the AC interference corrosion is reduced by shielding or draining measures, or other measures. There are still many cognitive gaps to be ? lled on the effects of AC corrosion on CP systems and the use of AC voltage or AC current density for evaluation of AC corrosion rates. Meanwhile, standards for safe distance between high-voltage power lines, electri? ed railways, and oil & gas pipelines should be researched and developed based on the local conditions in order to meet the requirements in China.
Key words: utility energy corridor, oil and gas pipeline, AC interference, corrosion, criterion
Hao Hongna: Ph.D candidate, born in 1983, graduated from China University of Petroleum (East China), oil & gas storage and transportation engineering, in 2008, mainly engaged in the research of buried pipeline corrosion and protection technology.
Add:No.66, Yangtze West Road, Qingdao Development Zone, Qingdao, Shandong, 266555, P. R. China.
Tel: 151********; Email:hongnahao@https://www.doczj.com/doc/c310297206.html,
EXPERIENCE EXCHANGE / ENERGY SAVING & ENVIRONMENT PROTECTION / ENGINEERING ECONOMY
Application of solar energy and heat pump technology in oil heating system
Pei Junfeng and Chen Guangmin
OGST，Vol. 31 No. 4，pp. 289–291，4/25/2012. ISSN 1000-8241；In Chinese
Oil or gas-? red heaters used to heat crude oil will result in energy waste and environmental pollution. A high-temperature heat pump which takes the solar energy and heat from re-injected water heat exchange as the low-temperature heat source and electric heater as the alternative
https://www.doczj.com/doc/c310297206.html,
管道应力分析基础知识 2009-04-09 13:55 1. 进行应力分析的目的是 1) 使管道应力在规范的许用范围内； 2) 使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准； 3) 计算出作用在管道支吊架上的荷载； 4) 解决管道动力学问题； 5) 帮助配管优化设计。 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。 1) 静力分析包括： (l)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； (6)管系位移计算――防止管道碰撞和支吊点位移过大。 2) 动力分析包括： (l)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)往复压缩机气柱频率分析――防止气柱共振； (4)往复压缩机压力脉动分析――控制压力脉动值。 3. 管道应力分析的方法 管道应力分析的方法有：目测法、图表法、公式法、和计算机分析方法。选用什
么分析方法，应根据管道输送的介质、管道操作温度、操作压力、公称直径和所连接的设备类型等设计条件确定。 4. 对管系进行分析计算 1) 建立计算模型（编节点号），进行计算机应力分析时，管道轴测图上需要提供给计算机软件数据的部位和需要计算机软件输出数据的部位称作节点： (1)管道端点 (2)管道约束点、支撑点、给定位移点 (3)管道方向改变点、分支点 (4)管径、壁厚改变点 (5)存在条件变化点（温度、压力变化处） (6)定义边界条件（约束和附加位移） (7)管道材料改变处（包括刚度改变处，如刚性元件） (8)定义节点的荷载条件（保温材料重量、附加力、风载、雪载等） (9)需了解分析结果处(如跨距较长的跨中心点) (10) 动力分析需增设点 2) 初步计算（输入数据符合要求即可进行计算） (1) 利用计算机推荐工况（用CASWARII计算，集中荷载、均布荷载特别加入） (2) 弹簧可由程序自动选取 (3) 计算结果分析 (4) 查看一次应力、二次应力的核算结果 (5) 查看冷态、热态位移 (6) 查看机器设备受力 (7) 查看支吊架受力（垂直荷载、水平荷载） (8) 查看弹簧表
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；
压力管道应力分析部分 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
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
附塔管道的应力分析 摘要：结合某装置反应塔附塔管道的应力分析，概述管道应力分析的目的、方法、必要性以及工作过程 关键词：附塔管道应力分析管道走向 压力管道在现代化工生产中被越来越广泛的使用，管道配管直接决定着工艺管道的安全性及经济性，也直接影响着整个工程的质量和安全事故的发生率以及整个装置的寿命。而对压力管道进行详细的应力分析，可得出整个管系的应力水平、薄弱点位置，可针对性的设置管道支吊架，合理地确定管道的走向，消除应力峰值，为安全生产打好基础。 管道应力分析的任务是指对管道进行包括应力计算在内的力学分析，并使分析结果满足标准规范的要求，从而保证管道自身和与其相连的机器、设备及土建结构的安全。 管道在使用过程中会受到各种载荷的影响，如果载荷超出了管道的承受能力，管道就会发生弯曲、变形、断裂等现象，也会对与管道相连的机器、设备及土建结构造成危险甚至破坏。为便于分析，将管道中各种载荷对管道产生的应力分为：一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力是指管道所受载荷，如内压、地震载荷、风载荷等引起的管道对抗外部载荷所必须的内部应力，随外力的增大而增大，具有非自限性的特点，超过某一限度，将使管道整体变形直至破坏。二次应力与外载荷没有直接关系，是由热胀冷缩、端点位移等位移载荷所产生的应力，具有自限性，即局部屈服和小量变形就可使应力减小。峰值应力是管道由于局部结构不连续或局部应力集中附加到一次应力或二次应力的增量。 管道应力分析可划分为静力分析和动力分析。静力分析是指在静力载荷作用下对管道进行力学分析，并进行相应的安全评定。需完成下列任务:计算管道中的应力并使之满足标准规范的要求，保证管道自身的安全（包括防止法兰泄露）；计算管道对与其相连的机器、设备的作用力，保证机器、设备的安全；计算管道对支吊架和土建结构的作用力，为支吊架和土建结构的设计提供依据；计算管道位移，防止位移过大造成支架脱落或管道碰撞，并为弹簧支吊架的选用提供依据；埋地管的稳定性计算，避免管道失稳。动力分析则主要指往复压缩机和往复泵管道的振动分析、管道的地震分析、水锤和冲击载荷作用下管道的振动分析，使地震和振动的影响得到有效控制。需完成下列任务：管道的地震分析，防止管道在地震中发生破坏；往复压缩机和往复泵管道的固有频率和振型分析，防止管道系统发生机械共振；往复压缩机和往复泵管道的强迫振动分析及声学模型分析，防止管道因振动发生疲劳破坏；水锤、安全阀泄放载荷和两相流所产生的支架载荷计算。 管道热胀冷缩产生的位移应力（二次应力）与管径、壁厚、管道的布置走向及温度高低等诸多因素直接相关，比较复杂，因此对管道二次应力的分析是管道应力分析最重要的任务，必须使管道系统具有足够的柔性。管道柔性设计的一般
管道应力分析概述 CAESARII软件介绍 CAESARII管道应力分析软件是由美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件。它既可以分析计算静态分析，也可进行动态分析。CAESARII向用户提供完备的国际上的通用管道设计规范，使用方便快捷。交互式数据输入图形输出，使用户可直观查看模型（单线、线框，实体图）强大的3D计算结果图形分析功能，丰富的约束类型，对边界条件提供最广泛的支撑类型选择、膨胀节库和法兰库，并且允许用户扩展自己的库。钢结构建模，并提供多种钢结构数据库.结构模型可以同管道模型合并,统一分析膨胀节可通过标准库选取自动建模、冷紧单元/弯头，三通应力强度因子（SIF）的计算、交互式的列表编辑输入格式用户控制和选择的程序运行方式,用户可定义各种工况。 一、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。 二、管道应力分析的主要内容 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——防止法兰汇漏。 动力分析包括：
l）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。 三、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； （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； （9）机械振动荷载：如回转设备的振动。 四、管道应力分析的目的 1）为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值； 2）为了使与管系相连的设备的管口荷载在制造商或国际规范（如 NEMA SM-23、API-610、API-6 17等）规定的许用范围内； 3）为了使与管系相连的设备管口的局部应力在 ASME Vlll的允许范围内； 4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载；
2003年 月 日发布 2003年 月 日实施 质 量 管 理 体 系 文 件 HQB-B06-05.306PP-2003 设计规定 管道应力分析设计规定 版 号：0 受控号：
管道应力分析设计规定HQB-B06-05.306PP- 2003版号编制校核审核批准批准日期 主编部室：管道室参编部室： 参编人员： 参校人员： 会签部室 签署 会签部室 签署 会签部室 签署 说明： 1．文件版号为A、B、C......。 2．每版号中局部修改版次为1/A、2/A……，1/B、2/B……，1/C、2/C……。
本规定（HQB-B06-05.306PP-2003）自2003年月实施。 目录 1. 总则 (1) 2. 应力分析管线的分类及应力分析方法 (2) 3. 管道应力分析设计输入和设计输出 (6) 4. 管道应力分析条件的确定 (9) 5. 管道应力分析评定准则 (11) 附件1 管线应力分析分类表 (14) 附件2 设备管口承载能力表 (15) 附件3 柔性系数k和应力增强系数i (16) 附件4 API 610《一般炼厂用离心泵》(摘录) (17) 附件5 NEMA SM23 (摘录) (22) 附件6 API 661 《一般厂用空冷器》(摘录) (23)
1. 总则 1.1 适用范围 1.1.1 本规定适用于石油化工生产装置及辅助设施中的碳钢、合金钢及不锈钢管道的应力分析设计工作。 本规定所列内容为管道应力分析设计工作的最低要求。 1.1.2 管道应力分析设计应保证管道在设计和工作条件下，具有足够的强度和合适的刚度，防止管道因热胀冷缩、支承或端点的附加位移及其它的荷载（如压力、自重、风、地震、雪等）造成下列问题： 1)管道的应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏。 2)管道连接处泄漏。 3)管道作用在与其相联的设备上的载荷过大，或在设备上产生大的变形或应 力，而影响了设备的正常运行。 4)管架因强度或刚度不够而造成管架破坏。 5)管道的位移量过大而引起的管道自身或其它管道的非正常运行或破坏。 6)机械振动、声频振动、流体锤、压力脉动、安全阀泄放等动荷载造成的管 道振动及破坏。 1.2 应力分析设计工作相关的标准、规范： 1) GB150-1999 《钢制压力容器》 2) GB50316-2000 《工业金属管道设计规范》 3) HG/T20645-1998 《化工装置管道机械设计规定》 4) JB/T8130.2－95 《可变弹簧支吊架》 5) JB/T8130.1－95 《恒力弹簧支吊架》
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。
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 8) 管道应力的安全评定条件 9) 机器设备的允许受力条件（或遵循的标准） 10)防止法兰泄漏的条件 11)膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求 12)业主的特殊要求 13)计算中的专门问题（如摩擦力、冷紧等的处理方法） 14)不同专业间的接口关系 15)环境设计荷载 16)其它要求 第二章压力管道柔性设计 1. 管道的基础条件 包括：介质温度压力管径壁厚材质荷载端点位移等。
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；
设 计 计 算 地质灾害下悬空管道的应力分析及计算 罗金恒1,2,赵新伟2,王峰会3,郑茂盛1 (1 西安交通大学材料科学与工程学院,陕西西安 710049; 2 中国石油天然气集团公司管材研究所,陕西西安 710065; 3.西北工业大学,陕西西安 710072) 摘 要:在地质灾害作用下,管道下方的土层下陷或流失会造成管道悬空,从而可能引发管道失效。 本文基于Winkler线性理论,建立了地质灾害作用下管道与土相互作用的力学模型,并利用有限元计算了悬空管道上的应力分布。 关键词:管道;地质灾害;应力分析;计算 中图分类号:TE973 91 文献标识码:A 文章编号:1001-4837(2006)06-0023-04 Stress Analysis and Calculation of Suspended Pipeline Due to Geotechnical Hazards LUO Jin-heng1,2,ZHAO X in-wei2,WANG Feng-hui3,ZHENG Mao-sheng1 (1.School of Materials Science&Engineering of Xi an Jiaotong University,Xi,an710049,China;2 Tubular Goods Research Centre of CNPC,Xi,an710065,China;3.Northwest Industry University,Xi,an710072,China) Abstract:Under the effects of geotechnical hazards,the soil under pipeline is fell down or swept away.There-fore the pipeline is suspended and probably led to failure.In the paper,a mechanical model based on Winkler theory was introduced to describe the interaction between the pipeline and the soil and Finite Element Method (FE M)is adopted to calculate the stress profile of suspended pipeline. Key words:pipeline;geotechnical hazards;stress analysis;calculation 1 前言 由于长距离油气输送管道周围环境复杂,地理条件多样,不可避免地会遇到各种各样的地质灾害区,将会给管道的长期安全运行构成严重威胁。例如,由于湿陷性黄土地质灾害的影响,马惠输油管道自建成投产后,几乎年年发生崩塌、坍塌等灾害,每年需耗费几十万甚至上百万元的维修资金,直接影响了管道安全运营[1]。 目前的研究重点集中在对地质灾害的防治上[1~4],对于建立力学模型计算地质灾害如何影响管道的失效却不多。为此,本文初步研究了在地质灾害作用下悬空管道的力学模型,并用有限元进行了计算。 2 悬空管段的受力模型 当埋设管道的地层发生塌陷、季节性水流冲涮等灾害时,管道下方的土层会下陷或流失,造成管道悬空。由于悬空管道两端受到未塌陷土层的支撑, 基金项目:中国石油天然气集团公司石油管力学和环境行为重点实验室资助项目(05A40101)
274 网络出版时间： 2012-3-16 10:47:56 网络出版地址：https://www.doczj.com/doc/c310297206.html,/kcms/detail/13.1093.TE.20120316.1047.001.html 由于埋地管道所具有的特殊性和控制规范要求，其应力分析与工艺管道存在较大差异，埋地管道轴向受约束，因此，受压力和温度影响将产生较大的轴向应力。埋地管道应力分析的关键是模拟管道与土壤的相互作用[1] ，主要包括两个方面：土壤对管道的轴向摩擦力及土壤对管道的横向推力。前者只有当管道存在轴向移动趋势时存在，后者是管道产生横向位移时的反作用力。目前，埋地管道应力分析均采用双线性弹簧约束模拟土壤对管道的作用，由于受管道长度所限而无法在管道沿线不间断地设置弹簧约束，因此，需要解决3个问题：其一，合理设置弹簧约束的间距；其二，研究土壤约束性质；其三，解决土壤约束和弹簧约束之间的转化问题。 1应力分析影响参数 在温度、压力及地震载荷的作用下，埋地管道中的弯头和三通等管道走向发生改变的区域会产生较大的弯矩（使管道产生横向形变）和轴向力，距离此类管道元件越远，管道的弯矩越小[2] 。为了准确模拟土壤和管道的相互作用，从而得到较准确的应力分析结果，在弯头和三通等管道元件处必须将土壤约束间距设置很小；在远离弯头和三通的区域，只需模拟土壤与管道摩 埋地管道应力分析方法 刘仕鳌1 蒲红宇2 刘书文3 蒋洪2 1.中国石油冀东油田分公司油气集输公司，河北唐山 063000； 2.西南石油大学，四川成都 610500； 3.四川科宏石油天然气工程有限公司，重庆 400021 刘仕鳌等.埋地管道应力分析方法.油气储运，2012，31（4）：274-278. 文章编号：1000-8241（2012） 04-0274-05摘要：油气输送管道大部分为埋地管道，其应力分析与工艺管道不同，关键在于准确模拟管道与土壤 的相互作用。结合国际上广泛运用的CAESARII 和AUTOPIPE 软件设计思路，阐述了埋地管道应力分析模型中对埋地管道离散化的理论基础和方法，模拟土壤与管道相互作用的原理以及相关数据的计算方法；对比分析了ASMEB31.4、ASMEB31.8及国内相关油气输送管道设计规范对管道应力的校核要求；结合工程实例深化了埋地管道应力分析方法，对于开展管道应力分析工作具有积极作用，有利于增进对于管道应力分析及管道应力安全问题的认识。关键词：埋地管道；应力；约束；土壤中图分类号：TE89 文献标识码：A doi ：10.6047/j.issn.1000-8241.2012.04.009擦造成的管道轴向力，此时可以将土壤约束间距设置稍大。1.1模型离散 根据连续弹性地基上的柔性梁在力R 作用下的受力分析（图1），可以计算位移分布： γ（x ）＝ e βx （cos βx ＋sin βx ） （1） （2） 式中： γ（x ）为位移分布，mm；R 为作用力，N；β为设置的中间变量；E 为管道的弹性模量，MPa；I 为管道的惯性矩，mm 4；k 为单位长度的土壤线刚度，N/mm 2。 对于带有弯头或三通的埋地管道，其横向承载性能与连续弹性地基上的柔性梁相似（图1C），弯头一端 图 1 带弯头的埋地管道和连续弹性 地基上无限长梁的受力分析
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、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 1)GB 50316-2000《工业金属管道设计规》 2)SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规》 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》 6)/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》 7)/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)适用围 2)概述
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。
管道应力分析 应力分析 1. 进行应力分析的目的是 1) 使管道应力在规范的许用范围内； 2) 使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准； 3) 计算出作用在管道支吊架上的荷载； 4) 解决管道动力学问题； 5) 帮助配管优化设计。 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。 1) 静力分析包括： (l)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； (6)管系位移计算――防止管道碰撞和支吊点位移过大。 2) 动力分析包括： (l)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)往复压缩机气柱频率分析――防止气柱共振； (4)往复压缩机压力脉动分析――控制压力脉动值。 3. 管道应力分析的方法
管道应力分析的方法有：目测法、图表法、公式法、和计算机分析方法。选用什么分析方法，应根据管道输送的介质、管道操作温度、操作压力、公称直径和所连接的设备类型等设计条件确定。 4. 对管系进行分析计算 1) 建立计算模型（编节点号），进行计算机应力分析时，管道轴测图上需要提供给计算机软件数据的部位和需要计算机软件输出数据的部位称作节点： (1) 管道端点 (2) 管道约束点、支撑点、给定位移点 (3) 管道方向改变点、分支点 (4) 管径、壁厚改变点 (5) 存在条件变化点（温度、压力变化处） (6) 定义边界条件（约束和附加位移） (7) 管道材料改变处（包括刚度改变处，如刚性元件） (8) 定义节点的荷载条件（保温材料重量、附加力、风载、雪载等） (9) 需了解分析结果处(如跨距较长的跨中心点) (10) 动力分析需增设点 2) 初步计算（输入数据符合要求即可进行计算） (1) 利用计算机推荐工况（用CASWARII计算，集中荷载、均布荷载特别加入） (2) 弹簧可由程序自动选取 (3) 计算结果分析 (4) 查看一次应力、二次应力的核算结果 (5) 查看冷态、热态位移 (6) 查看机器设备受力 (7) 查看支吊架受力（垂直荷载、水平荷载）
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
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。