管道载荷类型及组合荷载作用下的应力分析
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管道应力分析概述
2017年05月管道应力分析概述刘豫（青岛海工英派尔工程有限公司，山东青岛266101）摘要:本文介绍了管道应力的分类、应力分析常用标准以及管道分析的主要内容，运用CAESARII 对管系模型进行应力分析，通过合理优化管道布置以减小应力所造成的影响。
本文结合工程实例分析管道应力所带来的影响，深化了对管道应力安全的认识。
关键词:应力分析；软件；支吊架1管道应力分析概况1.1进行应力分析的原因管道在运行过程中可能存在压力、重量、风、地震、设备震动等外力产生的荷载，而荷载是产生应力的主要因素。
管道应力分析的目的是防止管道疲劳及塑性变形破坏，保护设备正常运行，为支架设立提供依据。
根据应力分析的结果，通过调整管道的走向、增加支吊架或补偿器的方法，保证与管道相连的设备和结构设施的安全。
1.2进行应力分析的管线类别在设计过程中，满足以下条件的管线需要应力计算：极端温度（高温、低温）、高压、大直径薄壁管道、剧烈工况运行、和泵、压缩机、反应器等设备相连的管道等。
[1]2压力管道应力分析2.1应力分析常用标准压力管道的校核标准根据管道内不同的介质类型，可划分为几类不同的校核标准。
国内常用的几种标准，工艺管道参照GB 50316《工业金属管道设计规范》；输油管道参照GB 50253《输油管道工程设计规范》，同时可参照SH/T 3041《石油化工管道柔性设计规范》[2]。
国外标准通常使用美标ASME ，包括：ASME B31.1Power piping ——动力管道ASME B31.3Process Piping ——工艺管道ASME B31.4Pipeline Transportation Systems for liquids and slurries——液态烃及其他液体管线输送系统以上国内外标准主要针对管道系统，在计算管嘴受力、动力分析时还应参照压力容器及各类动设备的设计规范。
使用不同标准得出的计算结果也不尽相同，选择适当的标准能让计算结果更接近实际工况。
管道应力分析及计算全
B、动力分析包含的内容 a)管道固有频率分析 — 防止共振。 b)管道强迫振动响应分析 — 控制管道振动及应力。 c)往复式压缩机(泵)气(液)柱频率分析 — 防止气柱 共振。
d)往复式压缩机(泵)压力脉动分析 — 控制压力脉动 值(δ值)。
C、动力分析要点
a)
振源
机器动平衡差 — 基础设计不当
⑶ 编制临界管线表(三级签署) — 应力分析管线表
静力分析
⑷ 应力分析
(三、四级)；
动力分析
⑸ 卧式容器固定端确定，立式设备支耳标高确定；
⑹ 支管补强计算；
⑺ 动设备许用荷载校核(四级)
⑻ 夹套管(蒸汽、热油、热水)计算(端部强 度计算、内部导向翼板位置确定、同时 包括任何应力分析管道的所有内容)；
三、管道的柔性设计
3.1、柔性定义及柔性设计的方法和目的 a)定义 b)目的 c)设计方法 d)端点位移考虑 3.2、是否进行详细柔性设计的判别方法 a)应进行详细柔性设计的管道 b)可以不进行详细柔性设计的管道 c)判别式的使用方法与注意事项 3.3、管道的热补偿
三、管道的柔性设计
3.4、应力增大因子 3.5、柔性分析方程 3.6、弹性模量随温度变化效应 3.7、柔性分析的另一规则
2)两台或三台压缩机的汇集总管截面积至少为进口管 截面积的三倍，且应使柱塞流的冲击力不增加。
3)孔板消振 — 在缓冲罐的出口加一块孔板。
孔径大小：
d D
4
U,
U
V气体流速 V介质内的声速
d 0.3 ~ 0.5 D
孔板厚度=3～5mm
孔板位置 — 在较大缓冲罐的进出口均可
d)减少激振力——减少弯头、三通、异径管等管件。
A、当
管道载荷类型及组合荷载作用下的应力分析
四.
结论 ....................................................................................................................... 10
刘羽涵：管道载荷类型及组合荷载作用下的应力分析
目
录
一. 二.
引言 ......................................................................................................................... 1 工况描述及载荷分析 ............................................................................................. 1 2.1 运行工况 ................................................................................................................. 1 2.1.1 运行工况的分类 .......................................................................................... 1 2.1.2 不同工况运行规则及相互关系 .................................................................. 1 2.2 载荷分析 ................................................................................................................. 2 2.2.1 管道载荷规则 .............................................................................................. 2 2.2.2 管道自重载荷影响 ...................................................................................... 3 2.2.3 管道冷却、膨胀等动载荷的影响与组合 .................................................. 3
管道应力分析和计算
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。
管道荷载计算方法规定
中国石化集团兰州设计院标准SLDI 333C06-2001 0 新制定全部顾英张彦天郑明峰2002.04.01修改标记简要说明修改页码编制校核审核审定日期2001-01-08 发布 2001-01-15 实施中国石化集团兰州设计院管道荷载计算方法规定目录1.范围2.荷载类型和组合2.1 荷载类型2.2 条件2.3 荷载组合3. 荷载计算方法3.1 管子荷载3.2 由热胀或热缩引起的水平荷载和垂直荷载3.3 摩擦力3.4 地震荷载、风荷载、雪荷载、冲击荷载1. 范围本标准中包括的荷载数据的计算方法用于土建结构条件的设计。
2.荷载类型及组合2.1 荷载类型荷载数据应包含以下荷载:（1）管道荷载(自重及工作荷载)管道重量,保温材料,介质等（2）热胀或热缩引起的反作用力反作用力是由管子的热胀或对收缩以及位移约束引起的。
（3）摩擦力摩擦力是由管架上的管子的位移引起的。
（4）地震荷载(a) 由地震加速引起的荷载(b)由管道约束点与地震相关的位移引起的反作用力(反作用力的计算方法与热应力的计算方法类似) （5）风荷载（6）雪荷载（7）冲击荷载由安全阀气流或水锤的冲击引起的荷载。
（8）膨胀节的拉伸及反弹作用。
2.2条件荷载的计算应经过下述条件的研究。
当荷载已达到正常操作时的最大值，或其他操作情况下荷载的变化可以忽略不计，计算可仅以正常操作情况为基准。
（1）水压试验、气压试验充水重。
（2）正常操作条件。
正常操作条件不同于以下第（3）条中所述情形。
（3）特殊操作情况（a）开车情况（从开车到正常操作的过渡情况）。
管子从管架上松开，设备或管道等内部温度的临时变化引起的热应力。
（b）停车情况（从正常操作到停车的过渡情况）。
应考虑到与紧急停车相关的问题（压降等），开车时的情况也应考虑。
（c）除焦，再生操作，蒸汽转化等。
2.3荷载组合（a）下表是在各种条件下同时起作用的荷载组合。
P : 集中荷载W: 均匀荷载Q : 单位荷载(单位面积重量)（2）假设地震荷载,风荷载及冲击荷载没有同时产生影响.（3）在水压实试验中无需标注管架,梁,结构等的垂直荷载.在其他情况下,当管线数量较少时，应单独标出每跟管线的垂直荷载。
浅谈压力管道应力分析及计算
浅谈压力管道应力分析及计算摘要：压力管道在工业生产或社会建设中被越来越广泛的使用，以其自身的特殊性和有针对性的特点，成为工业社会的一个重要课题。
管道质量及应力的大小直接影响到工程的质量及安全事故的发生率，应力的分析与计算也显得十分重要。
压力管道应力可分为一次应力、二次应力及峰值应力，三种类型，各种类型应力的特点各有不同，可以通过科学的方法如CAESAR II分析系统及复杂的公式多次计算，得出准确数值。
关键词：压力管道应力分析计算随着我国现代化技术的革新，工业蓬勃发展，国家大力支持公共设施建设项目，油田建设、大兴水利、天然气工程、南水北调工程等，压力管道成为最常见设备之一，其承担着输送易燃易爆能源、放射性及高腐蚀性物资的重大任务。
压力管道的安全与质量问题也成为从设计、安装、维护到使用等各个环所有相关部门都关注的重点防范问题，但其生产和使用过受到各种荷载因素的影响，加之自身应力的原因，使得压力管道事故频频发生，成为重大公共安全隐患，其也是国家相关安全监督管理项目之一[1]。
压力管道的应力分析与计算成为各种建设项的必要课题。
现对当前常用的压力管道应力进行分析及计算，相关报告如下：一、压力管道的特点压力管道在工作过程中所承担的重任和性质的特殊性，使其呈现出与一般管道与压力容器完全不同的特性，按照使用领域来划分，压力管道了分为一般工业压力管道和大跨度的公用管道，具体分以下几点：①工业压力管道构建出现代工业化生产体系，其特点是连接点多，管道的弯曲较多，分布密度大。
各个车间职能不同，使用的压力管道材料、规格要求各不一样，降低了整个系统的均衡质量。
生产过程中影响荷载的因素众多，如温度、运送物资质量、密度、化学性质等[2]。
②大跨度公用管道该类工程均跨越地理、气候各不一样的省市，有以下几个特点即长度极大，压力荷载复杂，性质不稳定，且受自然条件影响较多，如地质压力、风雪天气、地震塌陷等。
各项安全指标的测量准确度不高，维护难度大。
管道应力分析主要内容及要点
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。
管道应力分析
管道应力分析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）(8) 查看弹簧表3) 反复修改直至计算结果满足标准规范要求（计算结果不满足要求可能存在的问题）(1) 一次应力超标，缺少支架(2) 二次应力超标，管道柔性不够或三通需加强(3) 冷态位移过大，缺少支架(4) 热态水平位移过大，缺少固定点或∏型(5) 机器设备受力过大，管道柔性不够(6) 固定、限位支架水平受力过大，固定、限位支架位置不当或管道柔性不够(7) 支吊点垂直力过大，可考虑采用弹簧支吊架(8) 弹簧荷载、位移范围选择不当，人为进行调整5. 编制计算书，向相关专业提交分析计算结果1) 计算书内容(1) 一次应力校核内容(2) 二次应力校核内容(3) 约束点包括固定点、支吊点、限位导向点和位移点冷态、热态受力(4) 各节点的冷态、热态位移(5) 弹簧支吊架和膨胀节的型号等有关信息(6) 离心泵、压缩机和汽轮机的受力校核结果(7) 经分析最终确定的管道三维立体图，包括支吊架位置、形式、膨胀节位置等信息2) 向相关专业提交分析计算结果(1) 向配管专业提交管道应力分析计算书，计算书不提供给甲方(2) 向设备专业提交设备需确认的设备受力(3) 如果支撑点、限位点、导向点的荷载较大，应向结构专业提交荷载数据(4) 将往复压缩机管道布置及支架设置提交压缩机制造厂确认6. 何谓一次应力，何谓二次应力？分别有哪些荷载产生？这两种应力各有何特点？答：一次应力是指由于外加荷载，如压力或重力等的作用产生的应力。
管道应力分析
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）(8) 查看弹簧表3) 反复修改直至计算结果满足标准规范要求（计算结果不满足要求可能存在的问题）(1) 一次应力超标，缺少支架(2) 二次应力超标，管道柔性不够或三通需加强(3) 冷态位移过大，缺少支架(4) 热态水平位移过大，缺少固定点或Π型(5) 机器设备受力过大，管道柔性不够(6) 固定、限位支架水平受力过大，固定、限位支架位置不当或管道柔性不够(7) 支吊点垂直力过大，可考虑采用弹簧支吊架(8) 弹簧荷载、位移范围选择不当，人为进行调整5. 编制计算书，向相关专业提交分析计算结果1) 计算书内容(1) 一次应力校核内容(2) 二次应力校核内容(3) 约束点包括固定点、支吊点、限位导向点和位移点冷态、热态受力(4) 各节点的冷态、热态位移(5) 弹簧支吊架和膨胀节的型号等有关信息(6) 离心泵、压缩机和汽轮机的受力校核结果(7) 经分析最终确定的管道三维立体图，包括支吊架位置、形式、膨胀节位置等信息2) 向相关专业提交分析计算结果(1) 向配管专业提交管道应力分析计算书，计算书不提供给甲方(2) 向设备专业提交设备需确认的设备受力(3) 如果支撑点、限位点、导向点的荷载较大，应向结构专业提交荷载数据(4) 将往复压缩机管道布置及支架设置提交压缩机制造厂确认6. 何谓一次应力，何谓二次应力？分别有哪些荷载产生？这两种应力各有何特点？答：一次应力是指由于外加荷载，如压力或重力等的作用产生的应力。
石油化工设计中管道的应力分析
石油化工设计中管道的应力分析管道是石油化工设施中不可或缺的组成部分，它们被用来输送各种石化产品和原料，如石油、天然气、液化气等。
在设计过程中，管道的应力分析是一个必须考虑的关键因素，它对管道的安全运行和寿命有着至关重要的作用。
1. 管道的载荷在考虑各种载荷对管道的影响时，必须考虑以下因素：• 内外压力：管道内/外部分别承受和承受的压力。
• 温度变化：管道的扩张和收缩受到温度变化的影响。
• 重力和惯性力：管道结构的重量以及运动过程中的惯性力。
• 地震力和风力：管道经受自然灾害和风力的影响。
当这些载荷作用于管道结构时，会产生各种应力，如拉应力、压应力、剪应力和弯曲应力等。
因此，在进行应力分析时，需要考虑所有的载荷和其相应的应力。
2. 管道的应力计算管道的应力计算是设计过程中的一个关键步骤。
在计算过程中，需要考虑以下因素：• 管道的几何形状：管道的直径、壁厚和长度等几何参数。
• 材料的力学性质：管道所使用的材料的弹性模量、泊松比和屈服强度等材料力学参数。
• 载荷：管道承受的各种载荷及其相应的力。
基于这些因素，可以使用各种数值计算方法计算管道的应力，例如有限元法和解析法等。
这些方法广泛应用于石油化工设计中，以确定管道在各种载荷条件下的应力分布。
3. 应力分析的应用应力分析提供了关键的设计参数，如选择材料、确定管道的几何形状和尺寸等，以确保管道在设计寿命内安全运行。
此外，应力分析还用于评估管道的健康状况，例如确定是否需要更换或修理管道。
管道的应力分析还有助于减少管道故障和停机时间，以提高石油化工设施的效率和生产率。
结论。
15.压力管道应力分析详解
压力管道的强度计算
参数确定
焊缝系数φ
无缝管φ=1.0; 单面焊接的螺旋线钢管φ=0.6; 纵缝焊接钢管：
双面焊的全焊透对接焊缝： 100%无损探伤，φ=1.0； 局部无损探伤，φ=0.85。 单面焊的对接焊缝，沿焊缝根部全长具有垫板： 100%无损探伤，φ=0.9； 局部无损探伤，φ=0.8。
自限性载荷（属静力载荷） 由于管道结构变形受约束所产生的载荷，不直接与外部 载荷平衡，当管道材料塑性较好时，其最大值限定在一定范 围内，不会无限制增大的载荷。 如管道温度变化产生的热载荷；结构曲率发生突变处附 近的边缘应力等 非自限性载荷（属静力载荷） 直接由外部作用的外力载荷。如介质压力、管道自重等
安定性
结构在载荷（包括热负荷）反复变化的过程中，不再发生 塑性变形的连续循环
安定性准则
由于塑性材料具有二次应力的局部性和自限性，控制结构 在运行中不发生疲劳破坏，使结构保持安定，而限定二次
应力范围的方法
一般压力管道应力许用值的限定
一次应力的限定
内压作用下 t 内压轴向力和持续外载作用下 zhl r 二次应力的限定 t 一次应力加二次应力 1.25 f
一次总体薄膜应力（Pm）
它是管道的基本应力，分布在整个管道上，在管道的截面 上是均匀分布的。如内压力引起的管道环向应力和轴向应力 一次弯曲应力（Pb） 这个应力在管道的很大区域内分布，在管道截面上的分布是 沿厚度变化的，呈线性分布。这种应力达到屈服时，只是局部 屈服，如果继续加载，应力在管道截面上的分布重新调整，允 许比一次总体薄膜应力具有较高的许用应力。 如由于管道的自重和机械载荷引起管道的弯曲变形产生的 弯曲应力等 一次局部薄膜应力（Pl） 由于压力或机械载荷引起的分布在局部范围内的薄膜应力。 这种应力达到屈服时，由于材料的塑性变形，也只引起局部屈 服，周围仍受到弹性材料的约束，允许在局部区域内产生屈服。 如管道支架处或管道接管连接处产生的应力
管道应力分析主要内容及要点
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和动力分析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。
管道应力分析及计算
⑵ 壁厚计算 D0 A、当
t 6 t
且
P
t
0.385时
2 t 2YP
D0 或 P
PD 0
B、当
t 6
0.385时 t
t 的确定应根据断裂理论、疲劳、热应力及材
料特性等因素综合考虑确定。 C、外压直管的壁厚，应根据GB150规定的方法确定。 D、其它的管件(如Y型三通、孔板等)依据相应的规范 (GB50316-2000)公式进行计算。
2
限制性管架
(7)轴向限位架
(8)导向架
用于限制管道轴向线位移的场合；
用于允许有管道轴向位移，但不允 许有横向位移的场合 用于限制或缓和管道振动
3
减振支架 (9)减振器
10.2、管道跨距及导向间距
1）管道跨距 — 强度及刚度两项控制
a)力学模型
强度条件：连续敷设水平直管允许跨距强度条件是管 道中最大 纵向应力不得大于设计温度下的材 料的许用应力。
七、管道应力分析中的特殊问题 7.1、夹套管应力分析
7.2、埋地管应力分析
7.3、高压管道应力分析
八、有限元法在管道应力分析中的应用
九、管道应力分析程序
9.1、CAESAR II软件的应用
9.2、AUTOPIPE软件的应用
十、管道支架设计
10.1、管道支架的分类及定义
按支架的作用分为三大类：承重架、限制性支架和减振 架。 1）承重架 : 用来承受管道的重力及其它垂直向下载荷的 支架(含可调支架)。
五、管道机械专业（应力分析）常用的标准规范
1、GB50316-2000《工业金属管道设计规范》 2、HG/T20645-1998《化工装置管道机械设计规定》 3、SH/T3041-2002《石油化工企业管道柔性设计规范》
管道荷载计算方法规定
中国石化集团兰州设计院标准SLDI 333C06-2001 0 新制定全部顾英张彦天郑明峰2002.04.01修改标记简要说明修改页码编制校核审核审定日期2001-01-08 发布 2001-01-15 实施中国石化集团兰州设计院管道荷载计算方法规定目录1.范围2.荷载类型和组合2.1 荷载类型2.2 条件2.3 荷载组合3. 荷载计算方法3.1 管子荷载3.2 由热胀或热缩引起的水平荷载和垂直荷载3.3 摩擦力3.4 地震荷载、风荷载、雪荷载、冲击荷载1. 范围本标准中包括的荷载数据的计算方法用于土建结构条件的设计。
2.荷载类型及组合2.1 荷载类型荷载数据应包含以下荷载:（1）管道荷载(自重及工作荷载)管道重量,保温材料,介质等（2）热胀或热缩引起的反作用力反作用力是由管子的热胀或对收缩以及位移约束引起的。
（3）摩擦力摩擦力是由管架上的管子的位移引起的。
（4）地震荷载(a) 由地震加速引起的荷载(b)由管道约束点与地震相关的位移引起的反作用力(反作用力的计算方法与热应力的计算方法类似) （5）风荷载（6）雪荷载（7）冲击荷载由安全阀气流或水锤的冲击引起的荷载。
（8）膨胀节的拉伸及反弹作用。
2.2条件荷载的计算应经过下述条件的研究。
当荷载已达到正常操作时的最大值，或其他操作情况下荷载的变化可以忽略不计，计算可仅以正常操作情况为基准。
（1）水压试验、气压试验充水重。
（2）正常操作条件。
正常操作条件不同于以下第（3）条中所述情形。
（3）特殊操作情况（a）开车情况（从开车到正常操作的过渡情况）。
管子从管架上松开，设备或管道等内部温度的临时变化引起的热应力。
（b）停车情况（从正常操作到停车的过渡情况）。
应考虑到与紧急停车相关的问题（压降等），开车时的情况也应考虑。
（c）除焦，再生操作，蒸汽转化等。
2.3荷载组合（a）下表是在各种条件下同时起作用的荷载组合。
P : 集中荷载W: 均匀荷载Q : 单位荷载(单位面积重量)（2）假设地震荷载,风荷载及冲击荷载没有同时产生影响.（3）在水压实试验中无需标注管架,梁,结构等的垂直荷载.在其他情况下,当管线数量较少时，应单独标出每跟管线的垂直荷载。
压力管道应力分析
• （3）载荷的自限性 • 自限性载荷是指由于结构变形协调 过程中所产生的载荷，例如：设备接 管处。 • 在管道的强度设计中，主要考虑的载 荷有介质内压、自重、支反力，及附 加位移等，介质内压是强度计算的最 主要的依据。
• 2、应力分类 • （1）应力的概念及管道的破坏 • 应力的基本定义是指构件单位面积上所承 受的内力 • 一般来说，应力的值随外载荷增大而增大， 而各种材料对应力的承受能力有一个极限， 称为强度极限，当应力的值达到或超过材料 的极限时，材料就可能发生诸如过度变形、 开裂、断裂、失稳等现象，称为失效或破坏。
• 3）峰值应力F • 峰值应力是由于载荷、结构形状突变而引起 的局部应力集中的最高应力值,是引起疲劳 破坏或脆性断裂的可能根源。
• 3、承压管道中的应力分布 • （1）管壁中的应力状态 • 在承受内（外）压力作用的管道器壁中， 由于管道几何形状的轴对称性质，可能产生 的主应力有σ θ 、σ z 、σ r 。
第二章
压力管道强度及应力分析
杨玉芬
一、压力管道应力分析的目的和意义
• 1、压力管道的安全运行意义重大 • 一套完整的工艺装置，只有通过管道按照流 程需要将工艺过程所必须的各种机械装备加 以连接才能进行正常的生产。 • 另外，工艺装置能否长期安全生产和具有足 够的使用寿命也与管道设计的好坏密切相关。 • 因此，管道设计是工业生产装置不可缺少的 重要组成部分，我们必须给予高度的重视。
不同性质的载荷，在管道中所产生的应力 对管道安全的影响不同，因此，要根据不 同类型的载荷采用不同的强度条件，才能 在保障安全的前提下，尽可能的提高管道 运行的经济性。 对于压力管道，介质的内压是最主要 的载荷，也是管道强度计算的主要依据。
4、压力管道应力分析的目的 压力管道的设计应能够适应介质的压力、 温度和介质的操作条件，设计的核心问题是 研究压力管道在外载荷作用下，有效地抵抗 变形和破坏的能力，即处理强度、刚度和稳 定性问题，保证压力管道的安全性和经济性。 因此，对压力管道进行较为充分的载荷 和应力、应力与变形分析，构成了压力管道 设计的重要理论基础。
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三.
组合载荷下的算例分析及结果评定 ..................................................................... 4 3.1 模型分析 ................................................................................................................. 4 3.1.1 SYSPIPE 介绍 .............................................................................................. 4 3.1.2 管道模型参数 ............................................................................................. 5 3.1.3 管道加载后的算例模拟 ............................................................................. 5 3.2 依据载荷分析对管道及支撑布置调整 ................................................................. 6 3.2.1 应力评定及接口参数 ................................................................................. 6 3.2.2 布置人员需考虑的管道布置规则 ............................................................. 6 3.2.3 管道力学分析比率过大的常见类型及解决方法 ..................................... 6
内容摘要：
本文通过对管道在设计工况下的各种载荷分析，说明了管道的载荷规则，并考虑 冷却对压力的影响、 液体膨胀的影响、 以及动载荷和重力的影响。 总结归纳管道自重、 内压、热膨胀等恒载的影响因素，利用 SYSPIPE 软件对管道和支架布置、管道系统评 定和接口参数进行建模，对管道承受的自重、内压、热膨胀、地震等载荷进行计算输 出，根据 RCC-M 规范进行应力分析和评定 ，通过算例总结出合理地布置管道和支撑 件以防止组合荷载作用下而导致管线变形和支撑件破坏的经验， 从力学角度来完善管 线布置的合理性。
刘羽涵：管道载荷类型及组合荷载作用下的应力分析
1
应规定一个准则级别，所采用的级别至少应与 C3150 中所规定的级别一样严格。每一 准则级别均与本章节关于机械完整性的要求而规定的一组应力限值相对应。 为了实现各种载荷工况下适用的最低准则级别的等效性， 在确定材料最小厚度规 则的 C3220 的公式中引入了最不利的载荷——应力强度组合 KSm， 它反映了遵守 O、 A、 B、C、和 D 各级准则的不同要求。 下表给出了在以相应准则级别表征的各类工况下载荷组合中所需适用的 K 值及 需验算的载荷和对应公式。 对应的载 荷工况 设计工况 准则 K 值 级别 系数 O 1.0 (6) 公式编号 允许应力
(9)
iM D 3S C Z
3S C
异常工况
B
1.1
(10) Pmax M MB DO 0.75i A 1.1S H Z 4t n
1.1S H
紧急工况
C
1.2
(10) Pmax M MB DO 0.75i A 1 .2 S H Z 4t n
1 .2 S H
事故工况
D
2.0
(10) Pmax M MB DO 0.75i A 2 .0 S H Z 4t n
2 .0 S H
基本许用应力强度值 Sm 见 RCC-M 附录 ZI 表 ZI1.1、ZI1.2 和表 ZI1.3。
2.2 载荷分析
2.2.1 管道载荷规则 考虑管道的载荷规则时，需考虑冷却、流体膨胀、动载、重力的影响，还要考虑 热膨胀和收缩引起的载荷。
二.
工况描述及载荷分析
2.1 运行工况
2.1.1 运行工况的分类 设备在运行中可处于不同工况。工况共分正常工况、扰动工况、紧急工况和事故 工况四类，另加一种常规的基准工况，还有设备在规定的水压试验过程中所处的试验 工况。 基准工况是以设计载荷为特征的一种状况，是设计设备与管线的基本参数。 正常工况是指设备在正常运行期间可能遇到的工况，即带稳态功率运行状况 和正常运行中的过渡状态。 扰动工况是指设备在正常运行事件过程中所处的工况。 紧急工况是指设备在稀有事件情况下才可能经受但必须予以考虑的工况。 事故工况是指发生概率极低但其后果对设备安全性的影响必须予以研究的工 况。在这类工况中不必考虑概率过低以致于实际上不可能发生的状态。 试验工况是指设备在规定的水压试验过程中所处的工况，水压试验外的其他 试验，不作为试验工况，而应分属于上述定义的各类工况中的一类。 2.1.2 不同工况运行规则及相互关系 根据 RCC-M 规范 C3000 设计篇章， 对于一种工况或一类工况有关的每一载荷组合
目
录
一. 二.
引言 ......................................................................................................................... 1 工况描述及载荷分析 ............................................................................................. 1 2.1 运行工况 ................................................................................................................. 1 2.1.1 运行工况的分类 .......................................................................................... 1 2.1.2 不同工况运行规则及相互关系 .................................................................. 1 2.2 载荷分析 ................................................................................................................. 2 2.2.1 管道载荷规则 .............................................................................................. 2 2.2.2 管道自重载荷影响 ...................................................................................... 3 2.2.3 管道冷却、膨胀等动载荷的影响与组合 .................................................. 3
SH SA SH S A
载荷类型 设计压力 自重 热膨胀及 位移 (7)+(6)L OADS 非循环 锚固 位移 最大压力 自重 半地震 位移 其他的主 荷载 最大压力 自重 其他的主 荷载 最大压力 自重 全地震 位移 其他的主 荷载
正常工况
A
1.0
PDO 0.75iM A SH 2t Z iM (7) C S A Z (8) PDO 0.75iM A iM C SH S A 4t n Z Z
刘羽涵：管道载荷类型及组合荷载作用下的应力分析
2
2.2.2 管道自重载荷影响 管道系统及其支承设计应能承受净重（由管道自身重量、保温层的重量和加在管 道上的其它永久性载荷所组成）和输送的介质重量，它们的布置和约束要适当，以防 止设备受到过度的载荷。要考虑的介质重量是在运行、试验或清洗时所承受的最大重 量。根据质点系的动量定理在管道设计时需重点考虑自重引起的附加动约束力。 2.2.3 管道冷却、膨胀等动载荷的影响与组合 2.2.3.1 冷却及液体膨胀的影响 当流体的冷却可能把管道中压力降低到低于管道外部压力时， 管道应按照能承受 此外压进行设计。 对于一般的管道， 其外部压力就是大气压 （大气压为 0.101325MP） ， 而对于套管而言，套管的设计压力即是内管的外压。总的来说，我们进行设计时应考 虑到管道在运行过程中的最不利情况，将压力按管子内外压中较大的压力值进行设 计。 由于管道的密封性能要求较高， 当没有释放阀或设备开口端等释放超压的措施时， 液体的膨胀可能使压力增加，则管道系统设计时需按照这一增大的压力设计。 综上所述，对管道进行应力分析时，应考虑管道运行的最不利情况，对由冷却和 液体膨胀引起的压力变化，设计时需取最大值进行分析。具体应用分析参见 C3640 及 C3650 篇管道制品的分析中 P 的取值。 2.2.3.2 动载荷的影响 动载荷是指随时间急剧变化，且使系统产生惯性力的载荷。管道设计的动载荷主 要包括管道内部或外部载荷产生的冲击力， 地震和振动以及压力和流量瞬变使释放阀 和安全阀产生的推力。管道的冲击载荷主要是指流体在管道变化处对管道的冲击，当 管径发生变化或管道走向变化时会产生很大的冲击力。 2.2.3.3 热膨胀和收缩的影响 热膨胀和收缩会导致管道有一定的位移，这样在支承的位置处会产生二次应力， 设计时可以通过正确设计几何尺寸来限制。膨胀节作用于解决管道热胀冷缩，位移及 振动与管道之间的柔性联接， 其设计时应按管道系统所能承受的最大压力和温度来设 计。 2.2.3.4 地震力等其他动载荷的影响 在管道、 支承件和固定件的设计中， 还应考虑地震力的影响， 分析中采用的荷载、 地震固定点的位移和循环次数应在设备规格书中给予规定。具体应用分析参见 C3650 中公式 10 的计算。 管道的布置和支承应使振动减到最小， 管道设计时应通过支架的布置减小两支架 间管道的最大位移范围，以保证管道系统的振动处在允许的范围内。另外压力和流量 瞬变会使释放阀和安全阀产生很大的推力，在管道、支承件及固定点的设计中也应予 以考虑。 2.2.3.5 RCC-M 中 C3650 篇公式 10 对以上影响因素的分析描述 由于压力、重量、偶然荷载，在指定为适用 B 级准则的工况下，所产生的应力总