下载文档原格式
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。
供热管道应力验算1 一般规定1.1 管道的应力验算应采用应力分类法，并应符合下列规定：1 一次应力的当量应力不应大于钢材的许用应力；2 一次应力和二次应力的当量应力变化范围不应大于3倍钢材的许用应力；3 局部应力集中部位的一次应力、二次应力和峰值应力的当量应力变化幅度不应大于3倍钢材的许用应力。
1.2 进行管道应力计算时，计算参数应按下列规定取值：1 计算压力应取管道设计压力；2 工作循环最高温度应取供热管网设计供水温度；3 工作循环最低温度，对于全年运行的管道应取30℃，对于只在采暖期运行的管道应取10℃；4 计算安装温度应取安装时的最低温度；5 计算应力变化范围范围时，计算温差应采用工作循环最高温度与工作循环最低温度之差；6 计算轴向力时，计算温差应采用工作循环最高温度与计算安装温度之差。
1.3 保温管与土壤之间的单位长度摩擦力应按下式计算：⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯-+⨯⨯+=g D G D K F ρπσπμ2c v c 0421 （5.1.3-1）ϕsin 10-=K （5.1.3-2）式中：F ——单位长度摩擦力（N/m ）；μ——摩擦系数；c D ——外护管外径（m ）；v σ——管道中心线处土壤应力（Pa ）；G ——包括介质在内的保温管单位长度自重（N/m ）； ρ——土壤密度（kg/m 3），可取1800 kg/m 3； g ——重力加速度（m/s 2）； 0K ——土壤静压力系数；ϕ——回填土内摩擦角（°），砂土可取30°。
1.4 土壤应力应按下列公式计算：1 当管道中心线位于地下水位以上时的土壤应力：H g ⨯⨯=ρσv （5.1.4-1）式中：v σ——管道中心线处土壤应力（Pa ）ρ——土壤密度（kg/m 3），可取1800 kg/m 3； g ——重力加速度（m/s 2）；H ——管道中心线覆土深度（m ）； 2 当管道中心线位于地下水位以下时的土壤应力：()w sw w v H H g H g -⨯+⨯⨯=ρρσ （5.1.4-2）式中：sw ρ——地下水位线以下的土壤有效密度（kg/m 3），可取1000 kg/m 3；w H ——地下水位线深度（m ）。
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。
[转贴]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。
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：σb20/3，σs t/1.5或σs t(0.2%)/1.5，σD t/1.5其中σb20——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）；σD 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。
第三章管道的设计参数第3.0.1条设计压力的取用管道设计压力（表压）系指管道运行中内部介质最大工作压力。
管道应力计算指导————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:ﻩ[转贴]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ﻫ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;ﻫ1）因应力过3) 管道的推力或力矩过大, 而使与管道连接大或金属疲劳而引起管道破坏；ﻫ２) 管道接头处泄漏;ﻫ的设备产生过大的应力或变形,影响设备正常运行;ﻫ４) 管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏；ﻫ1) GB50316-20０0《工业金属管道设计规范》ﻫ２) Ｓ２. 压力管道柔性设计常用标准和规范ﻫＨ/T 304１-2002《石油化工管道柔性设计规范》３) SＨ３03９-20０3《石油化工非埋地管道抗震设计通则》4） SH30５9-2０01《石油化工管道设计器材选用通则》ﻫ5) SH3073-95《石油化工企业管道6）ＪB/T8130.1-19９9《恒力弹簧支吊架》支吊架设计规范》ﻫ７) 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》ﻫ9) 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)ﻫ2) 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ﻫ4) 特殊管架设计4. 工作程序1）工程规定ﻫ2）管道的基本情况ﻫ３) 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ﻫ６) 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ＣAESAＲII 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13) 评定设备接口受力12) 评定管道应力ﻫ14) 编制设计文件5. 工程规定15）施工现场技术服务ﻫ1) 适用范围2) 概述ﻫ3) 设计采用的标准、规范及版本ﻫ4) 温度、压力等计算条件的确定ﻫ5) 分析中需要考虑7）需要进行详细应力分析的管道类别的荷载及计算方法ﻫ6) 应用的计算软件ﻫ8）管道应力的安全评定条件ﻫ９) 机器设备的允许受力条件（或遵循的标准）11)膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求1０）防止法兰泄漏的条件ﻫ1２)业主的特殊要求ﻫ１3)计算中的专门问题(如摩擦力、冷紧等的处理方法）ﻫ1４）不同专业间的接口关15)环境设计荷载系ﻫ16)其它要求第二章压力管道柔性设计1. 管道的基础条件ﻫ包括:介质温度压力管径壁厚材质荷载端点位移等。
ﻫ2．管道的计算温度确定ﻫ管道的计算温度应根据工艺设计条件及下列要求确定:1) 对于无隔热层管道:介质温度低于6５℃时, 取介质温度为计算温度；介质温度等于或高于65℃时, 取介质温度的95%为计算温度;ﻫ2) 对于有外隔热层管道，除另有计算或经验数据外，应取介质温度为计算温度;3) 对于夹套管道应取内管或套管介质温度的较高者作为计算温度；4) 对于外伴热管道应根据具体条件确定计算温度；５) 对于衬里管道应根据计算或经验数据确定计算温度;6) 对于安全泄压管道,应取排放时可能出现的最高或最低温度作为计算温度;7) 进行管道柔性设计时，不仅应考虑正常操作条件下的温度,还应考虑开车、停车、除焦、再生及蒸汽吹扫等工况。
4．管道计算压力应取计算温度下对应的操作压力。
３. 管道安装温度宜取20℃（除另有规定外）。
ﻫ1) 钢材平均线膨胀系５. 管道钢材参数按《石油化工管道柔性设计规范》SH/T30４1－２0０2执行ﻫ2）钢材弹性模量可参照附录B选取。
数可参照附录A选取。
ﻫ3）计算二次应力范围时,管材的弹性模量应取安装温度下钢材的弹性模量。
6. 管道壁厚计算ﻫ1) 内压金属直管的壁厚根据SH 3059-２0０1《石油化工管道设计器材选用通则》确定:当S０＜Do /6时，直管的计算壁厚为:ﻫS0 = P Ｄ0/(2[σ]tΦ+2ＰＹ)ﻫ直管的选用壁厚为: Ｓ＝Ｓ0 +Cﻫ式中S0―― 直管的计算壁厚, ｍm；ﻫP――设计压力，MPa；D0――直管外径，mm；[σ]ｔ―― 设计温度下直管材料的许用应力，MＰa;Φ――焊缝系数，对无缝钢管,Φ＝1；ﻫS――包括附加裕量在内的直管壁厚, mm；ﻫC―― 直管壁厚的附加裕量,mm；ﻫＹ――温度修正系数，按下表选取。
ﻫ当S０≥D0/6或P／[σ]t > 0．385时,直管壁厚应根据断裂理论、疲劳、热应力及材料特性等因素综合考虑确定。
2)对于外压直管的壁厚应根据GB １5０-１99８《钢制压力容器》规定的方法确定。
７. 管道上的荷载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;ﻫ２) 压力荷载，压力荷载包括内压力和外4) 风荷压力;ﻫ３) 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；ﻫ6) 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；5）地震荷载;ﻫ载;ﻫ9) 机器振动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；ﻫ７) 两相流脉动荷载;ﻫ8. 管道端点的附加位移ﻫ在管道柔性设计中,除考虑管道本身的热胀冷缩外,荷载，如回转设备的振动。
ﻫ还应考虑下列管道端点的附加位移：1) 静设备热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移;ﻫ２）转动设备热胀冷缩在连接管口处产生的附加位移；3) 加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移；ﻫ4) 储罐等设备基础沉降在连接管口处产生的附加位移；5）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。
9. 管道布置ﻫ管道的布置尽量利用自然补偿能力：ﻫ1) 改变管道的走向，以增加整个管道的柔性；2) 利用弹簧支吊架放松约束;3) 改变设备布置。
ﻫ4) 对于复杂管道可用固定点将其划分成几个形状较为简单的管段，如L形、Π形、Z形等管段。
确定管道固定点位置时,宜使两固定点间的管段能够自然补偿。
10. 宜采用计算机分析方法进行详细柔性设计的管道1) 操作温度大于400℃或小于-50 ℃的管道；2) 进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道；ﻫ３）进出反应器的高温管道；ﻫ4) 进出汽轮机的蒸汽管道;ﻫ５) 进出离心压缩机、往复式压缩机的工艺管道;6) 与离心泵连接的管道,可根据设计要求或按图1-1确定柔性设计方法；图１-１与离心泵连接管道柔性设计方法的选择7）设备管口有特殊受力要求的其他管道;11．不需要进行计算机应力分析的管道8）利用简化分析方法分析后，表明需进一步详细分析的管道。
ﻫﻫ1）与运行良好的管道柔性相同或基本相当的管道；2）和已分析管道相比较, 确认有足够柔性的管道;3) 对具有同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无中间约束并能满足式(1) 和式(2) 要求的非极度危害或非高度危害介质管道。
Do·Ｙ/(L-U)2≤2０８．３――(１)ﻫY =(⊿X2+⊿Y2+⊿Z2）1/２――（2）ﻫ式中：ﻫＤO――管道外径，mm；ﻫY――管道总线位移全补偿值，ｍm;Δｘ、Δy、Δz分别为管道沿坐标轴x、y、z方向的线位移全补偿值,ｍm;L――管系在两固定点之间的展开长度，m；U――管系在两固定点之间的直线距离,m。
ﻫ式(l )不适用于下列管道: ﻫ(1）在剧烈循环条件下运行，有疲劳危险的管道：ﻫ(2) 大直径薄壁管道(管件应力增强系数i≥5）：ﻫ（3）不在这接固定点方向的端点附加位移量占总位移量大部分的管道;ﻫ(4) L/U>2．5的不等腿"U＂形弯管, 或近似直线的锯齿状管道。
１２. 管道端点无附加角位移时管道线位移全补偿值计算ﻫ当管道端点无附加角位移时,管道线位移全补偿值应按下列公式计算：⊿Ｘ＝⊿ＸB－⊿ＸA－⊿XtAB⊿Y=⊿YＢ－⊿YA－⊿YtAB ﻫ⊿Z＝⊿ＺB-⊿ＺA－⊿ＺtＡB⊿XtＡB =α１(ＸB – XＡ）(T –Ｔ０）ﻫ⊿YtＡB ＝α1(YＢ– YA）（T –T0）⊿ＺtAB =α1(ＺB –ＺA）(T –Ｔ0)式中:ﻫ⊿X、⊿Y、⊿Z ――分别为管道沿坐标轴X、Y、Ｚ方向的线位移全补偿值，mm：⊿XＡ、⊿YA、⊿ZＡ――分别为管道的始端A沿坐标轴Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的附加线位移，mm；⊿XB、⊿YB、⊿ＺＢ――分别为管道的末端B沿坐标轴Ｘ、Ｙ、Z方向的附加线位移，mm；⊿XtAB、⊿YtAＢ、⊿ZtAB――分别为管道AＢ沿坐标轴X、Ｙ、Z方向的热伸长值,mｍ;ﻫαｔ――管道材料在安装温度与计算温度间的平均线膨胀系数，mm/mm·℃；XA、YＡ、ＺA――管道始端A的坐标值,ｍm;XB、YB、ＺB――管道末端Ｂ的坐标值，mm;T――管道计算温度，℃；13．例题T0――管道安装温度,℃。
ﻫ1) 假定一个始端，利用判别式解题有两种方法:ﻫ第一种方法注意如下四点和上面“＋”、“-”号的取值。
ﻫ一个终端2) 始端固定，终端放开3）热膨胀方向由始端向终端ﻫ４）热伸长量取正直ﻫ第二种方法注意如下四点。
和ＳH/T 3041-２０0２中的公式一致1) 假定一个始端，一个终端ﻫ２）始端固定, 终端放开ﻫ3) 热膨胀方向由始端向终端ﻫ4) 建立坐标系，端点附加位移和热伸长量与坐标轴同向取“＋”，与坐标轴反向取“－”。
ﻫ上题计算如下:ﻫ⊿Ｙ=⊿YB-⊿YA－⊿YtＡB＝0-4-１2 =-16 mｍ⊿Y=⊿YＢ－⊿YA－⊿YtAB = 4－（-5）－（-２0) = 2９ｍm⊿Z=⊿ZB-⊿ZA－⊿ＺtAB ＝2-0-(-2４) = 26mmY=（⊿Y２+⊿Y２+⊿Ｚ2)1／２= [(－１6)２＋292+262］1/２＝42.１ｍmﻫＤO.Y/(Ｌ－U)２= 15９*4２．1/(14-8.4)2 = 66９3.9／31.3６= ２13.４5 > 2０8.3所以需要进行详细分析，与上面的计算结果不同。
这里需要说明的是, 不是计算过程错误, 而是新旧标准管径取的不一致，新标准为外径。
第三章补偿器的选用ﻫ首先应利用改变管道走向获得必要的柔性，但由于布置空间的限制或其他原因也可采用补偿器获得柔性。
1. 补偿器的形式压力管道设计中常用的补偿器有三种：2. Π型补偿器ﻫΠ型补偿器结构简单、运行可靠、投Π型补偿器、波形补偿器、套管式或球形补偿器ﻫ资少,在石油化工管道设计中广泛采用。
采用Π形管段补偿时,宜将其设置在两固定点中部，为防止管道横向位移过大,应在Π型补偿器两侧设置导向架。
