管道应力分析

石油化工设计中管道的应力分析在石油化工设备和管道设计中，管道的应力分析是至关重要的一部分。

管道在输送化工产品、原油和天然气等流体过程中承受着巨大的压力和温度变化，因此对管道的应力进行准确的分析和评估是确保设备安全稳定运行的关键。

本文将就石油化工设计中管道的应力分析进行探讨，包括管道的应力来源、应力分析的方法以及如何通过应力分析来优化管道设计。

一、管道应力的来源管道在石油化工生产和运输中承受着各种不同类型的应力，主要包括以下几种：1. 内压力应力：当管道内输送流体时，流体对管道内壁产生压力，这种压力会导致管道内壁产生拉伸应力。

根据管道内部流体的压力大小和管道壁厚度，可以通过公式计算出内压力应力。

2. 外压力应力：当管道埋设在地下或者受到外部负荷作用时，管道外表面会受到外部压力的影响，产生外压力应力。

外压力应力的大小取决于埋深以及地下土壤或其他外部负荷的性质。

3. 温度应力：在石油化工生产中，管道内流体的温度会经常发生变化，管道壁由于温度变化而产生热应力。

当温度升高时，管道会受到膨胀，产生热膨胀应力；当温度降低时，管道会受到收缩，产生热收缩应力。

4. 惯性应力：当管道受到流体在流动中带来的冲击或者振动负荷时，管道会受到惯性应力的作用。

这种应力通常在管道系统启停或者调节流量时发生。

以上几种应力来源综合作用于管道中，会使得管道处于复杂的受力状态，因此需要进行系统的应力分析来保证管道的安全可靠运行。

二、管道应力分析的方法1. 弹性理论分析法：弹性理论分析法是管道应力分析常用的一种方法。

它基于弹性力学理论，通过有限元分析或者解析力学方法，对管道受力、应力分布和应力集中进行计算和分析。

这种方法可以较为准确地预测管道在各种受力情况下的应力状态，但需要复杂的数学计算和较高的专业知识。

2. 经验公式法：经验公式法是一种简化的应力分析方法，常用于一些简单的管道系统。

通过经验公式计算内压力应力、外压力应力和温度应力，并考虑到管道的材料性能和工作条件，可以得到初步的应力估计。

管道应力分析试题及答案一、选择题1. 管道应力分析的主要目的是什么？A. 确保管道的美观B. 确保管道的强度和稳定性C. 降低管道材料成本D. 提高管道的使用寿命答案：B2. 在进行管道应力分析时，以下哪项不是必须考虑的因素？A. 管道的几何尺寸B. 管道的支撑条件C. 管道的热膨胀D. 管道的表面颜色答案：D3. 管道的哪类应力是应力分析中最为关注的？A. 静应力B. 动应力C. 热应力D. 所有上述应力答案：D二、填空题4. 管道应力分析中，____是指管道在温度变化时由于热膨胀或收缩所产生的应力。

答案：热应力5. 在固定支架的设计中，____的概念是确保管道在热膨胀或收缩时能够自由移动，而不产生过大的热应力。

答案：热位移三、简答题6. 简述管道应力分析中“柔性分析”和“刚性分析”的区别。

答案：柔性分析主要关注管道系统中的柔性元件，如膨胀节，以及它们如何影响整个系统的应力分布。

刚性分析则侧重于管道系统中的刚性部分，如直管段和弯头，以及它们在固定支撑条件下的应力和变形。

7. 描述在进行管道应力分析时，为什么需要考虑管道的热膨胀系数。

答案：管道的热膨胀系数是描述材料在温度变化时体积或长度变化的物理量。

在管道系统中，温度变化会导致管道长度的变化，从而产生热应力。

如果不考虑热膨胀系数，可能会导致管道支撑设计不当，增加管道破裂或接头泄漏的风险。

四、计算题8. 假设有一段长10米的管道，其材料的热膨胀系数为12×10^-6/°C，环境温度从20°C升高到80°C。

如果管道两端固定，计算管道由于温度升高所产生的热应力。

答案：首先计算管道的热膨胀量：ΔL = L × α × ΔT，其中L为管道长度，α为热膨胀系数，ΔT为温度变化。

将给定数值代入公式得：ΔL = 10m × 12×10^-6/°C × (80°C - 20°C) = 0.0084m。

管道应力分析主要包括哪些内容，各种分析的目的是什么管道应力分析主要包括哪些内容，各种分析的目的是什么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)使装置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静力分析和动力分析,各种分析的目的是: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)管道对装置作用力的计算防止作用力太大，保证装置正常执行；(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、公称直径和所连线的装置型别等设计条件确定。

重力坝应力分析的目的是什么？目前应力分析的方法有哪几种1.进行应力分析的目的是2.1)使管道应力在规范的许用范围内；3.2)使装置管口载荷符合制造商的要求或公认的标准；4.3)计算出作用在管道支吊架上的荷载；5.4)解决管道动力学问题；6.5)帮助配管优化设计。

7.2.管道应力分析主要包括静力分析和动力分析,各种分析的目的是:8.1)静力分析包括：9.(l)压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算10.防止塑性变形破坏；11.(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12.防止疲劳破坏；13.(3)管道对装置作用力的计算14.防止作用力太大，保证装置正常执行；15.(4)管道支吊架的受力计算16.为支吊架设计提供依据；17.(5)管道上法兰的受力计算18.防止法兰泄漏；19.(6)管系位移计算20.防止管道碰撞和支吊点位移过大。

热力管道设计中的应力分析摘要：在对热力管道的工程方案设计中，进行分析时要充分考虑管线中的应力变化，在对应力分析的过程中对可能存在的问题加以总结，最后给出了有关在热力管线工程设计中相应的处理对策，并对具体的对策进行了讨论与剖析。

关键词：热力管线；应力分析；压力引言热力管线工程设计中，主要的应力范围包括管线的内部和外面以及由于压力变化所导致的膨胀等，因此在热力管线工程设计中应力是相对地较为繁琐繁杂的，而在对应力分析进行参数测算时也需要充分考虑管线所遭受的不同外界环境产生的应力的影响，及其对热力管线的正常使用所产生的限定影响。

1管道应力分析在热管设计中，一般都会有很多分支结构，有些分支结构是由很多环形结构构成的，一般都是按照三维方向来设计的，所以在热管的应力分析中，首先要考虑到热管内部的走向，然后再根据三维设计来计算。

1.1管系荷载的确定管系所承担的荷载一般可分成四种：（1）第一类的热力管线工程设计中管网本身所承担的荷载与工作温度，热力管线在工作中所承担的压力与工作温度荷载是不同的，通过热力管线的参数测算后确定最不利的一组加以处理，避免以后由于上述问题妨碍了热力管线的正常工作[1]。

（2）第二类是管系的承载力，它的内容包括：管内承受的基本载荷，管自身的自重，管中的外力和内力，以及其它的载荷。

（3）第三类是管线内的温度应力膨胀和端点位置变化，热管线在架设和运营过程中受到管道的高温变化，从而使管线内热胀冷缩变化，由于在热力管线内受到高温荷载的状态下，管线边界和设备终端会因为高温的改变而产生偏移，所以需要对热力管线端点位置变化加以控制。

（4）第四类情况就是热管线设计中要避免产生偶然性负荷，当然还有由于气候因素，地质条件等各种因素的共同影响而对管线所形成的冲击力，但是这种负荷的产生一般都是偶然性的，而且概率也不会很大，所以一般情况下以上的这些问题都不会因为同时存在而对热力管线产生危害。

1.2荷载工况在计算热力管道的参数时，既要考虑到设备的安装和工作状况，又要在管道的安装中首先要考虑到在常温下进行。

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,也可进展动态分析.CAESARII向用户提供完备的国际上的通用管道设计规X,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、管道应力分析的原如此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〕管道热胀冷缩以与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——控制管道振动与应力；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X〔如NEMA SM-23、API-610、API-6 17等〕规定的许用X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X围内；4〕为了计算管系中支架和约束的设计荷载；5〕为了进展操作工况碰撞检查而确定管于的位移；6〕为了优化管系设计.五、管道柔性设计方法确实定一般说来,下述管系必须利用应力分析软件〔如CAESAR II〕通过计算机进展计算与分析.1〕与贮罐相连的,公称管径12〞与以上且设计温度在100度与上的管线；2〕离心式压缩机〔API 617〕与往复式压缩机〔API 618〕的3〞与以上的进、出口管线：3〕蒸汽透平〔NAME SM23〕的入口、出口和抽提管线；4〕泵〔API 610〕——公称管径4〞与以上且温度100度与以上或温度-20度与以下的吸入.排出管线；5〕空冷器〔API 661〕——公称管径6〞与以上且温度120度与以上的进、出口管线；6〕加热炉〔API 560〕——与管口相连的6〞与以上和温度200度与以上的管线；7〕相当长的直管,如界区外的管廊上的管线；8〕法兰处的泄漏会造成重大危险的管线,如氧气管线、环氧乙烷管线等.9〕公称管径4〞与以上且100度与以上或-50度与以下的所有管线；六、摩擦系数确实定除非另有规定,在进展管道柔性分析时摩擦系数应作如下考虑：滑动支架：滚动支架：注：滚珠沿轴向运动时应采用滑动摩擦系数．七、管道柔性设计管道柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念,表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其它位移变形的能力.进展管道设计时,应在保证管道具有足够的柔性来吸收位移应变的前提下,使管道的长度尽可能短或投资尽可能少.在管道柔性设计中,除考虑管道本身的热胀冷缩外,还应考虑管道端点的附加位移.设计时,一般采用如下一种或几种措施来增加管道的柔性：〔1〕改变管道的走向；〔2〕选用波形补偿器、套管式补偿器或球形补偿器；〔3〕选用弹性支吊架.八、管道柔性设计的目的管道柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性,防止管道回热胀冷缩、端点附加位移、管道支承设置不当等原因造成如下问题；〔1〕管道应力过大引起金属疲劳和〔或〕管道推力过大造成支架破坏；〔2〕管道连接处产生泄漏；〔3〕管道推力或力矩过大,使与其相连接的设备产生过大的应力或变形,影响设备正常运行.九、应进展详细柔性设计的管道〔1〕进出加热炉与蒸汽发生器的高温管道；〔2〕进出汽轮机的蒸汽管道；〔3〕进出离心压缩机,透平鼓风机的工艺管道；〔4〕进出离心别离机的工艺管道；〔5〕进出高温反响器的管道；〔6〕温度超过400℃的管道；〔7〕利用图表或其他简化法初步分析后,明确需要进一步详细分析的管道：〔8〕与有受力要求的其他设备相连的管道十、管道柔性设计计算结果的内容〔1〕输入数据；〔2〕各节点的位移和转角；〔3〕各约束点的力和力矩；〔4〕各节点的应力；〔5〕二次应力最大值的节点号、应力值和许用应力X围值；〔6〕弹簧参数表.十一、管道柔性设计合格的标准〔1〕管道上各点的二次应力值应小于许用应力X围；〔2〕管道对设备管口的推力和力矩应在允许的X围内；〔3〕管道的最大位移量应能满足管道布置的要求.十二、冷紧问题冷紧是指在安装时〔冷态〕使管道产生一个初位移和初应力的一种方法.如果热胀产生的初应力较大时,在运行初期,初始应力超过材料的屈服强度而发生塑性变形,或在高温持续作用下,管道上产生应力松弛或发生蠕变现象,在管道重新回到冷态时,如此产生反方向的应力,这种现象称为自冷紧.冷紧的目的是将管道的热应变一局部集中在冷态,从而降低管道在热态卜的热胀应力和对端点的推力和力矩,也可防止法兰连接处弯矩过大而发生泄漏.但冷紧不改变热胀应力X围.冷紧比为冷紧值与全补偿量的比值.通常应尽量防止采用冷紧,在必须采用冷紧的情况下,要遵循如下原如此：● 为了降低管道运行初期在工作状态下的应力和管道对连接设备或固定点的推力、力矩以与位移量,可以采用冷紧,但冷紧不能降低管道的应力X围；● 对于材料在蠕变条件下〔碳钢380度以上,低合金钢和高铬钢420度以上〕工作的管道进展冷紧时,冷紧比〔亦即冷紧值与全补偿量的比值〕应不小于0.7.对于材料在非蠕变条件下工作的管道,冷紧比它取0.5.对冷紧有效系数,热态取2/3,冷态取1.● 对连接转动设备的管道,不宜采用冷紧.● 与敏感设备相连的管道不宜采用冷紧.因为由于施工误差使得冷紧量难于控制,另一方面,在管道安装完成要将与敏感设备管口相连的管法兰卸开,以检查该法兰与设备法兰的同轴度和平行度,如果采用冷紧将无法进展这一检查.十三、带约束的金属波纹管膨胀节类型〔1〕单式铰链型膨胀节,由一个波纹管与销轴和铰链板组成,用于吸收单平面角位移；〔2〕单式万向铰链型膨胀节,由一个波纹管与万向环、销轴和铰链组成,能吸收多平面角位移；〔3〕复式拉杆型膨胀节,由用中间管连接的两个波纹管与拉杆组成,能吸收多平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；〔4〕复式铰链型膨胀节,由用中间管连接的两个波纹管与销轴和铰链板组成,能吸收单平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；〔5〕复式万向铰链型膨胀节,由用中间管连接的两个波纹管与销轴和铰链板组成,能吸收互相垂直的两个平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；〔6〕弯管压力平衡型膨胀节,由一个工作波纹管或用中间管连接的两个工作波纹管与一个平衡波纹管构成,工作波纹管与平衡波纹管间装有弯头或三通,平衡波纹管一端有封头并承受管道内压,工作波纹管和平衡波纹管外端间装有拉杆.此种膨胀节能吸收轴向位移和/或横向位移.拉杆能约束波纹管压力推力.常用于管道方向改变处；〔7〕直管压力平衡型膨胀节,一般由位于两端的两个工作波纹管与有效面积等于二倍工作波纹管有效面积、位于中间的一个平衡波纹管组成,两套拉杆分别将每一个工作波纹管与平衡波纹管相互连接起来.此种膨胀节能吸收轴向位移.拉杆能约束波纹管压力推力.带约束的金属波纹管膨胀节的共同特点是管道的内压推力〔俗称盲板力〕没有作用于固定点或限位点外,而是由约束波纹膨胀节用的金属部件承受.十四、对转动设备允许推力的限制管道对转动设备的允许推力和力矩就由制造厂提出,当制造厂无数据时,可按如下规定进展核算：〔1〕单列、中心线安装、两点支承的离心泵,其允许推力和力矩应符合API610规定；〔2〕尺寸较小的非冷凝式通用汽轮机,蒸汽管道对汽轮机接收法兰的最大允许推力和力矩应符合NEMA SM23的规定.倍.十五、热膨胀量〔初位移〕确实定〔l〕封头中心管口热膨胀量的计算封头中心管口只有一个方向的热膨胀,即垂直方向,考虑到从分钦塔固定点至封头中心管口之间可能存在操作温度和材质的变化,故总膨胀量按下式计算；〔2〕封头斜插管口热膨胀量的计算封头斜插管口有两个方向的热膨胀,即垂直方向和水平方向的热膨胀,垂直方向的热膨胀量计算同式,水平方向的热膨胀量按下式计算：〔3〕上部筒体径向管口有两个方向的热膨胀,即垂直方向和水平方向的热膨胀,垂直方向的热膨胀量计算同式,水平方向的热膨胀量按下式计算：十六、管道设计中可能遇到的振动〔l〕往复式压缩机与往复泵进出日管道的振动；〔2〕两相流管道呈柱塞流时的振动；〔3〕水锤：〔4〕安全阀排气系统产生的振动；〔5〕风载荷、地震载荷引起的振动.十七、往复压缩机、泵的管道振动分析的内容振动分析应包括：〔1〕气〔液〕柱固有频率分析,使其避开激振力的频率；〔2〕压力脉动不均匀度分析,采用设置缓冲器或孔板等脉动抑制措施,将压力不均匀度控制在允许X围内：〔3〕管系结构振动固有频率、振动与各节点的振幅与动应力分析,通过设置防振支架优化管道布置,消除过大管道振动.十八、共振当作用在系统上的激振力频率等于或接近系统的因有频率时,振动系统的振幅会急剧增大,这种现象称为共振.往复泵管道设计中可能引发共振的因素有：管道布置出现共振管长：缓冲器和管径设计不当造成流体固有频率与激振频率重叠导致气〔液〕柱共振；支承型式设置不当,转弯过多等造成管系机械振动固有频率与激振力频率重叠.要防止发生共振,应使气〔液〕柱固有频率、管系的结构固有频率与激振力频率错开.管道设计时应进展振动分析,合理设置缓冲器,避开共振管长,尽可能减少弯头,合理设置支架.十九、管道支吊架的类型管道支吊架可分为三大类：承重支吊架、限制性支吊架和防振支架.承重支吊架可分为：刚性支吊架、可调刚性支吊架、弹簧支吊架和恒力支吊架.限制性支吊架可分为：固定支架、限位支架和导向支架.防振支架可分为：减振器和阻尼器.二十、管道支吊架选用的原如此〔1〕在选用管道支吊架时,应按照支承点所承受的荷载大小和方向、管道的位移情况、工作温度是否保温式保冷、管道的材质等条件选用适宜的支吊架：〔2〕设计管道支吊架时,应尽可能选用标准管卡、管托和管吊；〔2〕焊接型的管托、管吊比卡箍型的管托、管吊省钢材,且制作简单,施工方例,因此,除如下情况外,应尽量采用焊接型的管插和管吊；l〕管内介质温度等于或大于400度的碳素钢材质的管道；2〕低温管道；3〕合金钢材质的管道：4〕生产中需要经常拆卸检修的管道；二十一、管道支吊架的作用第一：承受管道的重量荷载〔包括自重、介质重等〕；第二：起限位作用,阴止管道发生非预期方向的位移；第三：控制振动,用来控制摆动、振动或冲击.固定架限制了三个方向的线位移和三个方向的角位移；导向架限制了两个方向的线位移；支托架〔或单向止推架〕限制了一个方向的线位移.二十二、吊架刚度恒力弹簧支吊架的刚度理论上为零：刚性支吊架的刚度理论上为无穷大；可变弹簧支吊架的刚度等于弹簧产生单位变形所需要的力.二十三、恒力和可变弹簧支吊架在应用上的限制恒力弹簧支吊架适用于垂直位移量较大或受力要求荷刻的场合,防止冷热态受力变化太大,导致设备受力或管系应力超标.恒力弹簧的恒定度应小于或等6%,以保证支吊点发生位移时,支承力的变化很小.可变弹簧适用于支承点有垂直位移,用刚性支承会脱空或造成过大热胀推力的场合.与恒力弹簧相比,使用可变弹簧会造成一定的荷载转移,为防止过大的荷载转移,可变弹簧的荷载变化弯应小于或等于25%.二十四、设计振动管道支架时,应注意如下问题〔1〕支架应采用防振管卡；〔2〕支架间距应经过振动分析后确定；〔3〕支架结构和支架的生根局部应有足够的刚度；〔4〕宜设独立根底,尽量防止生根在厂房的梁柱上；〔5〕当管内介质温度较高,产生热胀时,应满足柔性分析的要求；〔6〕支架应尽量沿地面设置.二十五、管道支吊架位置确实定〔1〕应满足管道最大允许跨度的要求；〔2〕当有集中载荷时,支架应布置在靠近集中载荷的地方,以减少偏心载荷和弯曲应力；〔3〕在敏感的设备〔泵、压缩机〕附近,应设置支架,以防止设备嘴于承受过的管道荷载；〔4〕往复式压缩机的吸入或排出管道以与其它有强烈振动的管道,直单独设置支架,〔支架生根于地面的管墩或管架上〕,以防止将振动传递到建筑物上；〔5〕除振动管道外,应尽可能利用建筑物、构筑物的梁柱作为支架的上根点,且应考虑生根点所能承受的荷载,生根点的构造应能满足生根件的要求.〔6〕对于复尽可能的管道,尤其是需要作详细应力计算的管道,尚应根据应力计算结果调整〔7〕管道支吊架应设在不妨碍管道与设备的连接和检修的部位；〔8〕管道支吊架应设在弯管和大直径三通式分支管附近；〔9〕安全泄压装置出口管道应根据需要,考虑是否设置支架.二十六、设置管道固定点应考虑如下问题〔l〕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形管段、U形管段、Z形管段等以便进展分析计算：〔2〕确定管道固定点位置时,使其有利于两固定点间管段的自然补偿；〔3〕选用II形补偿器时,宜将其设置在两固定点的中部；〔4〕固定点直靠近需要限制分支管位移的地方；〔5〕固定点应设置在需要承受管道振动、冲击载荷或需要限制管道多方向位移的地方.〔6〕作用于管道中固定点的载荷,应考虑其两侧各滑动支架的磨擦反力；〔7〕进出装置的工艺管道和非常温的公用工程管道,它在装置分界人设固定点.二十七、压缩机进出口管道支架设计要点〔1〕往复式压缩机的吸入和排出管道上的管架〔或管墩〕宜与建、构筑物根底脱开；不宜在楼板和平台上生根,当设计独立的管架〔或管墩〕时,第一个支架应靠近压缩机；〔2〕往复式压缩机吸入和排出管道支架〔或管墩〕的高度应尽可能低,以便于管道的支承；〔2〕往复式压缩机的管道抑振管架,宜设在管道集中荷载处、管道拐弯、分支以与标高有变化处；〔3〕由于离心式压缩机吸入和排出管口一般均向下,机体热膨胀与管道热膨胀均向下,因此,管道支架宜采用弹簧支架或弹簧吊架.二十八、泵管道支架设置要点各类泵嘴均有荷载限制,支架设置时应考虑这一因素.〔1〕在靠近泵的管段上设置支,吊架或弹簧支吊架；〔2〕泵出口嘴垂直向上时,在距泵最近拐弯处,于泵根底以外的位置设置支架；也可在泵嘴正上方的拐弯处设吊架：〔3〕对大型机泵的高温进出口管道,为减轻泵嘴受力而设置的支架,应尽量使约束点和泵嘴之间的相对热伸缩量最小；〔4〕泵的水平吸入管道宜在靠近泵的管段上设置可调支架,也可采用吊架或弹簧吊架；〔5〕为防止往复泵管道的脉动,应缩短管道支架之间的距离,尽量采用管卡型支架,不宜采用吊架〔6〕泵的管道为常温时,应在泵嘴最近处设固定支架或导向架；〔7〕泵附属小管道尽量成组布置,以便安装支架；〔8〕末经泵制造厂许可,不得在泵底座上安装支架.二十九、弹簧支吊架设计1,可变弹簧支吊架设计根底当管子移动时,弹簧载荷稍微发生变化,但从应力的观点看：当管于从冷态变化到热态时,弹簧载荷有一些变化是允许的.一个预设在某个位置的可变弹簧支吊架,在管子运动的全过程都对管子提供支承.当管于向上移动时,弹簧支吊架上的承重板上移,允许弹簧伸长,因而降低弹簧作用在管子上的载荷；当管子向下移动时,弹簧支吊架上的承重板也下移,使弹簧压缩,因而使弹簧作用在管子上的载荷增大.弹簧支吊架设计的目的是选择一个符合如下要求的弹簧：①当管子从冷态〔安装状态〕变化到热态〔操作状态〕后,弹簧提供必要的重力载荷支撑以平衡管系.②从冷态到热态的总位移在允许的X围内.③当弹簧载荷从冷载荷变化到热载荷时,不会在管系中造成过大的膨胀应力.因为当管于从冷态到热态时,可变弹簧支吊架的载荷是变化的,并且弹簧支吊架设计的一个目的是提供必要的重量支撑载荷以平衡在热态位置的管系,因而有必要用不平衡的"冷态载荷〞来安装弹簧支吊架.2．载荷变化率在某些情况下,管道规X推荐通过限制载荷变化率为10%或25%来使弹簧载荷的变化为最小.因为热态载荷和热位移取决于管系的结构,所以一个弹簧支吊架的可变性只能通过改变弹簧刚度来控制.大多数制造商对于每个载荷值提供三种〔或更多〕不同弹簧刚度的弹簧,分别推荐用于短程.中程和长程的位移.因为在一个给定载荷值下的所有弹簧,在它们的全部行程中支承一样的载荷变化,通常长程弹簧的刚度〔与其载荷变化率〕是中程弹簧的一半,而后者又是短程弹簧的一半.3．弹簧选型表弹簧是从弹簧表中选出来的.弹簧表显示了每一号弹簧在工作X围内的负载能力,以与每一号的短、中、长程弹簧的弹簧刚度.在热态载荷、热位移和变化率的条件下,从表中选择弹簧的步骤为：①计算最大许用弹簧刚度；②在弹簧表的各列中找到热态载荷,来确定弹簧载荷的大小；③针对载荷大小,选择弹簧刚度小于或等于上面计算值的弹簧系列；④计算冷态载荷并确认冷态载荷也落在弹簧的工作X围内；⑤如果不能满足条件,换一样的不同弹簧系列或邻近号的弹簧再试.4．弹簧设计过程一约束重量,热态吊零与其它上面描述的过程都是假设弹簧选型所需的热态载荷和热位移,但是工程师怎样来计算热态载荷和热位移呢？整个弹簧支吊架设计的步骤如下所述.①利用标准跨距原理来选择管架位置.假设在这点有一个刚性Y向约束,然后进展重量载荷分析.这种分析称为"约束-重量〞分析.在这一分析中,分布在每个约束上的重量载荷将被作为弹簧选型时的热态载荷.②其次,从管架位置除去约束,进展热膨胀分析.这种分析称为"自由-热态〞分析.每个支架位置的热态位移将被作为弹簧选择时的热位移.〔注意：由于管系中可能有非线性约束的影响,CAESARII进展的不是一个真正的"自由-热态〞工况分析,而是一个"弹簧位移下的操作〞工况分析,它包括热态载荷、重量载荷和在约束重量作用下的弹簧热态载荷.因为管系的重量载荷和弹簧热态载荷根本上相互抵消,这样有效地造成一个只有热态的工况,而不考虑非线性作用.〕③利用从约束-重量计算得出的热态载荷和自由-热态得到的位移,对每个点从上述弹簧表中选择一个弹簧,利用弹簧刚度来确定安装所需冷态载荷〔预置的弹簧载荷〕.④通过在每个弹簧作用点增加一个刚度等于弹簧刚度的约束并且通过增加弹簧预置载荷〔冷态载荷〕作为在持续载荷工况起作用的力来调整模型以反映弹簧的存在,然后重新分析所有载荷工况以获得弹簧真实存在时的效应.只要用户在管系中指定弹簧,上述四个步骤〔除了确定弹簧支吊架的位置〕将由CAESARll 自动完成.5．弹簧支吊架设计说明1〕如果内装比重小于1.0的液体管系需要作水压试验,通常在水压试验期间弹簧支吊架的定位块不应拆除,所选用的弹簧零部件〔管卡、吊杆等〕和支架结构必须能够承受水压试验载荷,而水压试验载荷通常应作为这些支架的控制载荷.2〕在指定弹簧支吊架的热态和冷态载荷时,附加零部件的预期重量应加到CAESARII的计算载荷上,特别是：当认为这些重量很重要时〔如在大管卡或由型钢制成的吊架组件的情况〕,弹簧必须同时支承零部件；如果在定义弹簧参数时没有考虑这点,管系的重量载荷将由于弹簧零部件的重量而造成不平衡.3〕为了保证管子不至于运动太大而从管架上掉下来,在设计管架时必须考虑弹簧支吊架位置的水平位移,另外,弹簧制造商往往限制弹簧吊在一个6度的X 围内.当水平位移特别大时,建议将支架安装在偏置的位置以减小在冷态和热态位置时支架垂直作用线的偏差.4〕在由于不平衡冷态载荷造成的法兰配合问题使得安装有困难时,最好在现场调整弹簧以考虑一旦系统开车后的热态载荷.在管口操作载荷不是主要因素,。

今天借这个机会和大家共同学习和探讨一下管道柔性分析与应力计算以及应力计算软件CAESARⅡ。

我们作为管道工程师，配管是我们的主要工作，占据了我们大部分工作时间。

一般情况下，管道工程师在配管完成后，应将临界管系提给管道机械工程师进行管道柔性分析与应力计算，通常也简称为应力分析。

我们在配管完成后，为什么要进行管道应力分析呢？主要有以下几个原因：第一个原因是为了使管道应力在规范的许用范围内，保证所设计的管系及其连接部分的安全性。

第二个原因是为了使管口荷载符合标准规范的要求。

第三个原因是为了计算支撑和约束的设计荷载。

第四个原因是为了计算管道位移，从而选择合适的管架。

第五个原因是为了解决管道动力学问题，比如说：机械振动，声频振动，流体锤，压力脉动，安全阀的排放等等。

最后一个原因是为了帮助配管优化设计。

这些原因呢也构成了管机工程师需要完成的工作任务，对这些内容呢后面我们会作进一步学习。

今天我们学习的内容包括以下五个部分:1.管道应力分析的相关理论和基础知识。

我们简单的学习一下与管道应力分析相关的一些理论和基础知识。

2.管道应力分析的理解和工作任务。

3.实际工作中的管道应力分析的工作过程。

4.管道的柔性设计。

5. CAESARⅡ管道应力计算程序。

我们首先一起学习一下应力分析的理论基础一管道应力分析的相关理论和基础知识。

应力分析的相关理论和基础知识涉及的内容是非常广泛的，象是材料力学，结构力学，有限元，弹塑性力学等等。

今天我们只学习和它关系最为密切的一些内容。

如果有兴趣的话，大家可以在以后时间里进一步学习其他相关知识。

我们学习的第一点是强度理论在管系上的任一受力点，往往受到多方向应力的作用，例如：轴向应力，环向应力，剪切应力的作用。

这些应力会对管道材料的力学性能产生影响，严重时将使管道材料失效或产生破坏。

这种影响程度通常用“当量应力强度”来衡量，而定量求解应力强度则要依据相应的强度理论。

涉及的强度理论主要有四种：第一种是最大主应力理论。

压力管道应力分析的内容及特点压力管道的应用范围非常广并且应用场所都比较重要，压力管道主要扮演着运输介质物料的角色，主要应用在石油化工、天然气体、电力工程、冶金工程等重要大型建设工程中，运输或供给原料满足某种需求。

压力管道在整个管道系统和外界环境因素的影响下应具有足够的柔性来克服管道因热胀冷缩、端点位移、管道支承设置不当等原因造成的问题，也会受到流体的流动因素影响，这就增加了应力分析的复杂度，压力管道的应力分析必须将管道实际运行的情况尽可能的模拟准确才能得到接近实际的正确的分析结果。

标签：压力管道；应力；内容；特点一、管道应力分类（一）一次应力所谓一次应力过大是指由于外力荷载，如重力或压力等持续性荷载所引起的危害，它与外加载荷有一个平衡关系，会随着外加载荷的递增而递增，且不会由于达到相应材料的屈服点而自身实施限制，所以有一定的非自限性，除此之外，若是一次应力大于屈服点时其所产生管道的变形也非常明显，因此，需加强一次应力的控制，使一次应力小于许用应力值，以防止过度的塑性变形导致管道的破裂垮塌。

一次总体薄膜应力、一次弯曲应力和一次局部薄膜应力都属于一次应力的分类。

一次总体薄膜应力是指由于内压所引起的管道环向应力和轴向应力，拉伸或者压缩杆件所产生的应力。

一次弯曲应力是指沿厚度线性分布的应力，它在内表面和外表面上大小一样且方向相反。

一次弯曲应力的许用应力可以比总体薄膜应力高。

在管道支撑处或者管道与支管连接处由于外载所产生的薄膜应力可划分为一次局部薄膜应力。

（二）二次应力二次应力由热胀、冷缩和端点位移引起的，是指由于变形和其他相邻部件受到约束所引起的正应力或剪应力。

二次应力的效果通常不是平衡外荷载，而是在结构中受到相应荷载时变形所使得应力获得一定的缓解，因为二次应力自限性的特点，使它比一次应力更危险，受到更严格的限制。

（三）峰值应力峰值应力主要是因为荷载以及结构产生突然变化使得局部应力较为集中的最高值，其主要特点就是不会产生较明显的变形，并且在很短的距离之内其根源衰减，是一种引起疲劳破坏或脆性断裂的可能根源。

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/T5366－2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规程（2）ASME B31.1－2004动力管道在一般情况下，对国内工程采用DL/T5366进行管道应力验算。

对涉外工程或顾客有要求时，采用B31.1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/T5366和B 31.1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。

国外常用管道应力分析软件1.AUTOPIPE bently公司计算管道应力，法兰分析，管架设计。

可以分析各种复杂管道系统，例如：地下管道分析、波浪载荷、水锤效应、FRP\GRP管道以及管道与钢结构交互作用等。

2.CAESAR 美国COADE公司3.CAEPIPE SST SYSTEM公司CAEPIPE是第一个PC管道应力分析软件（1983）,集合了在复杂工况下静力和动力分析。

加强3D模块后，CAEPIPE可以用来分析重力、压力、温度、地震、随时间变化调整载荷，交互式和迭代设计你的系统在最短的时间内来优化配置。

CAEPIPE也可以校核管道标准和许可值（ASME,B31，国际标准，API,NEWA）和输入数据来选择主要的工厂设计系统（AVEVA和CADMATIC），我们提供数据的转换用以在不同的工作平台上输入管道数据。

可同一时间内执行多个项目4.PIPESTRESSPIPESTRESS软件是一个核或非核管道系统静力和动力分析的相关软件模块。

它提供无与伦比的动态分析能力来解决复杂的问题。

PIPESTRESS软件和其他软件最大的不同在于它具备所有的分析能力来处理复杂系统。

多年的软件发展致力于完善方程解决方法和优化使用可用内存及加快计算速率。

这些努力使PIPESTRESS软件称为第一个在PC电脑和公国现场可以使用的全功能管道分析软件。

三维PIPESTRESS是一个出色的可用于核与非核工业的三维管道系统有限元分析软件。

可以进行多种载荷条件下的三维管道系统线弹性分析，并提供对结构、支撑(支吊架)、热、疲劳等全面分析功能。

还内置了完整的国际通用的核工程管道设计规范，能完全满足ASME／ANSI、RCC-M规范。

在模型中包括了间歇、单向和bi—linear支撑等。

PIPESTRESS软件在世界核工业管道软件市场上占有重要地位。

EditPipe软件为PIPESTRESS软件提供了常强大的图形化前后处理功能，并将众多欧洲工程机构使用EditPipe的经验引入到PepS。

管道的应力分析和材料选择管道是现代工业中常见的输送介质的设备，广泛应用于石油、化工、能源等领域。

在管道的设计和使用过程中，应力分析和材料选择是至关重要的环节。

本文将探讨管道的应力分析方法以及材料选择的相关因素。

一、管道的应力分析方法管道在运行过程中承受着来自内部介质压力和外部环境荷载的作用，因此应力分析是管道设计的基础。

常用的管道应力分析方法有静力学方法和有限元分析方法。

静力学方法是一种简化的分析方法，通过假设管道是刚性结构，忽略材料的弹性变形，仅考虑应力的平衡条件。

这种方法适用于直径较小、壁厚较薄的管道，且介质压力变化较小的情况下。

有限元分析方法是一种更为精确的应力分析方法，能够考虑材料的弹性变形和非线性特性。

通过将管道划分为有限个小单元，建立数学模型，并利用计算机进行求解，可以得到管道内部的应力分布情况。

这种方法适用于复杂的管道结构和大口径管道的应力分析。

二、材料选择的相关因素在管道的设计和使用过程中，材料的选择是十分重要的，直接影响到管道的安全性和可靠性。

材料选择需要考虑以下几个因素：1. 强度和刚度：管道材料需要具备足够的强度和刚度，以承受内部介质压力和外部环境荷载。

常用的管道材料有碳钢、不锈钢、铜、铝等，根据具体的工况和要求选择合适的材料。

2. 耐腐蚀性：管道在运行过程中可能接触到腐蚀性介质，因此材料的耐腐蚀性是一个重要考虑因素。

不同的介质对材料的腐蚀性不同，需要选择具有良好耐腐蚀性的材料，或者采取防腐措施。

3. 温度影响：管道在不同的温度下工作，材料的热膨胀系数和高温强度是需要考虑的因素。

对于高温工况，需要选择能够承受高温的材料，避免因热膨胀引起的应力集中和破坏。

4. 经济性：材料的成本和可获得性也是材料选择的考虑因素。

在满足工程要求的前提下，选择经济合理的材料，可以降低工程成本。

总结：管道的应力分析和材料选择是管道设计和使用过程中不可或缺的环节。

应力分析方法的选择应根据具体情况，采用静力学方法或有限元分析方法。

导管应力危害因素分析
导管应力是管道系统中的一种应力状态，由于各种因素的作用，导管的应力可能会超过其承载能力，导致危害和故障。

以下是导管应力的几个危害因素分析：
1. 温度变化：温度变化是导致导管应力的主要因素之一。

当导管受到温度变化时，其热膨胀或收缩会导致产生应力。

高温时，导管会出现热膨胀，而低温时则会出现热收缩。

不适当的温度控制和导管材料的热膨胀系数不匹配可能导致导管应力过大。

2. 内压力：导管系统在运行过程中承受着内压力。

过高的内压力会引起导管的应力超过其承载能力，导致变形和破裂。

不正确的设计或在运行过程中内压力的突然变化都可能对导管系统产生危害。

3. 外部负载：导管系统常常会承受来自外部的力,如垂直/水平载荷、风荷载、地震力等。

这些外部负载会使导管系统发生弯曲、扭转和拉伸，从而产生应力。

如果导管系统的设计不合理或负载超出设计范围，导管应力可能超过其承载能力。

4. 安装和支持问题：导管系统的安装和支持结构对于应力的分布和平衡非常重要。

错误的安装方式、不当的支持位置或支持结构不稳定都可能导致导管应力集中或不均衡，从而引发危害。

5. 材料强度不足：导管的材料强度是导管系统能否承受应力的关键因素。

如果导管使用的材料强度不足，无法满足设计或运行条件要求，可能导致导管在工作过程中出现应力失控和破坏。

综上所述，导管应力危害的因素有温度变化、内压力、外部负载、
安装和支持问题以及材料强度等。

在导管系统的设计、安装和运行过程中，需要综合考虑这些因素，并采取相应的措施，以保证导管系统的安全运行。