CAESARII基礎(chǔ)知識(shí)要點(diǎn)

1、所有資料版權(quán)屬艾思弗軟件公司所有，未經(jīng)許可，不得拷貝!管道應(yīng)力分析軟件（系列培訓(xùn)教材）管道應(yīng)力分析基礎(chǔ)知識(shí)北京市艾2思弗計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)有限責(zé)任公司2003年1月15日管道應(yīng)力分析基礎(chǔ)知識(shí)1 .管道應(yīng)力分析的原則管道應(yīng)力分析應(yīng)保證管道在設(shè)計(jì)條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱 脹冷縮、管道支撐或端點(diǎn)附加位移造成應(yīng)力問(wèn)題。2 .管道應(yīng)力分析的主要內(nèi)容管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動(dòng)力分析。靜力分析包括:1 ）壓力荷載和持續(xù)荷載作用下的一次應(yīng)力計(jì)算一一防止塑性變形破壞；2）管道熱脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移等位移荷載作用下的二次應(yīng)力計(jì)算一一防止疲勞破壞；3）管道對(duì)設(shè)備作用力的計(jì)算一一防止作用力太大，保證設(shè)備正常

2、運(yùn)行；4)管道支吊架的受力計(jì)算一一為支吊架設(shè)計(jì)提供依據(jù)；5)管道上法蘭的受力計(jì)算一一防止法蘭匯漏。動(dòng)力分析包括:1)管道自振頻率分析一一防止管道系統(tǒng)共振；2)管道強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析一一控制管道振動(dòng)及應(yīng)力；3)往復(fù)壓縮機(jī)(泵)氣(液)柱頻率分析一一防止氣柱共振；4)往復(fù)壓縮機(jī)(泵)壓力脈動(dòng)分析一一控制壓力脈動(dòng)值。3 .管道上可能承受的荷載(1)重力荷載：包括管道自重、保溫重、介質(zhì)重和積雪重等；(2)壓力荷載：壓力載荷包括內(nèi)壓力和外壓力；(3)位移荷載：位移載荷包括管道熱脹冷縮位移、端點(diǎn)附加位移、支撐沉降等；(4)風(fēng)荷載；(5)地震荷載；(6)瞬變流沖擊荷載：如安全閥啟跳或閥門(mén)的快速啟閉時(shí)的壓力沖擊

3、:(7)兩相流脈動(dòng)荷載；(8)壓力脈動(dòng)荷載：如往復(fù)壓縮機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)；(9)機(jī)械振動(dòng)荷載：如回轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)。4 .管道應(yīng)力分析的目的(1)為了使管道和管件內(nèi)的應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力值；(2)為了使與管系相連的設(shè)備的管道荷載在制造商或國(guó)際規(guī)范(如23、610、6 17等)規(guī)定的許用范圍內(nèi)；(3)為了使與管系相連的設(shè)備管口的局部應(yīng)力在的允許范圍內(nèi)；(4)為了計(jì)算管系中支架和約束的設(shè)計(jì)荷載；（ 5）為了進(jìn)行操作工況碰撞檢查而確定管于的位移；（ 6）為了優(yōu)化管系設(shè)計(jì)。5管道柔性設(shè)計(jì)方法的確定一般說(shuō)來(lái)，下述管系必須利用應(yīng)力分析軟件（如 ） 通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算及分析。（ 1）與貯罐相連的，公稱管徑

4、12”及以上且設(shè)計(jì)溫度在100 度及上的管線；（ 2）離心式壓縮機(jī)（617）及往復(fù)式壓縮機(jī)（618）的3”及以上的進(jìn)、出口管線：（ 3）蒸汽透平（23）的入口、出口和抽提管線；（ 4） 泵 （610） 公稱管徑 4” 及以上且溫度100 度及以上或溫度-20度及以下的吸入。排出管線；（ 5） 空冷器 （661 ） 公稱管徑6” 及以上且溫度120 度及以上的進(jìn)、出口管線；（ 6）加熱爐（560）與管口相連的6”及以上和溫度200 度及以上的管線；（ 7）相當(dāng)長(zhǎng)的直管，如界區(qū)外的管廊上的管線；（ 8）法蘭處的泄漏會(huì)造成重大危險(xiǎn)的管線，如氧氣管線、環(huán)氧乙烷管線等。（ 9）公稱管徑4”及以上且100

5、 度及以上或-50 度及以下的所有管線；6摩擦系數(shù)的確定除非另有規(guī)定，在進(jìn)行管道柔性分析時(shí)摩擦系數(shù)應(yīng)作如下考慮：滑動(dòng)支架：鋼對(duì)鋼不銹鋼對(duì)聚四氟乙烯0.30.1聚四氟乙烯對(duì)聚四氟乙烯鋼對(duì)混凝土0.080.6滾動(dòng)支架：鋼對(duì)鋼（滾珠）0.3鋼對(duì)鋼（滾柱）0.3注：滾珠沿軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)采用滑動(dòng)摩擦系數(shù)7管道柔性設(shè)計(jì)管道柔性是反映管道變形難易程度的一個(gè)物理概念，表示管道通過(guò)自身變形吸收熱脹、冷縮和其它位移變形的能力。進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在保證管道具有足夠的柔性來(lái)吸收位移應(yīng)變的前提下，使管道的長(zhǎng)度盡可能短或投資盡可能少。在管道柔性設(shè)計(jì)中，除考慮管道本身的熱脹冷縮外，還應(yīng)考慮管道端點(diǎn)的附加位移。設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用

6、下列一種或幾種措施來(lái)增加管道的柔性：（ 1）改變管道的走向；（ 2）選用波形補(bǔ)償器、套管式補(bǔ)償器或球形補(bǔ)償器；（ 3）選用彈性支吊架。8管道柔性設(shè)計(jì)的目的管道柔性設(shè)計(jì)的目的是保證管道在設(shè)計(jì)條件下具有足夠的柔性，防止管道回?zé)崦浝淇s、端點(diǎn)附加位移、管道支撐設(shè)置不當(dāng)?shù)仍蛟斐上铝袉?wèn)題；（ 1）管道應(yīng)力過(guò)大引起金屬疲勞和（或）管道推力過(guò)大造成支架破壞；（ 2）管道連接處產(chǎn)生泄漏；（ 3） 管道推力或力矩過(guò)大，使與其相連接的設(shè)備產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力或變形，影響設(shè)備正常運(yùn)行。9應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)柔性設(shè)計(jì)的管道（ 1）進(jìn)出加熱爐及蒸汽發(fā)生器的高溫管道；（ 2）進(jìn)出汽輪機(jī)的蒸汽管道；（ 3）進(jìn)出離心壓縮機(jī)，透平鼓風(fēng)機(jī)的工藝

7、管道；（ 4）進(jìn)出離心分離機(jī)的工藝管道；（ 5）進(jìn)出高溫反應(yīng)器的管道；（ 6）溫度超過(guò)400的管道；（ 7）利用圖表或其他簡(jiǎn)化法初步分析后，表明需要進(jìn)一步詳細(xì)分析的管道：（ 8）與有受力要求的其他設(shè)備相連的管道。10管道柔性設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的內(nèi)容（ 1）輸入數(shù)據(jù)；（ 2）各節(jié)點(diǎn)的位移和轉(zhuǎn)角；（ 3）各約束點(diǎn)的力和力矩；（ 4）各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力；（ 5）二次應(yīng)力最大值的節(jié)點(diǎn)號(hào)、應(yīng)力值和許用應(yīng)力范圍值；（ 6）彈簧參數(shù)表。11 管道柔性設(shè)計(jì)合格的標(biāo)準(zhǔn)（ 1）管道上各點(diǎn)的一、二次應(yīng)力值應(yīng)小于許用應(yīng)力范圍；（ 2）管道對(duì)設(shè)備管口的推力和力矩應(yīng)在允許的范圍內(nèi)；（ 3）管道的最大位移量應(yīng)能滿足管道布置的要求。12

8、冷緊問(wèn)題冷緊是指在安裝時(shí)（冷態(tài)） 使管道產(chǎn)生一個(gè)初位移和初應(yīng)力的一種方法。如果熱脹產(chǎn)生的初應(yīng)力較大時(shí)，在運(yùn)行初期，初始應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度而發(fā)生塑性變形，或在高溫持續(xù)作用下，管道上產(chǎn)生應(yīng)力松弛或發(fā)生蠕變現(xiàn)象，在管道重新回到冷態(tài)時(shí)，則產(chǎn)生反方向的應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為自冷緊。冷緊的目的是將管道的熱應(yīng)變一部分集中在冷態(tài)，從而降低管道在熱態(tài)時(shí)的熱脹應(yīng)力和對(duì)端點(diǎn)的推力和力矩，也可防止法蘭連接處彎矩過(guò)大而發(fā)生泄漏。但冷緊不改變熱脹應(yīng)力范圍。冷緊比是冷緊值與全補(bǔ)償量的比值。通常應(yīng)盡量避免采用冷緊，在必須采用冷緊的情況下，要遵循下列原則：為了降低管道運(yùn)行初期在工作狀態(tài)下的應(yīng)力和管道對(duì)連接設(shè)備或固定點(diǎn)的推力、力

9、矩以及位移量，可以采用冷緊，但冷緊不能降低管道的應(yīng)力范圍；對(duì)于材料在蠕變條件下（碳鋼380 度以上，低合金鋼和高鉻鋼420度以上）工作的管道進(jìn)行冷緊時(shí)，冷緊比（亦即冷緊值與全補(bǔ)償量的比值）應(yīng)不小于0.7。對(duì)于材料在非蠕變條件下工作的管道，冷緊比取 0.5。對(duì)冷緊有效系數(shù)，熱態(tài)取2/3，冷態(tài)取1。對(duì)連接轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的管道，不宜采用冷緊。與敏感設(shè)備相連的管道不宜采用冷緊。因?yàn)橛捎谑┕ふ`差使得冷緊量難于控制，另一方面，在管道安裝完成要將與敏感設(shè)備管口相連的管口法蘭卸開(kāi)，以檢查該法蘭與設(shè)備法蘭的同軸度和平行度，如果采用冷緊將無(wú)法進(jìn)行這一檢查。13帶約束的金屬波紋管膨脹節(jié)類型（ 1）單式鉸鏈型膨脹節(jié)，由一個(gè)

10、波紋管及銷軸和鉸鏈板組成，用于吸收單平面角位移；（ 2）單式萬(wàn)向鉸鏈型膨脹節(jié)，由一個(gè)波紋管及萬(wàn)向環(huán)、銷軸和鉸鏈組成，能吸收多平面角位移；（ 3） 復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)，由用中間管連接的兩個(gè)波紋管及拉桿組成，能吸收多平面橫向位移和膨脹節(jié)本身的軸向位移；（ 4） 復(fù)式鉸鏈型膨脹節(jié)，由用中間管連接的兩個(gè)波紋管及銷軸和鉸鏈板組成，能吸收單平面橫向位移和膨脹節(jié)本身的軸向位移；（ 5） 復(fù)式萬(wàn)向鉸鏈型膨脹節(jié)，由用中間管連接的兩個(gè)波紋管及銷軸和鉸鏈板組成，能吸收互相垂直的兩個(gè)平面橫向位移和膨脹節(jié)本身的軸向位移；（ 6） 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)，由一個(gè)工作波紋管或用中間管連接的兩個(gè)工作波紋管及一個(gè)平衡波紋管構(gòu)成，工

11、作波紋管與平衡波紋管間裝有彎頭或三通，平衡波紋管一端有封頭并承受管道內(nèi)壓，工作波紋管和平衡波紋管外端間裝有拉桿。此種膨脹節(jié)能吸收軸向位移和或橫向位移。拉桿能約束波紋管壓力推力。常用于管道方向改變處；（ 7） 直管壓力平衡型膨脹節(jié)，一般由位于兩端的兩個(gè)工作波紋管及有效面積等于二倍工作波紋管有效面積、位于中間的一個(gè)平衡波紋管組成，兩套拉桿分別將每一個(gè)工作波紋管與平衡波紋管相互連接起來(lái)。此種膨脹節(jié)能吸收軸向位移。拉桿能約束波紋管壓力推力。帶約束的金屬波紋管膨脹節(jié)的共同特點(diǎn)是管道的內(nèi)壓推力（俗稱盲板力）沒(méi)有作用于固定點(diǎn)或限位點(diǎn)外，而是由約束波紋膨脹節(jié)用的金屬部件承受。14對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備允許推力的限制管道對(duì)

12、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的允許推力和力矩就由制造廠提出，當(dāng)制造廠無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)，可按下列規(guī)定進(jìn)行核算：（ 1）單列、中心線安裝、兩點(diǎn)支撐的離心泵，其允許推力和力矩應(yīng)符合 610 規(guī)定；（ 2）尺寸較小的非冷凝式通用汽輪機(jī)，蒸汽管道對(duì)汽輪機(jī)接管法蘭的最大允許推力和力矩應(yīng)符合23 的規(guī)定。（ 3）離心壓縮機(jī)的管道對(duì)壓縮機(jī)接管法蘭的最大允許推力和力矩應(yīng)取23 規(guī)定值的1.85 倍。15熱膨脹量（初位移）的確定（ l ）封頭中心管口熱膨脹量的計(jì)算封頭中心管口只有一個(gè)方向的熱膨脹，即垂直方向，考慮到從分離塔固定點(diǎn)至封頭中心管口之間可能存在操作溫度和材質(zhì)的變化，故總膨脹量按下式計(jì)算；（ 2）封頭斜插管口熱膨脹量的計(jì)算封頭斜插管

13、口有兩個(gè)方向的熱膨脹，即垂直方向和水平方向的熱膨脹，垂直方向的熱膨脹量計(jì)算公式，水平方向的熱膨脹量按下式計(jì)算：（ 3）上部筒體徑向管口有兩個(gè)方向的熱膨脹，即垂直方向和水平方向的熱膨脹，垂直方向的熱膨脹量計(jì)算同式，水平方向的熱膨脹量按下式計(jì)算：16管道設(shè)計(jì)中可能遇到的振動(dòng)（ l ）往復(fù)式壓縮機(jī)及往復(fù)泵進(jìn)出口管道的振動(dòng)；（ 2）兩相流管道呈柱塞流時(shí)的振動(dòng)；（ 3）水錘：（ 4）安全閥排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)；（ 5）風(fēng)載荷、地震載荷引起的振動(dòng)。17 往復(fù)壓縮機(jī)、往復(fù)泵的管道振動(dòng)分析的內(nèi)容振動(dòng)分析應(yīng)包括：（ 1）氣（液）柱固有頻率分析，使其避開(kāi)激振力的頻率；（ 2） 壓力脈動(dòng)不均勻度分析，采用設(shè)置緩沖器或

14、孔板等脈動(dòng)抑制措施，將壓力不均勻度控制在允許范圍內(nèi)：（ 3）管系結(jié)構(gòu)振動(dòng)固有頻率、振動(dòng)及各節(jié)點(diǎn)的振幅及振動(dòng)應(yīng)力分析，通過(guò)設(shè)置防振支架優(yōu)化管道布置，消除過(guò)大管道振動(dòng)。18共振當(dāng)作用在系統(tǒng)上的激振力頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，振動(dòng)系統(tǒng)的振幅會(huì)急劇增大，這種現(xiàn)象稱為共振。往復(fù)泵管道設(shè)計(jì)中可能引發(fā)共振的因素有：管道布置出現(xiàn)共振管長(zhǎng)：緩沖器和管徑設(shè)計(jì)不當(dāng)造成流體固有頻率與激振頻率重疊導(dǎo)致氣（液）柱共振；支撐型式設(shè)置不當(dāng)，轉(zhuǎn)彎過(guò)多等造成管系機(jī)械振動(dòng)固有頻率與激振力頻率重疊。要避免發(fā)生共振，應(yīng)使氣（液）柱固有頻率、管系的結(jié)構(gòu)固有頻率與激振力頻率錯(cuò)開(kāi)。管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)分析，合理設(shè)置緩沖器，避開(kāi)共振管長(zhǎng)

15、，盡可能減少?gòu)濐^，合理設(shè)置支架。19管道支吊架的類型管道支吊架可分為三大類：承重支吊架、限制性支吊架和防振支架。承重支吊架可分為：剛性支吊架、可調(diào)剛性支吊架、彈簧支吊架和恒力支吊架。限制性支吊架可分為：固定支架、限位支架和導(dǎo)向支架。防振支架可分為：減振器和阻尼器。20管道支吊架選用的原則（ 1）在選用管道支吊架時(shí)，應(yīng)按照支撐點(diǎn)所承受的荷載大小和方向、管道的位移情況、工作溫度是否保溫式保冷、管道的材質(zhì)等條件選用合適的支吊架：（ 2）設(shè)計(jì)管道支吊架時(shí)，應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)管卡、管托和管吊；（ 3）焊接型的管托、管吊比卡箍型的管托、管吊省鋼材，且制作簡(jiǎn)單，施工方例，因此，除下列情況外，應(yīng)盡量采用焊接型的

16、管插和管吊；l ）管內(nèi)介質(zhì)溫度等于或大于400 度的碳素鋼材質(zhì)的管道；2）低溫管道；3）合金鋼材質(zhì)的管道；4）生產(chǎn)中需要經(jīng)常拆卸檢修的管道；21 管道支吊架的作用第一：承受管道的重量荷載（包括自重、介質(zhì)重等）；第二：起限位作用，阻止管道發(fā)生非預(yù)期方向的位移；第三：控制振動(dòng)，用來(lái)控制擺動(dòng)、振動(dòng)或沖擊。固定架限制了三個(gè)方向的線位移和三個(gè)方向的角位移；導(dǎo)向架限制了兩個(gè)方向的線位移；支托架（或單向止推架）限制了一個(gè)方向的線位移。22恒力彈簧支吊架、可變彈簧支吊架和剛性支吊架的剛度恒力彈簧支吊架的剛度理論上為零：剛性支吊架的剛度理論上為無(wú)窮大；可變彈簧支吊架的剛度等于彈簧產(chǎn)生單位變形所需要的力。23恒力

17、彈簧支吊架和可變彈簧支吊架在應(yīng)用上的限制恒力彈簧支吊架適用于垂直位移量較大或受力要求荷刻的場(chǎng)合，避免冷熱態(tài)受力變化太大，導(dǎo)致設(shè)備受力或管系應(yīng)力超標(biāo)。恒力彈簧的恒定度應(yīng)小于或等6，以保證支吊點(diǎn)發(fā)生位移時(shí)，支撐力的變化很小?？勺儚椈蛇m用于支撐點(diǎn)有垂直位移，用剛性支撐會(huì)脫空或造成過(guò)大熱脹推力的場(chǎng)合。與恒力彈簧相比，使用可變彈簧會(huì)造成一定的荷載轉(zhuǎn)移，為防止過(guò)大的荷載轉(zhuǎn)移，可變彈簧的荷載變化率應(yīng)小于或等于25。24設(shè)計(jì)振動(dòng)管道支架時(shí)，應(yīng)注意下列問(wèn)題（ 1）支架應(yīng)采用防振管卡；（ 2）支架間距應(yīng)經(jīng)過(guò)振動(dòng)分析后確定；（ 3）支架結(jié)構(gòu)和支架的生根部分應(yīng)有足夠的剛度；（ 4）宜設(shè)獨(dú)立基礎(chǔ)，盡量避免生根在廠房的梁

18、柱上；（ 5）當(dāng)管內(nèi)介質(zhì)溫度較高，產(chǎn)生熱脹時(shí)，應(yīng)滿足柔性分析的要求；（ 6）支架應(yīng)盡量沿地面設(shè)置。25管道支吊架位置的確定（ 1）應(yīng)滿足管道最大允許跨度的要求；（ 2）當(dāng)有集中載荷時(shí)，支架應(yīng)布置在靠近集中載荷的地方，以減少偏心載荷和彎曲應(yīng)力；（ 3）在敏感的設(shè)備（泵、壓縮機(jī)）附近，應(yīng)設(shè)置支架，以防止設(shè)備嘴于承受過(guò)的管道荷載；（ 4） 往復(fù)式壓縮機(jī)的吸入或排出管道以及其它有強(qiáng)烈振動(dòng)的管道，直單獨(dú)設(shè)置支架， （支架生根于地面的管墩或管架上），以避免將振動(dòng)傳遞到建筑物上；（ 5）除振動(dòng)管道外，應(yīng)盡可能利用建筑物、構(gòu)筑物的梁柱作為支架的上根點(diǎn)，且應(yīng)考慮生根點(diǎn)所能承受的荷載，生根點(diǎn)的構(gòu)造應(yīng)能滿足生根件的

19、要求。（ 6）對(duì)于復(fù)盡可能的管道，尤其是需要作詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算的管道，尚應(yīng)根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果調(diào)整（ 7）管道支吊架應(yīng)設(shè)在不妨礙管道與設(shè)備的連接和檢修的部位；（ 8）管道支吊架應(yīng)設(shè)在彎管和大直徑三通式分支管附近；（ 9）安全泄壓裝置出口管道應(yīng)根據(jù)需要，考慮是否設(shè)置支架。（ 6設(shè)置管道固定點(diǎn)應(yīng)考慮下列問(wèn)題（ l ）對(duì)于復(fù)雜管道可用固定點(diǎn)將其劃分成幾個(gè)形狀較為簡(jiǎn)單的管段，如 L 形管段、U 形管段、Z 形管段等以便進(jìn)行分析計(jì)算：（ 2） 確定管道固定點(diǎn)位置時(shí)，使其有利于兩固定點(diǎn)間管段的自然補(bǔ)償；（ 3）選用形補(bǔ)償器時(shí)，宜將其設(shè)置在兩固定點(diǎn)的中部；（ 4）固定點(diǎn)直靠近需要限制分支管位移的地方；（ 5）固定點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在需要承受管道振動(dòng)、沖擊載荷或需要限制管道多方向位移的地方。（ 6）作用于