管道應(yīng)力及設(shè)計(jì)

1、管道設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析管道設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析陳陳 樺樺 2014年年11月月 一、壓力管道定義一、壓力管道定義（1）、）、特種設(shè)備安全法特種設(shè)備安全法對(duì)壓力管道定義：對(duì)壓力管道定義： 壓力管道：利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的壓力管道：利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設(shè)備。管狀設(shè)備。 其范圍規(guī)定為其范圍規(guī)定為 ：最高工作壓力大于或者等于：最高工作壓力大于或者等于0.1Mpa G （表壓）的氣體、液化氣體、蒸汽介質(zhì)或者可燃、易爆、（表壓）的氣體、液化氣體、蒸汽介質(zhì)或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體介質(zhì)，

2、且公稱直徑大于液體介質(zhì)，且公稱直徑大于25mm。這三者應(yīng)同時(shí)具備。這三者應(yīng)同時(shí)具備。 壓力管道的基本概念壓力管道的基本概念 我們可以這樣來理解：由管子（鋼材或其他材料）和我們可以這樣來理解：由管子（鋼材或其他材料）和管道組成件構(gòu)成的，用來輸送、分配、混合、排液、計(jì)量、管道組成件構(gòu)成的，用來輸送、分配、混合、排液、計(jì)量、控制流體流動(dòng)的，其長(zhǎng)徑比較大的設(shè)備。控制流體流動(dòng)的，其長(zhǎng)徑比較大的設(shè)備。 如果同時(shí)具備如果同時(shí)具備 a. 最高工作壓力大于或者等于最高工作壓力大于或者等于0.1Mpa（表壓）（表壓）; b.介質(zhì)為氣體、液化氣體、蒸汽介質(zhì)或者可燃、易爆、有介質(zhì)為氣體、液化氣體、蒸汽介質(zhì)或者可燃、易

3、爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體介質(zhì)體介質(zhì); c. 公稱直徑大于公稱直徑大于25mm。這三個(gè)條件的屬于壓力管道。這三個(gè)條件的屬于壓力管道。（2）、）、TSG D0001-2009壓力管道安全技?jí)毫艿腊踩夹g(shù)監(jiān)察規(guī)程工業(yè)管道術(shù)監(jiān)察規(guī)程工業(yè)管道 它定義壓力管道是同時(shí)具備以下三個(gè)條件：它定義壓力管道是同時(shí)具備以下三個(gè)條件：pw0.1MP a，且，且25mm 輸送介質(zhì)為氣體、蒸汽、液化氣體、最輸送介質(zhì)為氣體、蒸汽、液化氣體、最高工作溫度高于或等于其標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體高工作溫度高于或等于其標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕

4、性的液體或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性的液體的的金屬管道金屬管道。TSG D0001-2009管規(guī)管規(guī)適用的管道范圍如下：適用的管道范圍如下： （a） 管道元件，包括管道組成件（管子、管件、管道元件，包括管道組成件（管子、管件、法蘭、密封件、緊固件、閥門、安全保護(hù)裝置法蘭、密封件、緊固件、閥門、安全保護(hù)裝置 以及膨脹節(jié)、撓性接頭、耐壓軟管、過濾器、管以及膨脹節(jié)、撓性接頭、耐壓軟管、過濾器、管路中的節(jié)流裝置（孔板）和分離器等）和管道支路中的節(jié)流裝置（孔板）和分離器等）和管道支承件（吊桿、支吊架、斜拉桿、平衡錘、松緊螺承件（吊桿、支吊架、斜拉桿、平衡錘、松緊螺栓、支撐桿、鏈條、管吊、管夾、導(dǎo)軌、鞍

5、座、栓、支撐桿、鏈條、管吊、管夾、導(dǎo)軌、鞍座、托座、滾柱、底座、滑動(dòng)支座、吊耳、卡環(huán)、托座、滾柱、底座、滑動(dòng)支座、吊耳、卡環(huán)、U形夾和夾板等）形夾和夾板等） （b）管道元件間的連接頭、管道與設(shè)備連接的）管道元件間的連接頭、管道與設(shè)備連接的第一道連接接頭（焊縫、法蘭、密封件及緊固件第一道連接接頭（焊縫、法蘭、密封件及緊固件等）、管道與非受壓元件的連接接頭；等）、管道與非受壓元件的連接接頭； （c）管道所用的安全閥、爆破片裝置、阻火器、）管道所用的安全閥、爆破片裝置、阻火器、緊急切斷閥等保護(hù)裝置。緊急切斷閥等保護(hù)裝置。（3）、）、壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)許可規(guī)則壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)許可規(guī)則將壓力管道劃

6、分為四個(gè)類別：將壓力管道劃分為四個(gè)類別： 長(zhǎng)輸管道（長(zhǎng)輸管道（GA）、）、 公用管道（公用管道（GB） 工業(yè)管道（工業(yè)管道（GC） 、動(dòng)力管道（、動(dòng)力管道（GD） 公用管道（公用管道（GB）（公用或民用公用或民用） 城市或鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍內(nèi)的用于公用事業(yè)或民城市或鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍內(nèi)的用于公用事業(yè)或民用的燃?xì)夤艿篮蜔崃艿烙玫娜細(xì)夤艿篮蜔崃艿?劃分為劃分為GB1級(jí)和級(jí)和GB2級(jí)。級(jí)。 燃?xì)夤艿廊細(xì)夤艿繥B1、熱力管道、熱力管道GB2工業(yè)管道（工業(yè)管道（GC）:（企業(yè)、事業(yè)單位用）企業(yè)、事業(yè)單位用） 工業(yè)管道是指工業(yè)管道是指企業(yè)、事業(yè)單位企業(yè)、事業(yè)單位所屬的用于輸送工業(yè)介質(zhì)的所屬的用于輸送工業(yè)介質(zhì)的工藝管道、公

7、用工程管道及其他輔助管道，劃分為工藝管道、公用工程管道及其他輔助管道，劃分為GC1級(jí)、級(jí)、GC2級(jí)和級(jí)和GC3級(jí)。級(jí)。 GC1級(jí)由劃分為級(jí)由劃分為3個(gè)品種；個(gè)品種；GC1-（1）只強(qiáng)調(diào)介質(zhì)類別）只強(qiáng)調(diào)介質(zhì)類別（甲、乙、丙類等），卻無壓力、溫度的限定。（甲、乙、丙類等），卻無壓力、溫度的限定。GC1-（2）對(duì)于火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲、乙類對(duì)于火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲、乙類可燃?xì)怏w可燃?xì)怏w（注（注1），無壓力、），無壓力、溫度的限定；而對(duì)于甲類可燃液體（包括液化烴）（注溫度的限定；而對(duì)于甲類可燃液體（包括液化烴）（注2）只限定壓力，即（只限定壓力，即（ p4.0Mp a ），無溫度的限定。），無溫度的限定。GC1-

8、(3)是指輸送是指輸送p大于或等于大于或等于10.0Mpa（無溫度的限定）或輸（無溫度的限定）或輸送送p4.0Mp a且設(shè)計(jì)溫度且設(shè)計(jì)溫度t400的甲類可燃液體介質(zhì)的的甲類可燃液體介質(zhì)的管道。管道。 注注 1. 可燃?xì)怏w可燃?xì)怏w以一定比例與空氣混合后形成的爆炸性氣體混合以一定比例與空氣混合后形成的爆炸性氣體混合物的氣體。物的氣體。 2. 可燃液體可燃液體在可預(yù)見的使用條件下能產(chǎn)生可燃蒸氣或薄霧，其在可預(yù)見的使用條件下能產(chǎn)生可燃蒸氣或薄霧，其閃點(diǎn)大于或等于閃點(diǎn)大于或等于45，而低于，而低于120的液體的液體。二、管道應(yīng)力分析常用規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)二、管道應(yīng)力分析常用規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn) 1） GB 50316-2

9、000工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范；2） SH/T 3041-2002石油化工管道柔性設(shè)計(jì)規(guī)范石油化工管道柔性設(shè)計(jì)規(guī)范；3） SH/T 3039-2003石油化工非埋地管道抗震設(shè)計(jì)通則石油化工非埋地管道抗震設(shè)計(jì)通則；4） SH 3059-2001石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用通則石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用通則；5） SH 3073-1995石油化工企業(yè)管道支吊架設(shè)計(jì)規(guī)范石油化工企業(yè)管道支吊架設(shè)計(jì)規(guī)范；6） JB/T 8130.1-1999恒力彈簧支吊架恒力彈簧支吊架；7） JB/T 8130.2-1999可變彈簧支吊架可變彈簧支吊架；8） GB 50251-2003 輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范輸

10、氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范9） GB/T 12777-1999金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件；10）GB 50253-2003 輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范；11）DL/T 5054-1996 火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定；12）SDGJ 6-90 火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)定火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)定；13） HG/T 20645-1998化工裝置管道機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范化工裝置管道機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范。 三、管道載荷（或者管道荷載）三、管道載荷（或者管道荷載） 作用于壓力管道上的載荷有：作用于壓力管道上的載荷有： （1）重力載荷包

11、括管道自重、保溫重、介質(zhì)重和積雪重）重力載荷包括管道自重、保溫重、介質(zhì)重和積雪重等；等； （2）壓力載荷）壓力載荷,包括內(nèi)壓力、外壓力或最大壓差包括內(nèi)壓力、外壓力或最大壓差(最苛刻條最苛刻條件件)； （3）位移載荷）位移載荷,包括管道熱脹冷縮位移、端點(diǎn)附加位移包括管道熱脹冷縮位移、端點(diǎn)附加位移（注）、支承沉降等；（注）、支承沉降等； （4）風(fēng)載荷；）風(fēng)載荷； （5）地震載荷；）地震載荷；（6）瞬變流沖擊載荷）瞬變流沖擊載荷,如安全閥啟跳或閥門的快速啟閉時(shí)如安全閥啟跳或閥門的快速啟閉時(shí)的壓力沖擊；的壓力沖擊； （7）兩相流脈動(dòng)載荷；）兩相流脈動(dòng)載荷； （8）壓力脈動(dòng)載荷）壓力脈動(dòng)載荷,如往復(fù)壓縮

12、機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的壓力如往復(fù)壓縮機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)；脈動(dòng)； （9）機(jī)械振動(dòng)載荷）機(jī)械振動(dòng)載荷,如回轉(zhuǎn)設(shè)備的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。如回轉(zhuǎn)設(shè)備的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。四、載荷分類四、載荷分類 1、根據(jù)載荷作用時(shí)間長(zhǎng)短分為恒載荷和活載荷、根據(jù)載荷作用時(shí)間長(zhǎng)短分為恒載荷和活載荷 恒載荷恒載荷持續(xù)作用于管道的載荷：如介質(zhì)、自重、持續(xù)作用于管道的載荷：如介質(zhì)、自重、支吊架反力、熱載荷等支吊架反力、熱載荷等 活載荷活載荷-臨時(shí)作用在管道的載荷：如風(fēng)載荷、地臨時(shí)作用在管道的載荷：如風(fēng)載荷、地震載荷。震載荷。 2、根據(jù)載荷作用性質(zhì)分為靜力載荷和動(dòng)力載荷、根據(jù)載荷作用性質(zhì)分為靜力載荷和動(dòng)力載荷 靜力載荷靜力載荷-載荷緩慢、毫無振

13、動(dòng)地加到管道上去。載荷緩慢、毫無振動(dòng)地加到管道上去。在計(jì)算時(shí)就可以略去慣性力在計(jì)算時(shí)就可以略去慣性力 動(dòng)力載荷動(dòng)力載荷-載荷隨時(shí)間迅速變化的，如在計(jì)算時(shí)載荷隨時(shí)間迅速變化的，如在計(jì)算時(shí)就應(yīng)考慮慣性力就應(yīng)考慮慣性力:管道振動(dòng)、突然關(guān)閉閥門使得壓管道振動(dòng)、突然關(guān)閉閥門使得壓力沖擊、地震等力沖擊、地震等 3、靜力載荷根據(jù)其不同特性又分為自限性載荷、靜力載荷根據(jù)其不同特性又分為自限性載荷和非自限性載荷和非自限性載荷 注：自限性載荷注：自限性載荷由于變形受約束產(chǎn)生的載荷；由于變形受約束產(chǎn)生的載荷；非自限性載荷非自限性載荷-外力載荷外力載荷4、動(dòng)力載荷動(dòng)力載荷 在管道設(shè)計(jì)中常見的動(dòng)力載荷有：在管道設(shè)計(jì)中常

14、見的動(dòng)力載荷有： （1）往復(fù)式壓縮機(jī)及往復(fù)泵進(jìn)出口管道的）往復(fù)式壓縮機(jī)及往復(fù)泵進(jìn)出口管道的振動(dòng)；振動(dòng)； （2）兩相流管道的振動(dòng)；）兩相流管道的振動(dòng)； （3）水錘、氣錘；）水錘、氣錘； （4）流體排放的反力（安全閥排氣系統(tǒng)產(chǎn)）流體排放的反力（安全閥排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)）；生的振動(dòng)）； （5）風(fēng)荷載、地震荷載引起的振動(dòng)。）風(fēng)荷載、地震荷載引起的振動(dòng)。 除上述動(dòng)力載荷外，其他的就是靜力載荷除上述動(dòng)力載荷外，其他的就是靜力載荷或稱為靜載荷?；蚍Q為靜載荷。五、應(yīng)力分類 應(yīng)力分為：一次應(yīng)力P、二次應(yīng)力Q、 峰值應(yīng)力F。 1.一次應(yīng)力一次應(yīng)力P 一次應(yīng)力一次應(yīng)力P 的產(chǎn)生與特點(diǎn)的產(chǎn)生與特點(diǎn) 一次應(yīng)力一次應(yīng)力P

15、是由于壓力、重力與其他外力載荷是由于壓力、重力與其他外力載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。 一次應(yīng)力的特點(diǎn)一次應(yīng)力的特點(diǎn)是沒有自限性。是沒有自限性。一次應(yīng)力一次應(yīng)力P又可以分為：又可以分為： 一次總體薄膜應(yīng)力一次總體薄膜應(yīng)力Pm -是沿管道截面是均勻分布，它的屈服將引起管道截面整體屈服。 一次彎曲應(yīng)力一次彎曲應(yīng)力Pb -它是在很大區(qū)域內(nèi)，在管道截面沿厚度變化呈線性分布，它的屈服只是局部屈服；它是由機(jī)械載荷或壓力載荷引起的。 一次局部薄膜應(yīng)力一次局部薄膜應(yīng)力PL -它是在局部范圍內(nèi)由機(jī)械載荷或壓力載荷引起的薄膜應(yīng)力，它達(dá)到屈服時(shí)也只是在局部范圍內(nèi)屈服，它要發(fā)生速變時(shí)，卻受到周圍彈性材料

16、的約束，所以這種局部屈服是被認(rèn)為可允許的。2.二次應(yīng)力 二次應(yīng)力二次應(yīng)力Q 的產(chǎn)生與特點(diǎn)的產(chǎn)生與特點(diǎn) 二次應(yīng)力是由于管道變形受到約束而產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它不直接與外力平衡它不直接與外力平衡。 二次應(yīng)力的特點(diǎn)是具有自限性，即局部屈服或小量變形就可以用位移約束條件或自身變形的特性，將應(yīng)力限制在一定的范圍內(nèi)，從而變形不再繼續(xù)增大。 二次應(yīng)力引起的破壞是疲勞破壞二次應(yīng)力引起的破壞是疲勞破壞。在管道中，二次應(yīng)力一般由熱脹、冷縮和端點(diǎn)位移引起。 注：計(jì)算二次應(yīng)力時(shí)，管材的彈性模量應(yīng)取安裝溫度下鋼材的彈性模量3.峰值應(yīng)力峰值應(yīng)力F 峰值應(yīng)力峰值應(yīng)力F，它是由于載荷、結(jié)構(gòu)的局部是由于載荷、結(jié)構(gòu)的局部突變引

17、起的應(yīng)力增量。突變引起的應(yīng)力增量。 峰值應(yīng)力的特點(diǎn)：同時(shí)具有自限性與局部峰值應(yīng)力的特點(diǎn)：同時(shí)具有自限性與局部性，它不會(huì)引起明顯的變形。也就是說，性，它不會(huì)引起明顯的變形。也就是說，峰值應(yīng)力對(duì)整個(gè)構(gòu)件而言，是不會(huì)產(chǎn)生任峰值應(yīng)力對(duì)整個(gè)構(gòu)件而言，是不會(huì)產(chǎn)生任何顯著的變形，但它卻是何顯著的變形，但它卻是疲勞破壞或脆性疲勞破壞或脆性斷裂的根源斷裂的根源。如轉(zhuǎn)彎半徑小或焊縫咬邊等。如轉(zhuǎn)彎半徑小或焊縫咬邊等等。只能用改變載荷大小、或使結(jié)構(gòu)變?yōu)榈?。只能用改變載荷大小、或使結(jié)構(gòu)變?yōu)檫B續(xù)辦法來克服。連續(xù)辦法來克服。 六、管道設(shè)計(jì)六、管道設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)主要參數(shù)的確定：設(shè)計(jì)主要參數(shù)的確定：1、設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)壓力管道系統(tǒng)中每個(gè)

18、組成件的設(shè)計(jì)壓力管道系統(tǒng)中每個(gè)組成件的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于在操作中可能遇到的最苛刻的壓力和溫度應(yīng)不小于在操作中可能遇到的最苛刻的壓力和溫度組合工況的壓力。應(yīng)加上液柱的靜壓力。組合工況的壓力。應(yīng)加上液柱的靜壓力。 所謂最苛刻最苛刻是指壓力源（如泵、壓縮機(jī)等）的是指壓力源（如泵、壓縮機(jī)等）的壓力脈動(dòng)，不穩(wěn)定流體的分解、靜壓頭、控制裝壓力脈動(dòng)，不穩(wěn)定流體的分解、靜壓頭、控制裝置或閥門的失效或操作失誤、環(huán)境影響等可能產(chǎn)置或閥門的失效或操作失誤、環(huán)境影響等可能產(chǎn)生的運(yùn)行條件。生的運(yùn)行條件。 設(shè)計(jì)壓力確定原則：設(shè)計(jì)壓力確定原則： 裝有安全泄放裝置，其設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于安裝有安全泄放裝置，其設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于安全裝

19、置的設(shè)定壓力（或最大標(biāo)定爆破壓力）全裝置的設(shè)定壓力（或最大標(biāo)定爆破壓力） 當(dāng)管道是與設(shè)備直接連接作為一個(gè)壓力系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)管道是與設(shè)備直接連接作為一個(gè)壓力系統(tǒng)時(shí)，管道的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力；管道的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力； 未設(shè)置安全泄放裝置，其設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小未設(shè)置安全泄放裝置，其設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于可能產(chǎn)生的最大壓力；于可能產(chǎn)生的最大壓力；離心泵出口管道，離心泵出口管道，p應(yīng)不小于泵的關(guān)閉壓應(yīng)不小于泵的關(guān)閉壓 力力； 輸送制冷劑、液化烴類低沸點(diǎn)介質(zhì)的管輸送制冷劑、液化烴類低沸點(diǎn)介質(zhì)的管道，道，p應(yīng)不小于閥門切斷時(shí)或介質(zhì)不流動(dòng)時(shí)，應(yīng)不小于閥門切斷時(shí)或介質(zhì)不流動(dòng)時(shí)，介質(zhì)可能達(dá)到的最大飽和

20、蒸氣壓（一般按介質(zhì)可能達(dá)到的最大飽和蒸氣壓（一般按50計(jì)算）；計(jì)算）； 裝有安全泄放裝置的真空管道，裝有安全泄放裝置的真空管道，p取取1.25p和和0.1Mpa中的較小值，并按外壓中的較小值，并按外壓條件設(shè)計(jì)；未設(shè)置安全泄放裝置，按條件設(shè)計(jì)；未設(shè)置安全泄放裝置，按 -0.1Mpa計(jì)算。計(jì)算。2、設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度管道組成件壓力設(shè)計(jì)是所用的溫度管道組成件壓力設(shè)計(jì)是所用的溫度 設(shè)計(jì)溫度，設(shè)計(jì)溫度，不應(yīng)低于正常操作時(shí)，可能遇到的最不應(yīng)低于正常操作時(shí)，可能遇到的最 苛刻的壓力和溫度組合工況的溫度；同一管道中苛刻的壓力和溫度組合工況的溫度；同一管道中 的不同管道組成件的設(shè)計(jì)溫度可以不同。的不同管道組成件的

21、設(shè)計(jì)溫度可以不同。設(shè)計(jì)溫度的確定原則：設(shè)計(jì)溫度的確定原則：a)介質(zhì)溫度小于介質(zhì)溫度小于65時(shí)，無隔熱層管道組成件的設(shè)時(shí)，無隔熱層管道組成件的設(shè)計(jì)溫度取介質(zhì)溫度；計(jì)溫度取介質(zhì)溫度； 若介質(zhì)溫度若介質(zhì)溫度65時(shí)，無隔熱層管道組成件的設(shè)時(shí)，無隔熱層管道組成件的設(shè)計(jì)溫度按以下規(guī)定選?。河?jì)溫度按以下規(guī)定選取： 對(duì)于閥門、管子、翻邊端部和焊接管件取介質(zhì)對(duì)于閥門、管子、翻邊端部和焊接管件取介質(zhì)溫度的溫度的95%； 對(duì)于松套法蘭以外的法蘭，取介質(zhì)溫度的對(duì)于松套法蘭以外的法蘭，取介質(zhì)溫度的90%； 對(duì)于松套法蘭，取介質(zhì)溫度的對(duì)于松套法蘭，取介質(zhì)溫度的85%； 螺栓，取介質(zhì)溫度的螺栓，取介質(zhì)溫度的80%； 也可以

22、通過傳熱計(jì)算來確定。也可以通過傳熱計(jì)算來確定。 b)外部隔熱管道的設(shè)計(jì)溫度一般取介質(zhì)溫度；外部隔熱管道的設(shè)計(jì)溫度一般取介質(zhì)溫度； c)內(nèi)部隔熱管道的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)按傳熱計(jì)算或試驗(yàn)內(nèi)部隔熱管道的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)按傳熱計(jì)算或試驗(yàn)確定。確定。七、管道設(shè)計(jì)計(jì)算七、管道設(shè)計(jì)計(jì)算 管道的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：管道的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括： 1、管道組成件的壁厚確定（又稱為壓力設(shè)、管道組成件的壁厚確定（又稱為壓力設(shè)計(jì)）計(jì)） 2、管道系統(tǒng)的柔性計(jì)算、管道系統(tǒng)的柔性計(jì)算 3、管道組成件的選用等方面。、管道組成件的選用等方面。(一一)管道組成件的壓力設(shè)計(jì)管道組成件的壓力設(shè)計(jì)：（除輸氣、輸油管道以外）除輸氣、輸油管道以外） 受內(nèi)壓的直

23、管段管子壁厚確定：受內(nèi)壓的直管段管子壁厚確定： 以外徑為基準(zhǔn)的以外徑為基準(zhǔn)的 t=pcD/(（2S+ Ypc ）) （1） 式中：式中：t計(jì)算厚度計(jì)算厚度 mm D管子外徑管子外徑 mm pc計(jì)算壓力計(jì)算壓力 MPa(p+液柱靜壓液柱靜壓) S設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力MPa； 縱向縱向焊接接頭系數(shù)焊接接頭系數(shù) （注（注1） Y設(shè)計(jì)系數(shù)設(shè)計(jì)系數(shù) （注（注2）GB/T 20801.3第第9頁，表頁，表3(續(xù)續(xù))，我們主要要熟悉序號(hào)，我們主要要熟悉序號(hào)3電熔電熔焊焊采用自動(dòng)電弧焊或手工電弧焊這一欄：（或見下表）采用自動(dòng)電弧焊或手工電弧焊這一欄：（或見下表）序號(hào)焊接型式焊縫類型檢查3電

24、熔焊a)單面對(duì)接焊（帶或不帶填充金屬）直縫或螺旋縫按材料標(biāo)準(zhǔn)或本部分規(guī)定不作RT0.80部分（10%）RT0.9100%RT1.0b)雙面對(duì)接焊（帶或不帶填充金屬）直縫或螺旋縫按材料標(biāo)準(zhǔn)或本部分規(guī)定不作RT0.85部分（10%）RT0.9100%RT1.0注1：對(duì)于無縫鋼管，=1 S-材料許用應(yīng)力,見GB/T20801.2,表A.1材料許用應(yīng)力表 ，應(yīng)根據(jù)材料（牌號(hào)）、標(biāo)準(zhǔn)、工作溫度（最低使用溫度） 、板厚尺寸來選擇。Y設(shè)計(jì)系數(shù)，當(dāng)tD/6時(shí)，按GB/T 20801.3表16選取。注：鐵素體鋼：碳素鋼、低合金高強(qiáng)度鋼、珠光體耐熱鋼、鐵素體不銹鋼鋼的總稱。 表16 t 2012.5%10.0 %

25、不銹鋼 1015 %12.5%10 2020 %15%其他參照HG 20580-1998 鋼制化工容器基礎(chǔ)規(guī)定第13頁表7-4 因?yàn)閺澒芴幍慕孛鏅E圓度的大小，對(duì)彎管的承 受外壓能力影響較大，因此，規(guī)范對(duì)彎管處的截面 橢圓度Tu的大小作出了一些限制： 在彎制彎管時(shí)，彎管的橫截面形狀或多或少會(huì)變成橢圓形，規(guī)范對(duì)不同的介質(zhì)或不同設(shè)計(jì)壓力管道，限定了彎制彎管的彎管處的截面橢圓度Tu的大小，其規(guī)定如下： 對(duì)于輸送劇毒流體或設(shè)計(jì)壓力p 10Mpa 其橢圓度Tu=(Dmax-Dmin)/D 100% 5% 對(duì)于輸送劇毒流體以外其他流體 或設(shè)計(jì)壓力p 10Mpa 其橢圓度Tu 8% 。 因時(shí)間關(guān)系，其他如焊接

26、彎頭、三通、大小頭請(qǐng)大家按HG20582鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。（2）輸氣、輸油管道的直管段的鋼管厚度計(jì)算）輸氣、輸油管道的直管段的鋼管厚度計(jì)算： a. 輸氣輸氣 =pD/2sF t （4） 式中：鋼管計(jì)算厚度cm ； s鋼管的最小屈服強(qiáng)度Mpa p設(shè)計(jì)應(yīng)力 Mpa F強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù) D外徑 cm 焊接接頭系數(shù) t溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度小于120時(shí)，t取1.0 強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)F，一般應(yīng)符合下表規(guī)定地區(qū)等級(jí)F值地區(qū)等級(jí)F值一級(jí)0.72三級(jí)0.5二級(jí)0.6四級(jí)0.4b.輸油管道=pD/2Ks （5）式中：鋼管計(jì)算厚度mm s鋼管的最小屈服強(qiáng)度Mpa p設(shè)計(jì)應(yīng)力 Mpa K輸油站內(nèi)設(shè)計(jì)系數(shù)，一般

27、取0.72 D外徑 mm 焊接接頭系數(shù) 輸油站內(nèi)設(shè)計(jì)系數(shù)F，一般應(yīng)符合下表規(guī)定鋼管號(hào)* K值 鋼管號(hào)K值L245 0.96 L360 0.43 L290 0.48L415 0.42 鋼管號(hào)*GB/T9711.11997中屬于鋼級(jí)和類別碳鋼、奧氏體不銹鋼含義表鋼管種類鋼級(jí)和類別含碳量max規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力R10.5min Mpa抗拉強(qiáng)度Rm Mpa伸長(zhǎng)率ALo=5.65so無縫鋼管不擴(kuò)徑或冷擴(kuò)徑L1750.2117531527不擴(kuò)徑或冷擴(kuò)徑L2450.2624541521不擴(kuò)徑或冷擴(kuò)徑L2900.2929041521不擴(kuò)徑或冷擴(kuò)徑L3900.2639049027C.輸氣、輸油的彎頭或彎管的管壁厚度

28、確定 b=m （6） 式中：b-彎頭或彎管的管壁計(jì)算厚度mm -彎頭或彎管所連接的直管段管壁計(jì)算厚度mm m-彎頭或彎管的管壁增大系數(shù)； m=(4R-D)/(4R-2D) D-彎頭或彎管的外徑mm R-彎頭或彎管的曲率半徑mmd. 輸氣、輸油管道穿過河流管子的管壁厚度確定： 原則是先按內(nèi)壓強(qiáng)度公式求得后再用外壓校核. 管子的計(jì)算厚度 =pD/2sF t （7） 式中：鋼管計(jì)算厚度mm s鋼管的最小屈服強(qiáng)度Mpa p設(shè)計(jì)應(yīng)力 Mpa F強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù) D外徑 mm 焊接接頭系數(shù) t溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度小于120時(shí)，t取1.0八、管道應(yīng)力分析主要內(nèi)容及其各種分析的目的八、管道應(yīng)力分析主要內(nèi)容及其各種

29、分析的目的 管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動(dòng)力分析。 1.靜力分析包括： （1）壓力、重力等荷載作用下的管道一次應(yīng)力計(jì)算防止塑性變形破壞； （2）熱脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移等位移荷載作用下的管道二次應(yīng)力計(jì)算防止疲勞破壞； （3）管道對(duì)機(jī)器、設(shè)備作用力的計(jì)算防止作用力過大，保證機(jī)器、設(shè)備正常運(yùn)行； （4）管道支吊架的受力計(jì)算為支吊架設(shè)計(jì)提供依據(jù)； 管道上法蘭的受力計(jì)算防止法蘭泄漏； 管系位移計(jì)算防止管道碰撞和支吊點(diǎn)位移過大。2.動(dòng)力分析包括： （1） 往復(fù)壓縮機(jī)（泵）管道氣（液）柱固有頻率分析防止氣（液）柱共振； （2） 往復(fù)壓縮機(jī)（泵）管道壓力脈動(dòng)分析控制壓力脈動(dòng)值； （3） 管道固有頻率分析防止管

30、道系統(tǒng)共振； （4） 管道強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析控制管道振動(dòng)及應(yīng)力； （5） 沖擊荷載作用下管道應(yīng)力分析防止管道振動(dòng)和應(yīng)力過大； （6） 管道地震分析防止管道地震應(yīng)力過大。九、工程項(xiàng)目管道應(yīng)力分析技術(shù)統(tǒng)一規(guī)定的內(nèi)容九、工程項(xiàng)目管道應(yīng)力分析技術(shù)統(tǒng)一規(guī)定的內(nèi)容 工程項(xiàng)目的管道應(yīng)力分析技術(shù)統(tǒng)一規(guī)定包括以下內(nèi)容： （1） 技術(shù)統(tǒng)一規(guī)定的適用范圍； （2） 項(xiàng)目執(zhí)行中使用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及版本； （3） 溫度、壓力等計(jì)算條件的確定方法； （4） 分析中需要考慮的荷載及計(jì)算方法； （5） 管道應(yīng)力分析所使用的軟件； （6） 項(xiàng)目中需要進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析的管道類別； （7） 管道應(yīng)力的安全評(píng)定條件； （8） 機(jī)器、設(shè)備的

31、允許受力條件或遵循的標(biāo)準(zhǔn)； （9） 防止法蘭泄漏的條件； （10） 膨脹節(jié)、彈簧等特殊元件的選用要求； （11） 專門問題（如摩擦力、冷緊等）的處理方法； （12） 業(yè)主的特殊要求； （13） 不同專業(yè)之間的接口關(guān)系；十、壓力管道的熱應(yīng)力分析十、壓力管道的熱應(yīng)力分析 熱應(yīng)力熱應(yīng)力： 管子在受熱（受冷）時(shí)就會(huì)產(chǎn)生膨脹（收縮），這種熱脹冷縮是自然現(xiàn)象，如果熱脹（冷縮）受到約束，使其不能自由伸縮就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力（溫度應(yīng)力）。熱應(yīng)力是二次應(yīng)力。如果處理不當(dāng)，它與一次應(yīng)力相疊加，可能導(dǎo)致管道失效，醸成事故。 設(shè)一直管段，其兩端被固定住，管長(zhǎng)為L(zhǎng)， 截面積為A，管材彈性模量為E，安裝時(shí)的溫度為To,工作溫度

32、為T1（且T1To），熱脹系數(shù)。如果管道能自由伸縮，則伸長(zhǎng)量為L(zhǎng)為： L= （T1-To）L= T L， (8)設(shè)在鋼管另一端施加P 壓力使管子恢復(fù)到原來長(zhǎng)度L，那么，P力的大小為 P= （L/L ）E A= T E A (9) 熱應(yīng)力=P/A= T E (10) 舉例：某油罐進(jìn)出管線為1594.5材料為Q235B，tw=100安裝溫度為0 ，求管子的熱應(yīng)力和對(duì)罐體的推力 Q235B 的和 E分別為=12.210-6 / 和E=2.0105Mpa 其截面積A=/4（Do2-Di2） =0.785(1592-1502) =2.1810-3m2 溫度變化T=100-0=100 熱應(yīng)力=p/A= T

33、 E=244 Mpa 推力P= T E A=5.295105（N）（53103kg） 可見熱應(yīng)力與推力都很大，故該管線不能直接連接。諸如此類問題，除了GD 類動(dòng)力管道外，其他由于設(shè)計(jì)溫度與安裝相差不是很大時(shí)，工程上我們一般 是采用增加柔性辦法，以降低熱應(yīng)力的辦法來處理的。i）這里我們首先要理解“柔性柔性”的含義：柔性-管道通過自身變形通過自身變形時(shí)，吸收吸收因溫度變化發(fā)生的尺寸變化所產(chǎn)生的位移位移，從而保證管道上的應(yīng)力在應(yīng)力在管材許用應(yīng)力范圍內(nèi)管材許用應(yīng)力范圍內(nèi)的性能性能。管系的柔性愈大，則產(chǎn)生熱脹變形的可能性愈大，管系的熱應(yīng)力就愈小。但真正要進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算是較復(fù)雜的過程，且還很繁瑣。 ii）

34、我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中想方設(shè)法增加管系柔性，其思路采用彎管段結(jié)構(gòu)，或設(shè)置伸縮裝置（補(bǔ)償器）的辦法等來增加管系柔性。注：補(bǔ)償器有兩種形式： 1. 由于工藝需要在管道布置需要而自然形自然形成成的彎管段-這就是補(bǔ)償器，又稱為自然補(bǔ)償器，如L 型或 Z型的補(bǔ)償器； 2. 我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，專門設(shè)置專門設(shè)置用于吸收管道 “熱膨冷縮” 的彎管形式彎管段或伸縮裝置，稱為人工補(bǔ)償器，如型補(bǔ)償器，-波紋形或填料函型等等。十一、自然補(bǔ)償器 很顯然，自然補(bǔ)償器是在管道布置時(shí)自然形成的，我們應(yīng)當(dāng)盡量采用自然補(bǔ)償器辦法來增加管系的柔性；只有當(dāng)自然補(bǔ)償器不能滿足要求時(shí)，才采用人工補(bǔ)償器。 “只有當(dāng)自然補(bǔ)償器不能滿足要求時(shí)”這句話怎

35、樣理解？怎樣才能滿足？舉個(gè)例子來說明： 有一L 型的 自然補(bǔ)償器，如圖所示L 型 自然補(bǔ)償器如圖所示 我們只需考慮其中較短OB 段是否有足夠的吸收管系熱膨脹之能力，如OB 段吸收不了，即短臂長(zhǎng)度不夠，則重新布管使之延長(zhǎng)至C 點(diǎn)就OK。 1.管道自然補(bǔ)償器補(bǔ)償能力的計(jì)算管道自然補(bǔ)償器補(bǔ)償能力的計(jì)算 熱力管道布置時(shí)的宗旨，應(yīng)充分利用管道本身的自然彎曲（柔性）來補(bǔ)償管道的伸長(zhǎng)；但要牢記有兩個(gè)限制條件： 1.只有彎管的轉(zhuǎn)角150o時(shí)能起自然補(bǔ)償器作用； 2.自然補(bǔ)償管道的長(zhǎng)臂長(zhǎng)L 不應(yīng)超過2025m, 彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過 w=80 Mpa. L 型直角彎自然補(bǔ)償器（如下圖所示）平面管系L型自然補(bǔ)償器短臂

36、長(zhǎng)度的計(jì)算 其柔性條件為 l=1.1（ L D/300）1/2 ( 11 ) 其中 l(小寫L)短臂長(zhǎng)度m L長(zhǎng)臂長(zhǎng)度m L 長(zhǎng)臂熱伸長(zhǎng)量mm D 外徑mma. L 型直角彎自然補(bǔ)償器（如下圖所示）例題 1 L 型補(bǔ)償器計(jì)算 有一直角彎頭D=108，長(zhǎng)臂L=25m,工作溫度220 安裝溫度20，確定短臂l (小寫L)的最小長(zhǎng)度。 先求出長(zhǎng)臂熱伸長(zhǎng)量mm L 的大?。?L= T L=1210-6 （220-20） 25 103=60mm 用上述柔性條件確定短臂尺寸 l= 1.1（ L D/300）1/2 =1.1（60 108/300）1/2m=5.1m b. Z 型直角彎自然補(bǔ)償器（如下圖所示

37、）平面管系Z型自然補(bǔ)償器短臂長(zhǎng)度的計(jì)算 如上圖所示的Z型折角彎自然補(bǔ)償器，其柔性條件： l= 6 LED / （107 （ 1+1.2K） 式中：lz 型自然補(bǔ)償器短臂長(zhǎng)度 （m ） L(L1+L2)的總熱伸長(zhǎng)量（m) E-管道材料的彈性模數(shù)（MPa) E=2X105MPa D管道外徑（mm) K=L1/l例題2 Z 型折角彎自然補(bǔ)償器計(jì)算 已知有一蒸氣管道219x6,t=200 ，L1為6m,L2為9m,材料為20，求折角彎短臂長(zhǎng)l 解：L=T(L1+L2)=0.012x(6+9)x200=32mm 由于K 的不定值原因，要用試差法去計(jì)算； 設(shè) l=1.8m,K=6/1.8=3.3. 代入上

38、式 l= 6 LED / （107 （ 1+1.2K） = 6 322.0105219 / （107 110 （ 1+1.23.3） 1/2=1.54 m 取1.8m 就可以了。 注：不能在其短臂中間加固定支座，使之成為兩個(gè)L 型的。c.空間自然補(bǔ)償管系的近似計(jì)算 對(duì)于類似上圖所示的空間管系的自然補(bǔ)償，工程上用下面柔性判據(jù) 來判斷該管系是否需要進(jìn)行詳細(xì)的柔性計(jì)算其柔性條件為：DNL/（L-U） 2 208.3 （15） 式中：DN此處管子是159X4.5，則 DN =150(mm)； L管系三個(gè)方向熱伸長(zhǎng)的向量和(m)； L管系展開長(zhǎng)度(m), 這里為 L =AB+BC+CD+DE; U管系兩端固定點(diǎn)之間的直線距離（m） 如果 DNL/（L-U）2208.3，則該管系可不需要進(jìn)行詳細(xì)的柔性計(jì)算，并認(rèn)為是安全。使用式（15）的限制條件1）同一根管道，同一壁厚；2）兩端必須固定；3）中間無限位支吊架，4）無分支管例3 鍋爐房一段供汽管道，管子直徑159X5 20無縫鋼管，供汽壓力pw=1.0Mpa 蒸氣溫度300 ，安裝溫度20 ，