管道應(yīng)力分析設(shè)計技術(shù)規(guī)定

1、管道應(yīng)力分析設(shè)計技術(shù)規(guī)定1. 總則1.1 概述 1.1.1 管道應(yīng)力計算主要驗算管道在內(nèi)壓、持續(xù)外載作用下的一次應(yīng)力和由于熱脹、冷縮及其它位移受約束產(chǎn)生的二次應(yīng)力，以判明所計算的管道是否安全、經(jīng)濟(jì)、合理；計算管道由于熱脹、冷縮及其它位移受約束和持續(xù)外載作用產(chǎn)生的對設(shè)備的推力和力矩，以判明是否在設(shè)備所能安全承受的范圍之內(nèi)。1.2 范圍1.2.1 下列范圍的管道必須通過計算機(jī)計算： （1） 管徑大于等于DN150，且設(shè)計溫度大于等于230或低于-20的所有管線。 （2） 設(shè)計溫度大于等于340的所有管線。 （3） 管徑大于等于DN100，且操作溫度大于等于230或低于-20的所有泵的進(jìn)出口管線。

2、（4） 汽輪機(jī)進(jìn)、進(jìn)口連接的管道。 （5） 離心壓縮機(jī)進(jìn)、出口連接的管道。 （6） 往復(fù)壓縮機(jī)進(jìn)、出口連接的管道。 （7） 有關(guān)規(guī)范中規(guī)定要進(jìn)行應(yīng)力計算的管道。1.2.2 下列范圍內(nèi)（除1.2.1條規(guī)定之外）的管道一般應(yīng)通過目測、手工簡易計算進(jìn)行應(yīng)力分析，在判斷困難時，仍應(yīng)通過計算機(jī)計算： （1） 管徑大于、等于DN400的管道。 （2） 連接到壓力容器的重要管道。 （3） 所有由工藝專業(yè)提出的重要管道和內(nèi)部絕熱管道。 （4） 所有鋁及鋁合金的管道。 （5） 管道支撐點或與管道相連的設(shè)備、建構(gòu)筑物基礎(chǔ)可能過度下沉的管道。 （6） 夾套管。 （7） 管道應(yīng)力分析人員選定的管線。安全閥放散管。1.

3、2.3 下列管道可不再進(jìn)行應(yīng)力計算 （1） 與運行良好的管道柔性相同或基本相當(dāng)?shù)墓艿?。?） 和已分析的管道比較，確認(rèn)有足夠柔性的管道。2. 設(shè)計條件和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)2.1 設(shè)計條件2.1.1 管道應(yīng)力計算空視草圖 由配管人員繪制后提交給管道應(yīng)力計算人員。格式見附件5.1。2.1.2 管道應(yīng)力計算必須具備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) （1） 管道計算壓力 （a） 一條管道的計算壓力不應(yīng)小于在操作中可能遇到內(nèi)壓或外壓與溫度相偶合時的最嚴(yán)格情況下的壓力（即確定的設(shè)計壓力）。 （b） 如果管系與其壓力泄放裝置之間的通路可能被堵塞或隔離，則此管系應(yīng)按不低于在上述情況下可能產(chǎn)生的最大壓力計算。 （c） 管道計算壓力不應(yīng)小于選定

4、的事故壓力或最大操作壓力。 所謂事故壓力是指在操作中可能遇到的壓力與溫度相偶合時的最嚴(yán)格情況下的壓力。而操作壓力則為系統(tǒng)處在正常操作情況下的壓力。 （2） 管道計算溫度 設(shè)計溫度應(yīng)不低于操作過程中壓力和溫度相偶合時的最嚴(yán)格情況下的材料溫度。 不同金屬管道計算溫度取法如下： （a） 不絕熱的金屬管道 流體溫度在38以下時，取流體溫度； 流體溫度在38或以上時，取試驗或傳熱計算確定的平均壁溫。 （b） 外部絕熱的金屬管道 取計算、預(yù)先試驗或根據(jù)測量所得的操作經(jīng)驗證明可以使用的溫度。 取流體溫度。 凡是采用伴管、夾套加熱，在確定計算溫度時應(yīng)把這種加熱影響考慮在內(nèi)。 （c） 內(nèi)部絕熱襯里的金屬管道，取

5、傳熱計算或試驗所得的金屬溫度。 （d） 在確定計算溫度時，應(yīng)同時考慮使用柔性溫度。 （e） 管道設(shè)計安裝溫度，當(dāng)工藝系統(tǒng)專業(yè)未特別提出數(shù)據(jù)時，均采用20。2.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)2.2.1 國外材料采用美國國家化工廠和煉油廠管道（ASME B31.3）標(biāo)準(zhǔn)。2.2.2 國內(nèi)材料采用GB503162000工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范。3. 管道應(yīng)力分析程序及其方法3.1 管道應(yīng)力分析程序 目前，我院的管道應(yīng)力計算程序主要有兩種，一種是從美國COADE公司引進(jìn)的CAESARII程序，另一種是我院自行開發(fā)的等值剛度法計算程序。這里主要介紹CAESAR管道應(yīng)力分析程序。 該程序是進(jìn)行管道靜力分析和動力分析的專有程序，

6、功能相當(dāng)齊全，可在微機(jī)上運算。該程序不僅可計算管道由內(nèi)壓、自重、熱膨脹和端點位移等荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力和各點位移，還可考慮管道的非線性約束，例如管道與支架之間的摩擦力，限位支架的間隙等?？捎嬎阌胁ㄐ窝a(bǔ)償器的管道，計算管道與設(shè)備連接的管嘴柔性和設(shè)備管嘴處的局部應(yīng)力?？砂压芗芘c管道作為一個整體進(jìn)行應(yīng)力分析和對法蘭連接進(jìn)行泄漏的分析驗算等。該程序還具有靈活的荷載組合和圖形顯示功能。程序還可按指定的各種國際通用規(guī)范進(jìn)行計算。 CAESAR程序雖然可考慮摩擦力，但計算時要經(jīng)過多次循環(huán)，有時形成死循環(huán)計算不出結(jié)果，此時需要人工考慮。 在轉(zhuǎn)動設(shè)備附近有時設(shè)置限位支架或固定支架以阻止管道傳來的推力作用在轉(zhuǎn)動設(shè)備上

7、。在程序中往往假設(shè)此支架的剛度非常大。如果支架的實際剛度小，受力后有較大的變形，轉(zhuǎn)動設(shè)備仍可能受力很大。 CAESAR程序為線彈性分析程序，程序中往往未考慮應(yīng)力松弛和應(yīng)力自平衡，因此程序給出的固定點推力可能比實際的推力大。3.2 管道應(yīng)力分析方法 管道應(yīng)力分析一般采用計算機(jī)程序進(jìn)行分析，對于一些簡單的管線可采用手工計算的方法，這里主要介紹CAESAR程序的操作方法。3.2.1 使用CAESAR前的準(zhǔn)備工作 （1） 準(zhǔn)備尺寸齊全的管網(wǎng)計算模型簡圖。 （2） 進(jìn)行節(jié)點NODE和單元Element編號。 （3） 準(zhǔn)備各管道，管件的有關(guān)尺寸和材質(zhì)特性參數(shù)。 （4） 確定邊界條件：各部件的約束條件。3.

8、2.2 上機(jī)使用CAESAR軟件 （1） 主菜單CAESAR Version 3.191. Input數(shù)據(jù)輸入A. Structural Input結(jié)構(gòu)輸入2. Statics靜力分析B. Buried Pipe Input埋地管輸入3. Dynamics動力分析C. WRC297,SIFS,Flanges應(yīng)力加強(qiáng)，法蘭4. Output輸入D. WRC1075. Files/Jobnane文件/工作名E. Rotating Equipment轉(zhuǎn)動設(shè)備6. Jobname工作名F. 2-D Plotting 2D繪圖7. Utilities工具G. AISC Unity Checks AISC

9、檢查8. Exit DOS退到DOSH.Change Units改變單位9. Configure-Setup配置-設(shè)置I. ASCII Editor文本編輯J.System Check系統(tǒng)檢查Option-6 （2） 數(shù)據(jù)輸入通過選項5或選項6選擇工作名和建立工作名，再選擇選項1即進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入屏。FROM NODETO NODERESTRAINTS (Y/N)DISPLACEMENTS (Y/N)DXDYDZFORCES/MOMENTS(Y/N)UNIFORM LOADS (Y/N)WIND LOADS (Y/N)OFFSETS (Y/N)DIAMETERWT/SCHALLOW.STRESS

10、(Y/N)SIFs & TEEs (Y/N)INSUL THKCORROSIONBEND(B/Y/N)TEMP#1TEMP#2TEMP#3RIGID(Y/N)EXP JT(Y/N)RPESSURE#1PRESSURE#2MATERIAL#ELASTIC MODPOIS. RATIOPIPE wgtINSUL wgtFLUID wgtMov Cont Fnd Ins Del Break Title Plot Lst Hgr Valve EXPJT kaux ?help Update Quit輸入屏中各單元含義如下： FROM NODE單元始節(jié)點 TO NODE單元終節(jié)點 DX DY DZ單元在X

11、，Y，Z坐標(biāo)軸上的投影長度 DIAMETER管子外徑 WT/SCH保溫（或保冷）厚度 CORROSION管子腐蝕裕量 BENDTO NODE處是否有彎管 RIGID當(dāng)前單元是否是剛性元件 EXP JT當(dāng)前單元是否是波形膨脹節(jié) MATERIAL單元材質(zhì) ELASTIC MOD楊氏彈性模量 POIS. RATIO泊松比 PIPE wgt管材密度 INSUL wgt保溫材質(zhì)密度 FLUID wgt流體密度 RESTRAINTS有無約束 DISPLACEMENTS有無附加位移 FORCES/MOMENTS有無集中力和力距 UNIFORM LOADS有無均布荷載 WIND LONADS有無風(fēng)荷載 OFF

12、SETS有無偏離值 ALLOW. STRESS是否要輸入許用應(yīng)力 SIFs & TEEs是否要輸入多路管線交叉點 TEMP #溫度 PRESSURE #壓力 Move快速翻頁 Cont往下翻一頁 Fnd查找某頁 Ins插入一頁 Del刪除一頁 Plot呈圖 Lst列出輸入數(shù)據(jù) ？help幫助 Quit退出 kaux用于檢查程序生成的應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)和彎管、三通的柔度，或設(shè)置程序運行的控制參數(shù)。 Hgr輸入彈簧支吊架數(shù)據(jù) Update將輸入數(shù)據(jù)存盤 （3） 計算 數(shù)據(jù)輸入完成后即可進(jìn)行靜力計算，如有必要還可進(jìn)行動力計算。3.2.3 閱讀計算結(jié)果 計算完成后可直接進(jìn)入計算輸出，也可通過選項4進(jìn)入。計算

13、結(jié)果包括以下內(nèi)容： （1） 位移報表（DISPLACEMENT REPORT） 包括冷態(tài)管道各點位移（SUS工況）和熱態(tài)管道各點位移（OPE工況）。 （2） 約束點受力報表（RESTRAINT REPORT） 包括設(shè)備管口、支吊架、彈簧支吊架等約束點受力情況。對于約束所受力矩，按右手螺旋定則，大拇指指向，沿坐標(biāo)軸正方向為正，沿坐標(biāo)軸負(fù)方向為負(fù)。常見的約束類型如下： Rigid ANG剛性固定（或設(shè)備管口） Rigid GUI剛性導(dǎo)向 Rigid +Y活動支架 Rigid +Y/Rigid GUI導(dǎo)向支架 Rigid XX方向雙向限位 Rigid +X+X方向限位 Displ. REACTION

14、設(shè)備管口附加位移 VSH Redesign可變彈簧支吊架 Prog Design CSH恒力彈簧支吊架 （3） 應(yīng)力報表（STRESS SUMMARY） 一次應(yīng)力校核（SUS工況）和二次應(yīng)力校核（EXP工況）： 應(yīng)力報表的首頁列出管線的最大計算應(yīng)力點，如果許用應(yīng)力（ALLOWABLE）大于或等于計算應(yīng)力（CODE STRESS），則應(yīng)力校核通過，否則需調(diào)整管線重新計算。 （4） 彈簧支吊架報表（HANGER REPORT） 該報表包括彈簧號、彈簧個數(shù)、位移方向和位移量、熱荷載、安裝荷載、彈簧剛度、水平位移等數(shù)據(jù)。由于彈簧標(biāo)準(zhǔn)采用國外標(biāo)準(zhǔn)，故彈簧號、安裝荷載、彈簧剛度須根據(jù)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)作相應(yīng)調(diào)整。

15、報表中含有各種荷載工況（LOAD CASES ANALYZED），典型工況組合有以下三種： （OPE）W+DIS+T+P+FOR 通常指熱態(tài)，含管系操作條件下的全部荷載。 （SUS）W+P+FOR 通常指承載狀態(tài)，不含熱膨脹和附加位移（注：計算應(yīng)力與熱態(tài)許用應(yīng)力相比較） （EXP）D3=D1-D2 指純溫度狀態(tài)，即只含溫度荷載和附加位移荷載（注：計算應(yīng)力與許用應(yīng)力相比較） 工況組合中荷載表示如下： W自重DIS附加位移 T溫度P壓力FOR集中力4 管道應(yīng)力計算結(jié)果4.1 管道應(yīng)力計算數(shù)據(jù)表 管道應(yīng)力計算結(jié)束后，管道應(yīng)力計算人員應(yīng)將計算結(jié)果摘抄到管道應(yīng)力計算數(shù)據(jù)表后提交給有關(guān)專業(yè)（配管、設(shè)備等專

16、業(yè)）人員，管道應(yīng)力計算數(shù)據(jù)表格式詳見附件5.2。4.2 應(yīng)力計算的安全性判斷 正確的管道應(yīng)力分析是確保管道安全的重要部分，此外正確選用管材和配件以及它們的制造質(zhì)量、施工及焊接質(zhì)量等也是重要的。在應(yīng)力分析中應(yīng)考慮以下各點：4.2.1 由內(nèi)壓而產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力不得大于其最高設(shè)計參數(shù)下的許用應(yīng)力。4.2.2 受外壓的管道應(yīng)核算管壁的穩(wěn)定性，以及是否需要增設(shè)加強(qiáng)筋以提高其穩(wěn)定性。4.2.3 經(jīng)常性荷載，即內(nèi)壓、管道自重和經(jīng)常作用于管道上的其他荷載（不包括熱脹和端點位移），在管道上所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力不得大于其在最高設(shè)計參數(shù)下的許用應(yīng)力。4.2.4 偶然性荷載，如風(fēng)力、地震等荷載、與經(jīng)常性荷載相組合，其縱向應(yīng)

17、力不得大于在最高設(shè)計參數(shù)下許用應(yīng)力的1.33倍。風(fēng)力和地震作用可不考慮同時發(fā)生。4.2.5 熱脹和端點位移所產(chǎn)生的應(yīng)力不大于在最高設(shè)計參數(shù)下的許用應(yīng)力范圍。當(dāng)經(jīng)常性荷載所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力小于許用應(yīng)力時，其多余部分可加在許用應(yīng)力范圍內(nèi)使用。4.2.6 管道對設(shè)備的作用力和力矩不得大于該設(shè)備允許的力和力矩。4.2.7 管道上法蘭所承受的由管道自重和熱脹等產(chǎn)生的力和力矩。折合成當(dāng)量壓力后，校核法蘭的承載能力，使之不致泄漏。4.2.8 安全閥管道應(yīng)能承受安全閥排放時流體的沖擊及其反作用力。4.2.9 與往復(fù)式機(jī)泵連接的管道，由于流體脈動而產(chǎn)生的反復(fù)應(yīng)力不得大于50MPa，與經(jīng)常性荷載產(chǎn)生的縱向應(yīng)力組合后

18、不得大于最高設(shè)計參數(shù)下的許用應(yīng)力。4.2.10 管道的支吊架應(yīng)滿足管道應(yīng)力分析結(jié)果所提出的要求，例如強(qiáng)度、剛度、固定或限位的功能和摩擦系數(shù)等。4.2.11 用計算機(jī)進(jìn)行計算時，在計算程序中未考慮的因素，在設(shè)計過程中也應(yīng)加以考慮。例如：摩擦力的影響，兩相流的影響和支吊架之間荷載的分配偏差等。4.2.12 管道上所選用的管件和閥門應(yīng)滿足最高設(shè)計參數(shù)的要求。4.3 典型設(shè)備的管口推力限制 為了保證汽輪機(jī)、透平壓縮機(jī)和泵能長期平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，必須考慮與這些運轉(zhuǎn)設(shè)備相連接的管道端點的推力和力矩。4.3.1 作用于汽輪機(jī)、透平壓縮機(jī)上的管端載荷 （1） 對于每一個接管上的力和力矩的校核 3F+3.28M89.2

19、9D 式中：F與接管相連的管道端點對此接管推力的合力,kgf； M與接管相連的管道端點對此接管的合力矩，kgf-m； D接管直徑，cm； 當(dāng)DN20cm時，取D=DN，cm； 40+DN 當(dāng)DN20cm時，取D= ，cm 3 DN管道的公稱直徑，cm。 （2） 對汽輪機(jī)、透平壓縮機(jī)整體的管端載荷的校核 （a） 基準(zhǔn)點的選擇 校核汽輪機(jī)、透平壓縮機(jī)整體的管端載荷時，首先要選擇一個基準(zhǔn)點，此基準(zhǔn)點為汽輪機(jī)排放管中心線與機(jī)體軸線的交點。 （b） 基準(zhǔn)點確定以后，可將作用于各個接管的力和力矩綜合到基準(zhǔn)點處（見圖41）。圖41作用于基準(zhǔn)點的載荷具體方法如下： n n MCX= Mxi+ (FziYi_F

20、yiZi) i=1 i=1 n n MCY= Myi+ (FxiZiFziXi) i=1 i=1 n n MCZ= Mzi+ (FyiXiFxiYi) i=1 i=1 n Fcx= FXi i=1 n Fcy= FYi i=1 n Fcz= FZi i=1 式中： Mcx垂直于x軸平面內(nèi)的合力矩分量，kgfm; Mcy垂直于y軸平面內(nèi)的合力矩分量，kgfm； Mcz垂直于z軸平面內(nèi)的合力矩分量，kgfm； Fcx所有接管上的合力在x軸上的分量，kgf； Fcy所有接管上的合力在y軸上的分量，kgf； Fcz所有接管上的合力在z軸上的分量，kgf； i 下標(biāo)，指某一根接管。 求作用于基準(zhǔn)點的合力

21、和合力矩： Mc= M2cx+M2cy+M2cz Fc= F2cx+F2cy+F2cz 式中：Mc所有接管上的管端推力和力矩合成到基準(zhǔn)點上的合力矩，kgfm； Fc所有接管上的管端推力合成到基準(zhǔn)點上的合力，kgf。 （c） 在圖41中，合成了的力和力矩必須符合下列要求： 2Fc+3.28Mc44.64Dc 式中：Dc當(dāng)量直徑，cm。 各接管截面之和 令DH= ， cm； 0.785 當(dāng)DH22.5cm時，取Dc=DH，cm； 45+DH 當(dāng)DH22.5cm時，取Dc= ,cm。 3 （4） 圖41中合力和合力矩的分量必須符合下列要求： Fcx8.93DcMcx13.58Dc Fcy22.33DcMcy6.79Dc Fcz17.86DcMcz6.79Dc4.3.2 作用于泵接管上的管端載荷 與泵連接的管端推力和力矩，可按表41的要求進(jìn)行校核。表41適用范圍如下： （1） 鋼體泵或合金鋼體泵。 （2） 泵接管公稱直徑不得大于300mm。 泵管口管端載荷的限制范圍 表41力kgf或力矩kgfm泵接管公稱直徑DN,mm507010015020025