管道應力分析及計算演示

（優(yōu)選）管道應力分析及計算目前一頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點一、管道應力分析的目的1、使管道應力在規(guī)范的許用范圍內，保證管道系統(tǒng)的整體安全2、使動（靜）設備管口載荷符合制造商或公認的標準—使其能長周期、平穩(wěn)運轉3、給結構及各種支撐提供設計載荷4、確定管道熱位移及各種沖擊載荷所導致的管道位移5、解決管道動力學問題：機械振動、脈動、安全閥排放等6、優(yōu)化配管設計目前二頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點二、管道應力分析基礎知識2.1、應力、應變及應力狀態(tài)2.2、材料的機械性能2.3、強度理論2.4、管道變形的基本形式2.5、管道中的應力狀態(tài)2.6、管道應力分類、應力分類校核遵循的原則、管道應力分析中的應力分類、管道應力分析中一次和二次應力超標原因2.7、管道應力分析所遵循的標準目前三頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點三、管道的柔性設計3.1、柔性定義及柔性設計的方法和目的a)定義b)目的c)設計方法d)端點位移考慮3.2、是否進行詳細柔性設計的判別方法a)應進行詳細柔性設計的管道b)可以不進行詳細柔性設計的管道c)判別式的使用方法與注意事項3.3、管道的熱補償目前四頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點三、管道的柔性設計3.4、應力增大因子3.5、柔性分析方程3.6、彈性模量隨溫度變化效應3.7、柔性分析的另一規(guī)則目前五頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點四、管道應力分析的職責4.1、應力分析（靜力分析、動力分析）;4.2、對重要管線的壁厚進行計算，包括特殊管件的應力分析；4.3、對動設備（機泵、空冷器、透平等）管口受力進行校核計算；4.4、管架設計；4.5、審核供貨商文件；4.6、編制、修改相關規(guī)定；4.7、編制應力分析及管架設計工程規(guī)定；4.8、本專業(yè)人員培訓；4.9、進度、質量及人工時控制；4.10、參加現(xiàn)場技術服務；目前六頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點五、管道機械專業(yè)（應力分析）常用的標準規(guī)范1、GB50316-2000《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范》2、HG/T20645-1998《化工裝置管道機械設計規(guī)定》3、SH/T3041-2002《石油化工企業(yè)管道柔性設計規(guī)范》4、GB150《鋼制壓力容器》5、JB/T8130.1-1999《恒力彈簧支吊架》6、JB/T8130.2-1999《可變彈簧支吊架》7、GB50251-2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》8、GB50253-2003《輸油管道工程設計規(guī)范》9、ASME/ANSIB31.1--PowerPiping目前七頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點10、ASME/ANSIB31.3ProcessPiping11、ASME/ANSIB31.4LiquidTransmissionandDistributionpipingsystems12、ASME/ANSIB31.8GasTransmissionandDistributionpipingsystems13、API610--離心泵14、NEMASM23--透平15、API617--離心式壓縮機16、API618--往復式壓縮機17、API661--空冷器18、ANSI/B31.1、APIRP520--安全閥、爆破膜目前八頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點六、工程設計階段管機專業(yè)的任務6.1、初步設計、基礎設計階段⑴編制工程設計規(guī)定(應力分析、管架設計)(四級簽署)；

(2)參加設備布置工作；

(3)對主要管線的走向進行應力分析和評定。目前九頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點6.2、詳細設計階段⑴修訂工程設計規(guī)定(應力分析、管架設計)

(四級簽署)；⑵重要管線的壁厚計算，特殊管件的應力分析；⑶編制臨界管線表(三級簽署)—應力分析管線表 靜力分析⑷應力分析 (三、四級)； 動力分析⑸臥式容器固定端確定，立式設備支耳標高確定；⑹支管補強計算；⑺動設備許用荷載校核(四級)

目前十頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點

⑻夾套管(蒸汽、熱油、熱水)計算(端部強度計算、內部導向翼板位置確定、同時包括任何應力分析管道的所有內容)；⑼往復式壓縮機、往復泵動力分析(四級)；⑽安全閥、爆破膜泄放反力計算；⑾結構、建筑荷載條件；⑿設備管口荷載、預焊件條件；⒀編制彈簧架采購MR文件及彈簧架技術數(shù)據(jù)表；⒁編制柔性件(膨脹節(jié)、軟管等)采購MR文件及技術數(shù)據(jù)表；目前十一頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點6.3、各文件應包含的內容：⑴工程規(guī)定內容

A、適用范圍；

B、概述；

C、設計中采用的標準規(guī)范；

D、計算程序(軟件)；

E、設計溫度、壓力、安裝溫度(環(huán)境溫度)、壓力；

F、設計荷載—風壓值；

—地震烈度；

—雪荷載；

—土壤的力學性質；

G、臨界管線表的確定準則（哪些管線該做哪類的應力分析）；

H、計算及安全性評定準則；

I、應力分析工作流程。

J、其它目前十二頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點⑵壁厚計算A、當B、當

t的確定應根據(jù)斷裂理論、疲勞、熱應力及材料特性等因素綜合考慮確定。C、外壓直管的壁厚，應根據(jù)GB150規(guī)定的方法確定。D、其它的管件(如Y型三通、孔板等)依據(jù)相應的規(guī)范(GB50316-2000)公式進行計算。目前十三頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點⑶臨界管線表公式法：

D0—管外徑(mm)Y—管段總位移(mm)

Y=(ΔX2+ΔY2+ΔZ2)1/2L—管段兩個固定點的展開長度(m)(AB+BC+CD)U—管段兩個固定點的直線距離(m)(AD間的直線距離)(依據(jù)ASME/ANSIB31.1及B31.3)管線應力分析計算機計算(BYCOMPUTER）（350°C)簡單手算(公式法、圖表法)(BYFORMULA)目測法(BYVISUAL)非應力分析公式的適用范圍目前十四頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點A、靜力分析包含的內容

a)一次應力計算及評定—防止管道塑性變形破壞.

b)二次應力計算及評定—防止疲勞破壞。

c)設備管口受力計算(及評定)—防止作用力太大，保證設備正常運行。

d)支承點受力計算—為支吊架設計提供依據(jù)。

e)管道上法蘭受力計算—防止法蘭泄漏。

f)兩相流及液擊沖擊載荷計算—為支吊架和結構設計提供依據(jù)。(4)應力分析靜力分析(含疲勞分析、風載荷及地震載荷分析)動力分析目前十五頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點B、動力分析包含的內容

a)管道固有頻率分析—防止共振。

b)管道強迫振動響應分析—控制管道振動及應力。

c)往復式壓縮機(泵)氣(液)柱頻率分析—防止氣柱共振。

d)往復式壓縮機(泵)壓力脈動分析—控制壓力脈動值(δ值)。目前十六頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點C、動力分析要點b)機器動平衡差——修改基礎設計a)振源機器動平衡差—基礎設計不當氣流脈動—氣柱共振阻力、流速、流向變化—異徑管、彎頭、閥門、孔板等附近產(chǎn)生激振力共振—激振力頻率等于或接近管線固有頻率目前十七頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點c)減少脈動和氣柱共振的方法：1)加大緩沖罐—依據(jù)API618計算緩沖罐的體積，一般為氣缸容積的10倍以上，使緩沖罐盡量靠近進出口，但不能放在共振管長位置。2)兩臺或三臺壓縮機的匯集總管截面積至少為進口管截面積的三倍，且應使柱塞流的沖擊力不增加。3)孔板消振—在緩沖罐的出口加一塊孔板?？讖酱笮。嚎装搴穸?3～5mm

孔板位置—在較大緩沖罐的進出口均可目前十八頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點d)減少激振力——減少彎頭、三通、異徑管等管件。改90。為彎頭45。彎頭。e)改變（提高）管線的固有頻率，使其遠離激振力頻率。

(1)共振區(qū)域β—放大因子W1—固有頻率（角頻）W0—激振頻率（角頻）通常W1應避開0.8W0~1.2W0

的區(qū)域，在工程中最好避開0.5W0~1.5W0的范圍，這樣振幅較小。

目前十九頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點(2)通常W1應在W0（壓縮機的吸入或吸出頻率）的1.2倍以上，設計時最好控制在1.5倍以上。(3)激振力頻率

n=轉/分—壓縮機轉數(shù)目前二十頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點(4)控制壓力脈動

注：此為原蘇聯(lián)標準(5)臥式容器固定端及立式設備支耳標高確定—提高管道柔性，減小位移量，防止對設備管口的推力過大。⑹支管補強計算—降低局部應力—等面積補強—WRC329

P壓力脈動值δ≤5Kg/cm22～8％≤5～100Kg/cm22～6％≤100～200Kg/cm22～5％≤200～500Kg/cm22～4％支耳標高確定目前二十一頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點⑺動設備管口許用荷載校核—API610;API617;

NEMASM23;API661。

⑼往復式機泵動力分析⑽安全閥，爆破膜泄放反力計算(見標準計算程序)

ANSI/B31.1(氣體)；APIRP520(氣體、氣混)⑾結構，荷載條件：F≥1000Kgf，M≥750Kgf×Bf

Bf—梁翼緣寬度。需提條件給土建：沉降量的考慮；儲罐抗震措施。(8)夾套管a）管道計算b）端部強度計算c）內部導向翼板位置確定管端結構安全閥與爆破片目前二十二頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點⑿設備管口荷載及預焊件條件—供設備專業(yè)校核局部應力和設計用⒀編制彈簧架采購MR文件及彈簧架技術數(shù)據(jù)表

—選型、荷載、位移串聯(lián)—按最大荷載選彈簧位移按最大位移量分配并聯(lián)—選同型號彈簧、荷載平均分配荷載變化率—國標≤25％（可改變）⒁編制柔性件（膨脹節(jié)、軟管等）采購MR文件及柔性件技術數(shù)據(jù)表插圖設備管口承載能力表目前二十三頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點七、管道應力分析中的特殊問題7.1、夾套管應力分析7.2、埋地管應力分析7.3、高壓管道應力分析八、有限元法在管道應力分析中的應用九、管道應力分析程序9.1、CAESARII軟件的應用9.2、AUTOPIPE軟件的應用目前二十四頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點十、管道支架設計10.1、管道支架的分類及定義按支架的作用分為三大類：承重架、限制性支架和減振架。1）承重架

:用來承受管道的重力及其它垂直向下載荷的支架(含可調支架)。a）滑動架：在支承點的下方支撐的托架，除垂直方向支撐力及水平方向摩擦力以外，沒有其他任何阻力。b）彈簧架：包括恒力彈簧架和可變彈簧架。c）剛性吊架：在支承點的上方以懸吊的方式承受管道的重力及其他垂直向下的荷載，吊桿處于受拉狀態(tài)。d）滾動支架：采用滾筒支承，摩擦力較小。

吊架目前二十五頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點2）限制性支架：用來阻止、限制或控制管道系統(tǒng)位移的支架(含可調限位架)。a）導向架：使管道只能沿軸向移動的支架，并阻止因彎矩或扭矩引起的旋轉。b）限位架：限位架的作用是限制線位移。在所限制的軸線上，至少有一個方向被限制。c）定值限位架：在任何一個軸線上限制管道的位移至所要求的數(shù)值，稱為定值限位架。d）固定架：限制管道的全部位移。3）減振架：用來控制或減小除重力和熱膨脹作用以外的任何力(如物料沖擊、機械振動、風力及地震等外部荷載)的作用所產(chǎn)生的管道振動的支架。減振架有彈簧及油壓和機械三種類型。

目前二十六頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點序號大分類小分類

用途1承重管架(1)剛性支吊架(2)可調剛性支吊架(3)可變彈簧支吊架(4)恒力彈簧架用于無垂直位移的場合；用于無垂直位移，但安裝誤差要求嚴格的場合；用于有少量垂直位移的場合；用于垂直位移較大或要求支吊點的荷載變化率不能太大的場合；2限制性管架(5)固定架

(6)限位架(7)軸向限位架(8)導向架用于固定點處，不允許有線位移和角位移的場合；用于限制任一方向線位移的場合；用于限制管道軸向線位移的場合；用于允許有管道軸向位移，但不允許有橫向位移的場合3減振支架(9)減振器用于限制或緩和管道振動目前二十七頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點10.2、管道跨距及導向間距1）管道跨距—強度及剛度兩項控制

a)力學模型強度條件：連續(xù)敷設水平直管允許跨距強度條件是管道中最大縱向應力不得大于設計溫度下的材料的許用應力。b)管道跨距計算c)不考慮內壓最大允許跨距d)考慮內壓最大允許跨距e)大直徑薄壁管道目前二十八頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點10.2、管道跨距及導向間距2）導向間距：

a）水平管

b）垂直

垂直管道的最大導向支架間距大致可按不保溫管充水的水平管道支架間距進行圓整。目前二十九頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點DN（INCH）HMAX.SPAN（m）WATERWATER+INSUL14311/24.53.525.54.536.55.547.56.058.06.569.07.0810.08.01011.09.01212.010.01412.510.0161310.01813.511.02014.012.02415.013.0目前三十頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點10.3、確定管道支架位置的要點10.3.1承重架距離應不大于支架的最大間距。10.3.2盡量利用已有的土建結構的構件支承，及在管廊的梁柱上支承。10.3.3在垂直管段彎頭附近，或在垂直段重心以上做承重架，垂直段長時，可在下部增設導向架（當載荷大時，可采用彈簧架分載荷）。10.3.4在集中荷載大的管道組成件附近設承重架。10.3.5盡量使設備接管的受力減小。如支架靠近接管，對接管不會產(chǎn)生較大的熱脹彎矩。10.3.6考慮維修方便，使拆卸管段時最好不需做臨時支架。10.3.7支架的位置及類型應盡量減小作用力對被生根部件的不良影響目前三十一頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點10.3.8管道支吊架應設在彎管和大直徑三通式分支管附近10.3.9對于需要作詳細應力計算的管道，應根據(jù)應力計算結果設計管架10.3.10在敏感的設備(泵、壓縮機)附近，應設置彈簧支架，以防止設備口承受過大的管道荷載10.3.11往復式壓縮機的吸入或排出管道以及其它有強烈振動的管道，宜單獨設置有獨立基礎的支架，(支架生根于地面的管墩或管架上)，以避免將振動傳遞到建筑物上10.3.12除振動管道外，應盡可能利用建筑物、構筑物的梁柱作為支架的生根點，且應考慮生根點所能承受的荷載，生根點的構造應能滿足生根件的要求10.3.13管道支吊架應設在不妨礙管道與設備的連接和檢修的部位目前三十二頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點10.4、管道布置過程中對支架位置的考慮10.4.1管道走向首先要滿足安全生產(chǎn)、工藝要求，操作方便，安裝維修方便；10.4.2管道盡量集中布置，如成排布置，便于做聯(lián)合支架，盡量減少分散獨立設置的柱式架。同時達到整齊美觀。10.4.3管道布置應靠近可能作支架的點，如靠近為其它目的的做的構筑物，沿建筑物的墻、柱?；蜓仄脚_下敷設，以便利用梁和柱來支承。10.4.4管道成組布置時，各管道的被支承面應取齊，即水平管管托底面和不保溫管的管底應取齊，豎直管管托底面和不保溫管的管底應側齊,以便設計支架。10.4.5采用彈簧支座或吊架時，管道與生根構件之間應有足夠的空間。目前三十三頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點10.5、管道支吊架選用的原則：10.5.1在選用管道支吊架時，應按照支承點所承受的荷載大小和方向、管道的位移情況、工作溫度、是否保溫或保冷、管道的材質等條件選用適合的支吊架；對于冷管,在管架設計時,應該有防止冷橋產(chǎn)生的措施;10.5.2設計管道支吊架時，應盡可能選用標準管卡、管托和管吊；10.5.3下列情況，不得采用焊接型的管托和管吊：a）管內介質溫度等于或大于400的碳素鋼材質的管道；b）低溫管道；c）合金鋼材質的管道；d）生產(chǎn)中需要經(jīng)常拆卸檢修的管道；目前三十四頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點e）架空敷設且不易施工焊接的管道；f）非金屬襯里管道；g）需熱處理的管道（消除應力）10.5.4為防止管道過大的橫向位移和可能承受的沖擊荷載，一般在下列位置設置導向管托，以保證管道只沿著軸向位移：a）可能產(chǎn)生振動的兩相流管道；b）橫向位移過大可能影響鄰近管道時；固定支架之間的距離過長，可能產(chǎn)生橫向不穩(wěn)定時；（柱失穩(wěn)）c）為防止法蘭和活接頭泄漏要求管道不宜有過大的橫向位移時；目前三十五頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點10.5.5當架空敷設的管道熱脹量超過100mm時，應選用加長管托，以免管托滑到管架梁下；10.5.6凡支架生根在設備上時，應向設備專業(yè)提出所用預焊件的條件；10.5.7對于荷載較大的支架位置要事先與有關專業(yè)設計人聯(lián)系，并提出支架位置、標高和載荷情況；10.5.8凡需要限制管道位移量時，應考慮設置限位架。10.5.9安全閥出口管線的支架要高度重視，應足以抵抗泄放時沖擊荷載的作用10.6、管道固定點的設置應滿足下列要求：10.6.1對于復雜管道可用固定點將其劃分成幾個形狀較為簡單的管段，如L形管段、U形管段、Z形管段等以便進行分析計算；目前三十六頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點10.6.2確定管道固定點位置時，使其有利于兩固定點間管段的自然補償；10.6.3選用π形補償器時，宜將其設置在兩固定點的中部；10.6.4固定點宜靠近需要限制分支管位移的地方；10.6.5固定點應設置在需要承受管道振動、沖擊荷載或需要限制管道多方向位移的地方；10.6.6作用于管道中固定點的荷載，應考慮其兩側各滑動支架的摩擦反力；10.6.7進出裝置的工藝管道和非常溫的公用工程管道，宜在裝置分界處設固定點。

π形補償器目前三十七頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點10.7、管道支架生根的結構型式10.7.1在設備（VESSEL）上生根：在設計從設備上生根的支架時，要求在設備上預焊生根件。如果現(xiàn)場安裝支架在設備壁上直接焊接，許多設備需要重新檢驗，且拖延施工進度。焊后殘余應力會影響設備的防腐能力和機械性能。對于非金屬襯里的設備，現(xiàn)場焊接會損壞內襯如橡膠、塑料、玻璃等。對容器類設備的管口、設備上的生根件(包括管道支架預焊件、平臺預焊件及保溫(冷)的預焊件等)都確定下來，把條件及資料送交設備制造廠，這對于提前制造設備是十分有利的。越是復雜的及制造周期長的設備，越需提前提出條件。目前三十八頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點在設計中，應將生根件(預焊件)的位置、荷載(力及力矩)、預焊件的尺寸或標準等提供給設備設計者，以滿足支架設計的要求。10.7.2在混凝土（CONCRETE）結構上生根通常采用的方法有：預埋鋼板或型鋼或套管、在混凝土結構上鉆孔后用膨脹螺栓固定等。10.7.3在墻上（WALL）生根墻上預留孔、砌預制塊(帶有預埋鋼板)，以及采用膨脹螺栓固定等。10.7.4在地面/基礎（FOUNDATION）上生根10.7.5在鋼結構/大管上（STEEL）生根目前三十九頁\總數(shù)四十八頁\編于十八點10.8、管架設計注意事項：(1)和配管焊接時，注意材料一致性及可焊性(2)注意焊縫位置(3)管架基礎注意躲地溝及設備基礎(4)注意生根部位的強度和剛度(5)盡量不把力矩傳給結構及設備(6)要有力學概念(7)支架的可行性(8)管架