管道应力分析设计规定——寰球标准.doc

质 量 管 理 体 系 文 件 HQB-B06-05.306PP-2003设计规定管道应力分析设计规定版 号：0 受控号：2003年 月 日发布 2003年 月 日实施 管道应力分析设计规定HQB-B06-05.306PP-2003版 号编 制校 核审 核批 准批准日期0主编部室：管道室 参编部室：参编人员： 参校人员：会签部室签 署会签部室签 署会签部室签 署 说明： 1文件版号为A、B、C.。 2每版号中局部修改版次为1/A、2/A，1/B、2/B，1/C、2/C。 本规定（HQB-B06-05.306PP-2003）自2003年 月实施。目 录1.总则12. 应力分析管线的分类及应力分析方法23. 管道应力分析设计输入和设计输出64. 管道应力分析条件的确定95. 管道应力分析评定准则11附件1 管线应力分析分类表14附件2 设备管口承载能力表15附件3 柔性系数和应力增强系数16附件4 API 610一般炼厂用离心泵(摘录) 17附件5 NEMA SM23 (摘录) 22附件6 API 661 一般厂用空冷器(摘录) 23HQB-B06-05.306PP-2003 第7页 共 24 页1. 总则1.1 适用范围1.1.1 本规定适用于石油化工生产装置及辅助设施中的碳钢、合金钢及不锈钢管道的应力分析设计工作。本规定所列内容为管道应力分析设计工作的最低要求。1.1.2 管道应力分析设计应保证管道在设计和工作条件下，具有足够的强度和合适的刚度，防止管道因热胀冷缩、支承或端点的附加位移及其它的荷载（如 压力、自重、风、地震、雪等）造成下列问题：1) 管道的应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏。2) 管道连接处泄漏。3) 管道作用在与其相联的设备上的载荷过大，或在设备上产生大的变形或应力，而影响了设备的正常运行。4) 管架因强度或刚度不够而造成管架破坏。5) 管道的位移量过大而引起的管道自身或其它管道的非正常运行或破坏。6) 机械振动、声频振动、流体锤、压力脉动、安全阀泄放等动荷载造成的管道振动及破坏。1.2 应力分析设计工作相关的标准、规范：1) GB150-1999 钢制压力容器2) GB50316-2000 工业金属管道设计规范3) HG/T20645-1998 化工装置管道机械设计规定4) JB/T8130.295 可变弹簧支吊架5) JB/T8130.195 恒力弹簧支吊架6) HQB-B06-05.203PP-2003简化柔性计算的规定7) ASME/ANSI B31.3 Process Piping8) ASME/ANSI B31.1 Power Piping9) ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution pipingsystems10) ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systems11) API 610 Centrifugal Pumps for General Refinery Services12) API 617 Liquid Transportation System for Hydrocarbone, Liquid ,Petroleum Gve, Anhydrone Ammonis , and Alcohols 13) NEMA SM-23 Steam Turbine14) API 661 Air-Cooled Heat Exchangers for General Refinery Service 15) HQB-B06-05.105PP-2003 管道配管设计规定16) HQB-B06-04.301PP- 管架设计工程规定17) SHJ.41-91 石油化工企业管道柔性设计规范18) GB 50316-2000 工业金属管道设计规范2. 应力分析管线的分类及应力分析方法2.1 应力分析管线的分类 原则上，所有的管线均应做应力分析，并根据管线的类别（温度、压力、口径、壁厚、所连接的设备的荷载要求等）确定应力分析的方法和详细程度。如果项目中没有具体规定，可按以下方法对应力分析管线进行分类。2.1.1 类管线（见附录1） 此类管线采用目测检验或简化分析方法。2.1.2 类管线（见附录1）此类管线要求进行分析，并可采用公认的简化计算方法（或图表）进行分析计算。（详见附录1） 此种分析计算应有分析计算报告，分析报告适用于：1) 高压管线2) 锅炉水管线3) 工艺管线4) 天然气及液化天然气管线2.1.3 类管线（见附录1） 此类管线应严格进行计算机辅助计算分析，下列管线均属于此类管线范畴：2.1.3.1 与具有对载荷敏感的转动机械相连的管线，它包括以下几类：1) 与泵相连的管线,由于泵口载荷校核依据操作工况下的载荷进 行，故当管线操作条件为以下条件时，应做详细应力分析。a) 温度150C （或-140C）， 公称直径大于或等于 DN100(4”)的管线；b) 温度120C （或-90C）， 公称直径大于或等于DN300(12”) 的管线；c) 温度150C（或-140C），且管线公称直径大于管口公称直径的管线。2) 与往复式、离心式压缩机、透平相连接的管线，由于设备管口载荷校核依据操作工况下的载荷进行，故当管线操作温度高于120C，公称直径大于或等于DN80(3”)的管线，应做详细应力分析。3) 与空冷器相连的管线，当其管径大于或等于DN150(6”)或设计温度大于或等于120C时，应做详细应力分析。2.1.3.2 与对应力敏感的设备相连的管道，应进行应力分析。它包含以下几 类：1) 与按照ASME第卷第二章部分设计的设备相连的管道；2) 与加热器相连的管道；3) 与铝制设备相连的管道；4) 进出加热炉及蒸汽发生器的工艺管道，以及再生及除焦管道；5) 进出汽轮机的蒸汽管道；6) 与衬里设备相连的管道。2.1.3.3 夹套管道。2.1.3.4 附录1中所有的类管道。2.1.3.5 其它的用图表法或公式法分析后，属于应力、柔性不能满足要求 的管道。 2.1.4 类管线（见附件1） 应力分析工程师对此类管线应特别注意，应采用特别的应力分析方法,因为在得到设备和结构的布置之前去做这些管线的分析是没用的。这类管线有下列几类：1) 管线的设计温度和压力高于ASME/ANSI B16.5中的定义的2500磅等级；2) 在下列温度值下长期工作的管道 国内材料国外材料碳钢380C375C合金钢450C482C不锈钢520C538C3) 大直径管线（DN1200即48”及以上）；4) 薄壁管线（t/D0.02 t:壁厚 D：管径）；5) 管线的设计循环次数高于22000次；6) 根据应力分析工程师的意见，上述第类管线中要求做其它附加的应力分析的管线。2.2 应力分析的方法 通常在设计中根据以下条件确定应力分析方法：1) 介质的危险性（有毒、易燃、易爆等）；2) 管线操作工况（温度、压力、脉动、工作循环强度等）；3) 地震烈度；4) 工厂类型（化工、石油、电力、核工业等）。2.2.1 目测方法 根据以往的经验或与已分析过的管线的比较相类似，则采用目测的方 法已经足够，不需要进行更详细的应力分析。此时，需目测者具有相当 的工程经验。2.2.2 简单分析（图表法、公式法） 简单分析将确保管线有足够的柔性，以吸收位移（热膨胀）。尽管简单分析不能提供准确的载荷和应力，但这种分析简单而快速，甚至可以由非专职应力分析工程师来完成。 下面给出两种简单分析方法：2.2.2.1 第一种方法是采用公司标准简化柔性计算的规定（HQB-B06-05.203PP-2002）的快速管道应力分析方法。 它基于一种简单的（可靠的）计算方法，更多的是考虑管线的位移在允许的范围内即管线有足够的柔性，能够吸收管线由于受热荷载等产生的位移。需要注意的是，此种方法不适合于下列管线：1) DN600 （24”）；2) 设计温度超出-20C350C范围；3) 薄壁管（t/D0.02 t:壁厚 D：管径）；4) 需准确知道约束（端点）反力的管线；5) 夹套管；6) 非金属管 。2.2.2.2 第二种简单计算方法依据ASME/ANSI B31.3标准，它包含一个标准的计算过程；它要求管线具有同一直径，两端固定，无中间约束。 式中：D管子外径，mm Y管子吸收的总位移， mm L两固定点间管子总长度，m U两固定点间的直线距离，m 需注意的是，此种分析方法不适用于下列管线1) 管线的约束多于两个；2) 需准确知道约束反力的管线；3) 夹套管；4) 管线的工作循环次数大于7000次；5) 两固定点间的管径或壁厚有改变；6) 非金属管道；7) 大直径薄壁管（t/D0.02）；8) 端点附加位移量占总位移量大部分管道；9) L/U2.5的不等腿U型管道或近似直线的锯齿状管道。2.2.3 计算机辅助应力分析 使用专门的管道应力分析软件（CAESAR）对管道进行详细的应力计算和结果分析。计算并分析评定管道各分支点的应力、约束点和端点（设备管口）的力和力矩等。 管道应力分析分为静力分析和动力分析。对一般管道，通常只做静力分析即可。但对一些特殊工况的管线则应做动力分析（如往复泵、往复式压缩机的进出口管线）。2.2.3.1 静力分析包括：1) 管道在持续外载（压力、自重、集中力等）作用下的一次应力计算及评定；2) 管道在温度荷载及端点附加位移载荷作用下的二次应力计算及评定； 3) 管道对设备管口的作用力计算；4) 管道支吊架的受力计算；5) 管道上的法兰和分支点受力计算。2.2.3.2 动力分析包括：1) 管道固有频率分析；2) 管道强迫振动响应分析；3) 往复式压缩机（泵）气柱频率分析；4) 往复式压缩机（泵）压力脉动分析。3.管道应力分析设计输入和设计输出3.1 设计输入 管道应力分析设计输入包括以下条件：1) 工艺流程图（PID）2) 工艺管线表3) 设备数据表4) 结构图5) 建筑图6) 总图7) 机泵条件8) 设备总装配图9) 设备布置图10) 配管图（平、立面）11) 管道轴测图（如果需要）12) 管道等级规定3.2 设计输出1) 应力分析工程规定2) 临界管线表3) 应力分析报告（包括首页、计算内容页、应力分析轴测图、输入数据、各工况下的位移、应力、约束反力、弹簧架表、有许用载荷要求的动设备管口校核报告等）4) 设备管口荷载条件5) 设备预焊件条件6) 结构荷载条件7) 柔性件数据表8) 弹簧架数据表典型的管道应力分析输出报告见附件33.2 应力分析报告标准格式应力分析报告的标准格式参见标准管机专业入库文件标准格式及规定(XXX-XX)。3.3 计算机辅助应力分析工作程序图3.3.1 管道计算机辅助应力分析工作程序如下图所示。HQB-B06-05.306PP-2003 第25页 共 24 页接收有关条件按需分析的管道重要性排计划目测法图表、公式法判断分批计算的计划交配管人员不可提出不合理配管的部位返回配管人员协商解决编节点号准备有关数据确认被计算条件调整管架或与配管人员专业人员协商修改走向分析结果上机NO合 格？分析位移荷载找出原因交管架人员打印结果交配管人员YES设备管口荷载条件交设备室结束3.4 管道应力分析适用的软件美国COADE公司的CAESAR。3.5 管道应力分析的校审依据压力管道设计文件校审与签暑制度 及校审细则的规定执行。4. 管道应力分析条件的确定4.1 计算压力4.1.1 管道计算压力应根据工艺管线表中设计压力确定。4.1.2 管道计算压力应不低于正常操作中预计的最高压力或在最苛刻温度下同时发生的内压或外压，取其最危险工况。对工艺有特殊要求的工况（指温度与压力的耦合）也应予以考虑。4.2 计算温度4.2.1 管道计算温度应根据工艺管线表中的设计温度确定。4.2.2 管道计算温度应不低于正常操作中预计的最高温度或在其它工况下的最苛刻温度，取其最高值，或二者均应考虑计算。对工艺有特殊要求的工况（指温度与压力的耦合）也应予以考虑。4.2.3 蒸汽伴热管道、蒸汽夹套管道和需蒸汽吹扫的管道，取介质设计温度和蒸汽温度的高者为计算温度。4.2.4 带内衬里的管道应利用计算值或经验数据并根据工艺管线表确定计算温度。4.2.5 安全阀排泄管道，应取排放时可能出现的最高或最低温度作为计算温度，同时，还应考虑正常操作时，排出管线处于常温下的工况。4.2.6 进行管道应力分析时，不仅要考虑正常操作条件下的温度，还要考虑短时超温工况（如开车、停车、除焦、再生等）。4.2.7 当管道的操作工况复杂，难以确定计算工况时，可选几种工况进行分析比较。4.3 管道安装温度4.3.1 管道应力分析的安装温度，应依据建设项目所在地的气象环境和安装时间及业主的特殊要求来确定。4.3.2 如无特殊规定，则管道安装温度取21C。4.4 摩擦系数的确定4.4.1 除非另有规定，在进行管道应力分析时，摩擦系数按下表确定。钢对钢0.3不锈刚对聚四氟乙烯0.1聚四氟乙烯对聚四氟乙烯0.08钢对混凝土0.64.5 腐蚀裕量 腐蚀裕量依据管道等级规定确定。通常，碳钢及合金钢的腐蚀裕量一般为1.01.5mm，不锈钢一般不考虑腐蚀裕量。4.6 附加载荷 除上述4.1，4.2所定义的温度、压力载荷外，尚应考虑以下载荷：4.6.1 地震载荷取0.08g作为地震时的水平加速度，此时应作为偶然载荷工况来计算，同时将相应的许用应力提高1/3。4.6.2 风载荷 按基本风压值乘以管线的迎风面积再乘以管线的形状系数为作用力，即 式中：为力 （单位N） 为基本风压 （单位N/） A为迎风面积 （单位） 形状系数，对管子为0.6 此时，计算的工况为偶然载荷工况，同时将相应的许用应力提高1/3。4.6.3 安全阀泄放载荷依据ASME/ANSI B31.1和API RP520标准来计算泄放载荷。把此载荷作为静荷载加入到被计算的管系中。（需考虑此载荷引起的系统振动时，则应做动力分析），此时计算的工况为偶然载荷工况， 同时将许用应力提高1/3。4.6.4 有效冷紧 通常不建议采用冷紧，特别是与转动设备相连的管线，不允许使用冷紧的方法。 有效冷紧是指冷紧量的有效值，通常取冷紧量的2/3。 在应力分析中，对于在非蠕变温度下工作的管线，其冷紧量（如果需要），取全补偿量的50%。 对于在蠕变温度下工作的管线，即 碳钢： 370C (375C) 合金钢：450C (482C) 不锈钢：520C (538C) 其冷紧量（如果需要），取全补偿量的70%。(注：括号内的温度 是针对国外材料。)5. 管道应力分析评定准则5.1 应力评定 所有被分析的管系的应力评定准则依据ASME/ANSI B31.3（工艺管道），ASME/ANSI B31.1(动力管道)，ASME/ANSI B31.4和ASME/ANSI B31.8（长输管道），以及GB50316-2000等标准执行。5.1.1 许用应力 许用应力的取值依据设计所采用的规范的不同，而分别依据ASME B31.1, ASME B31.3, ASME B31.4, ASME B31.8和GB50316-2000。5.1.2 柔性系数和应力增强系数 管件的柔性系数和应力增强系数的计算方法见附件4，对于不同于附件4中的管件，应参照GB50316-2000规范采用相应的方法计算。5.2 位移评定 各种载荷在管系中各点产生位移应控制在“GB50316-2000”规范允许的范围内，且应满足工艺、安装、操作等诸方面要求。5.3 设备管口载荷评定5.3.1 泵 与泵相连的管线，除其应力需满足相关规范的要求外，泵口所承受的载荷应满足制造商和API610(针对离心泵)标准的要求，且对于往复泵应做动力分析。API 610一般炼厂用离心泵管口许用载荷见附件4。5.3.2 压缩机 与压缩机相连的管线，除其应力需满足相关规范的要求外，压缩机管口所承受的载荷应满足制造商和API617（针对离心式压缩机）标准的要求，且对于往复式压缩机应做动力分析。对于离心式压缩机，其管口处承受的载荷应不大于NEMA SM23规范中规定值的1.85倍，或依据API617第2.4.2节进行计算，计算的限定值由供货商提供。5.3.3 蒸汽透平和汽轮机 与蒸汽透平或汽轮机相连的管线，除其应力需满足相关规范的要求外，透平和汽轮机管口所承受的载荷应满足制造商和NEMA SM23标准的要求。NEMASM23标准的管口许用载荷见附件5。5.3.4 空冷器 与空冷器相连的管线，除其应力需满足相关规范的要求外，空冷器管口所承受的载荷应满足制造商和API661标准的要求，API661的管口许用载荷见附件6。5.3.5 容器 作用于容器管口的载荷，通常应低于附件2中的值。当超出时，且在管道自身无法解决的情况下，应向设备专业提出管口载荷条件，供设备专业校核计算。5.3.6 其它设备 作用于其它设备管口的载荷，依据设备制造厂或相关标准规范评定。5.4 补偿器的评定 在管线中安装补偿器（金属波纹式，填函式）时，管线的应力应满足相应规范的要求，同时，应考虑变形及内压推力对结构的作用，而且，波纹补偿器的各向变形应满足以下要求：或 其中：-膨胀节的实际轴向位移。(单位：mm) -膨胀节的实际弯曲角度。(单位:度) -膨胀节的际横向位移。 (单位:mm) -膨胀节的许用轴向位移。 (单位:mm) -膨胀节的许用弯曲角度。 (单位:度) -膨胀节的许用轴向位移。 (单位:mm) -膨胀节的有效直径。(单位:mm) -膨胀节的柔性长度。(单位:mm)5.5 弹簧支吊架（恒力，可变弹簧） 对于装有弹簧支吊架的管系，其应力评定应满足相应规范的要求，且通常要求可变弹簧的荷载变化率不得大于25%，弹簧的刚度偏差不得大于5%。对于敏感设备（如转动设备），管口附近的弹簧支吊架的荷载变化率不得大于10%。 对于在蠕变温度下长期工作的管线，即 碳钢： 370C (375C) 合金钢：450C (482C) 不锈钢：520C (538C) 弹簧支吊架荷载变化率不得大于5%。 （注：括号内的数字为国外材料。）附件1 管线应力分析类表 类管线 类管线 类管线注：超出了此图范围的管线为第类管线。附件2 设备管口承载能力表（仅供参考）DN(N)P(N)TL(N)TC(N)ML(NM)MC(NM)MT(NM)3”1500150015006006006004”2100210021001100110011006”4600460046003400340034008”60006000600057005700570010”76007600760069006900690012”92009200920080008000800014”10800108001080092009200920016”14600146001460011300113001130018”18500185001850013500135001350020”22300223002230015600156001560024”300003000030000200002000020000注： 1.该表依据设备半径R=1000mm,壁厚t=10mm得出。 若不同，则加修正系数 4 若为压力容器，则取表列值的75。附件3柔性系数K和应力增强系数附件3 柔性系数和应力增强系数类 型柔度系数K应力增强系数柔度特性h简 图焊接弯头或弯管小间距斜接弯管 单节斜接弯管 焊接三通接ANSI B16.9(支管外径)/带补强的焊接三通/不带补强的焊接三通/挤压成型焊接三通/嵌入焊接支管座(支管外径)/焊接支管座(整体加强)/注：-管件公称壁厚，mm -支管外径 -弯管弯曲半径，mm -三通叉口厚度 -接管平均半径，mm -斜接弯管相轴线间夹角之半 -垫板或鞍坂厚度，mm -斜接弯管在中心线上的间距 -引出口外轮廓部分的曲率半径，mm附件4 API 610一般炼厂用离心泵 (摘 录)一、 对于单级、中心线安装、两点支承，材料为碳钢和合金钢的离心泵，当进口和出口接管同时受载时，允许承受附表1中所规定的合力及合力距。附表5-1 接管允许载荷合力/合力矩接管法兰公称直径 DN(毫米)300毫米时，接管允许载荷应由买卖双方协商确定。二、当泵接管不同时承受最大允许合力及合力矩时，可按下列规定确定允许载荷值。 (Fa/Fr)+(Ma/Mr) 2 Fa/Fr 2及Ma/Mr K 对于DN 200 K =(D+150)/D式中： Ma-合成力矩 N-M Mr-许用合成力矩 N-M Fa-合力 N Fr-许用合力 N D -公称直径 MM泵的受力座标按图1规定附图5-1x_水平平行于泵轴y_垂直于泵轴z_水平垂直于泵轴i_进口(分力、合力)o_出口(分力、合力)a_施加的分力二、 离心泵接管载荷除满足上述合力及合力矩要求外，作用在每个接管上的分力和分力矩(沿x、y、或z轴)均不得大于附表5-2中给定值的两倍。 即 式中 等为附表5-2中所列的允许值。附表 5-2离心泵接管载荷力或力矩接管法兰公称直径尺寸5080100150200250300350400每个顶部接管FxFy(压缩)Fy(拉伸)Fz716(73)892(91)441(45)579(59)1069(109)1334(136)667(68)892(91)1422(145)1775(181)891(91)1157(118)2491(254)3118(318)1559(159)2049(209)3785(386)4893(499)2353(240)3118(318)5334(544)6668(680)3334(340)4452(454)6668(680)8012(817)4089(417)5334(544)7119(726)8894(907)4452(454)5786(590)8453(862)10228(1043)5334(544)6668(680)每个侧面接管FxFyFz716(73)579(59)892(91)1069(109)892(91)1334(136)1422(145)1157(118)1775(181)2491(254)2049(209)3118(318)3785(386)3118(318)4893(499)5334(544)4452(454)6668(680)6668(680)5334(544)8012(817)7119(726)5786(590)8894(907)8453(862)6668(680)10228(1043)每个端面接管FxFyFz892(91)579(59)716(73)1334(136)892(91)1069(109)1775(181)1157(118)1422(145)3118(318)2049(209)2491(254)4893(499)3118(318)3785(386)6668(680)4452(454)5334(544)8012(817)5334(544)6668(680)8894(907)5786(590)7119(726)10228(1043)6668(680)8453(862)每个管口MxMyMz461(47)353(36)235(24)951(97)716(73)471(48)1334(136)1000(102)677(69)2304(235)1765(180)1177(120)3530(360)2579(263)1765(180)5021(512)3795(387)2442(249)6099(622)4609(470)2981(304)6374(650)4746(484)3118(318)7325(747)5423(553)3658(373)注： (1)括号中数据单位，Fx、Fy、Fz为Kgf；Mx、My、Mz为KGF-M。(2)对于用汽轮机驱动的立式泵和管道泵，采用侧面管口值；对于用电动机驱动的立式泵和管道泵采用侧面管口值的2倍。(3)在计算任意一点的总力矩形时，应将力F乘上各自的力臂、再加上力矩M。(4)DN 300毫米时，允许的接管载荷应由买卖双方确定。附件5 NEMA SM23(摘录)SM23-8.06用于机械驱动的汽轮机上的允许力和力矩。由蒸汽进口、抽气口和排气口作用在机械驱动用汔轮机上的力和力矩应符合下列规定：一、任何接管作用在汽轮机上总的合力和合力矩根据附图6-1不得超过下式规定的值。(注)式中：-合力(N),包括除垂直排气口外采用自由膨胀接头处由内压所产生的力。-合成矩，N-M-接管公称尺寸(cm),当直径大于200毫米者，按下式确定；二、进气口、抽气口和排气口移到排气口中心线上的合力和合力矩应满足下列两个条件：1、这些合力和合成矩不得超过：式中：-进气口、抽气口和排气口的合力，N；-进气口、抽气口和排气口的合力矩和各个力产生的力矩，N-M-圆形开孔的直径，等于进气口、抽气口和排气口开孔总面积的直径(cm)，当超过22.5厘米时采用。2、合力和合力矩的分量不得超过： 各分量为：-对透平轴的水平分力，N；-的垂直分力，N；-与透平轴垂的水平分力，N；-在垂面内与透平轴垂直的分力矩，N-M；-在水平面内的分力