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压力管道 应力分析 李栋 一、基本概念 力： 大小、方向和作用点。 应力 ： 内力的集度称为应力，即作用在物体内 部单位面积上的力 弹性变形、塑性变形及虎克定律： 变形固体力学的基本假设： 材料均质性假设 连续性假设 完全弹性假设 各项同性假设 小变形假设 二、 管系的应力分析 1、管道应力分析的目的： 使管道的应力在规范允许的范围内； 使设备管口载荷符合制造商的要求或公 认的标准； 计算出作用在管道支吊架上的载荷； 解决管道动力学问题； 帮助配管优化设计； 2、管道上常见的载荷: 压力载荷； 重力载荷； 位移载荷； 风载荷； 地震载荷； 瞬变流冲击载荷； 机器振动载荷； 压力脉动载荷； 两相流脉动载荷； 除了上述介绍的载荷之外，管道中还常常 存在焊接残余应力、加工残余应力、铸造 残余应力、装配残余应力等 重力载荷和支架反力等合起来常称之为持 续外载荷。 风载荷、地震载荷、瞬变流冲击载荷等属 于临时载荷。 两相流脉动载荷、压力脉动载荷、机械振 动等属于动载荷。 3、管道应力分析的内容:： 管道应力分析分为静力分析和动力分析 静力分析的主要内容及分析的目的： 在压力载荷和持续载荷作用下的一次应力 计算防止因为塑性变形而引起的破坏 ； 管道因热胀冷缩、端点附加位移等位移载 荷作用下的二次应力计算防止因金属 产生疲劳而引起的破坏； 管道对设备作用力的计算防止因对设 备作用力过大引起设备的破坏； 管道支吊架的受力计算为支吊架的设 计提供依据； 管道上法兰的受力计算防止法兰泄漏 ； 管系位移计算防止管道碰撞和支吊架 位移过大； 动力分析的主要内容及分析的目的： 管道自振频率分析防止管道产生共振 ； 管道强迫振动响应分析控制管道振动 及应力； 往复式压缩机气柱频率分析防止气柱 共振； 往复式压缩机压力脉动分析控制压力 脉动值； 4、管道上的应力及应力分类： 管道在压力载荷、机械载荷及热负荷等的 作用下，在整个管路或局部某些区域产生 不同性质的应力。对于不同性质的应力应 当区别对待，根据它对管道破坏所起作用 的不同，给予不同的限定。 当管道元件的形状或截面积发生突变时， 该局部区域的应力将急剧增加，且随着远 离这个区域，其应力水平迅速降低并在某 一尺寸处趋于正常，通常将这一现象称为 应力集中。 一次应力是由于压力、重力与其他外载荷 的作用下在管道内产生的应力，它必须满 足力与力矩的平衡法则。 一次应力的基本特征式非自限性的，它始 终随所加载荷的增加而增加，当超过屈服 极限时将使管道产生过度的变形从而引起 破坏。 二次应力是管道由于变形约束而产生的 正应力和剪应力，它本身不直接与外力 相平衡。二次应力的特点是有自限性， 当局部范围内的材料产生屈服或小量变 形时，相邻部分之间的约束便得到缓和 ，使变形趋向协调不再继续发展，而应 力自动地限制在一定得范围内。 管道的安定性分析: （1） 一次应力的评定 对于一次应力的评定应采用弹性理论进 行，即限定一次应力不超过材料的屈服 极限。引入安全系数，工程上一般限定 管道的一次应力不得超过设计温度下管 道材料的许用应力。即1t 安全系数与许多因素有关，一般而言，影 响安全系数的因素大致有： 材料性能的稳定性及可能存在的偏差； 估算载荷状态及数值的偏差； 计算方法的精确程度； 制造工艺及其允许偏差； 检验手段及其要求严格程度； 使用操作经验； 此外，还有一些尚未被人们认识的因素。 （2） 二次应力的评定化学性能： 安定性时指结构在载荷（包括热负荷）反 复变化的过程中，不发生塑性变形的连续 循环；反之，如果一个结构在反复加载和 卸载时（例如随着管道的启、停而产生多 次的冷热交变），不断出现新的塑性变形 ，即该结构的变形趋于不稳定，则认为它 是不安定的。 f（1.25（L+0.25h） 上式即为管道中二次应力强度条件判定 式，它已被众多的压力管道设计规范如 ANSI B31.3、SHJ41所引用。 压力管道的强度计算: 基本概念： 设计压力 设计温度 材料的许用应力 厚度附加量 焊缝系数 设计寿命 计算厚度 设计厚度 名义厚度 有效厚度 管道元件变形的几种基本形式: 拉伸和压缩 剪切 对于塑性材料：=(0.60.8) 对于脆性材料：=(0.61.0) 扭转 =(0.50.6) 弯曲 manf f为工程上规定的许用绕度值 。 承受内压管子的强度计算 1、管子壁厚计算 承受内压管子理论壁厚公式，按管子外径确 定时为： 2、弯管壁厚计算 弯管外侧壁的实际环向应力仍比直管大，内侧 壁的环向应力则比直管小。且应力值与弯管的 弯曲半径R有关。 弯制弯管时，弯管处横截面变得不圆，它对应 力有影响，可用最大外径与最小外径之差Tu表 示。 我国的GB50235-97工业金属管道工程 施工及验收规范对弯制弯管规定为： 对输送剧毒流体的钢管或设计压力 P10MPa的钢管Tu不超过5%，输送剧 毒流体以外的钢管或设计压力P小于 10MPa的钢管Tu不超过8%。 3、焊制三通壁厚计算 上式适用于Dw660mm，支管内径与主管 内径之比dn/Dn0.5，主管外径与内径之 比=DWDN的取值范围在1.051.5 的焊制三通。焊制三通所用管子为无缝 钢管（否则应考虑焊缝系数）。 4、管道开孔补强计算: 等面积法的优点是有长期的实践经验，对 小直径开孔安全可靠，并适用于并联开 孔及不规则结构。存在的主要问题是分 析过于简化，未计入容器直径的影响， 所以在某些场合下其结果可能偏于保守 ，而从疲劳强度看其补强金属的配置又 可能不足。 管道开孔补强有两种方法： 补强圈补强以全熔透焊缝将内部或 外部补强圈与支管、主管相焊 整体补强增加主管厚度，或以全熔 透焊缝将厚壁支管或整体补强锻件与主 管相焊 采用补强圈补强时应遵守下列规定： 采用的钢材标准抗拉强度b540 MPa 主管管壁的名义厚度小于38 毫米 补强圈的厚度不应大于主管厚度的1.5 倍 补强圈一般应与主管材料一致，如补强 材料的强度低于主管管材强度时，应加 大补强金属的面积，加大系数为管材的 屈服强度与补强材料的屈服强度的比值 。当补强材料的强度高于主管材料强度 时，不得减少补强金属的面积。 管道允许跨度的计算： 确定水平直管的允许跨距是所考虑的载荷 ： 重力载荷（包括管道重量、介质重量 和保温层重量） 内压力 GB50316对允许跨距的规定： 水平管道支吊架最大间距应满足强度和刚 度条件。 对于不允许积液并带有坡度的管道，支吊 架间距除满足上一条的规定外，它与挠度 及坡度之间的关系还应符合下式的要求： 对有应力脉动的管道，决定支架间距时， 应核算管道固有频率，防止管道产生共振 。 连续敷设的水平直管允许跨距的确定 一般连续敷设的管道允许跨距L应按三跨连续梁承受 均布载荷时的刚度条件计算 （1）刚度条件 （装置内） （装置外） 装置内：管道固有频率不低于4Hz； 装置外：管道固有频率不低于2.55Hz。 （2）强度条件 （不考虑内压） （考虑内压） 取L1和L2两者之间的小值。 为了便于快速直接得到管道的允许跨距一 些书、手册列出了根据上述方法计算得到 的连续敷设管道的允许跨距。如石油化 工装置工艺管道安装设计手册。 一些特定布置情况下的管道允许跨距： SH3073石油化工企业管道支吊架设计 规范则要求管道的弯管部分两支架间管 道的展开长度不得大于水平直管基本跨距 的0.60.7倍。 管道最大导向间距的确定 垂直管道最大导向间距： 见SH3073石油化工企业管道支吊架设 计规范 水平管道最大导向间距的确定 见SH3073石油化工企业管道支吊架设 计规范 压力管道的柔性分析 管道柔性是反映管道变形难易程度的一 个物理概念，表示管道通过自身变形来 吸收因热胀冷缩及其他位移变形的能力 。 1、应力集中：当管道几何形状发生突变时 ，在外力的作业下管道中的局部应力急 剧增大的现象 2、应力集中系数：以同一弯矩值作用在管 件和直管后所产生的最大应力值之比； 3、应力增大系数：在疲劳破坏循环次数相 同的情况下，作用于直管的弯曲应力与作 用于管件的名义弯曲应力之比 4、柔性系数：将同一弯矩作用于管件和直 管后，管件的位移与直管的位移之比。考 虑柔性系数的目的是在计算中对管件柔性 增大的现象做出更加合理的模拟。 1、管道柔性设计的目的： 管道柔性设计的目的是保证管道在设计条 件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷 缩、端点附加位移、管道支撑设置不当等 原因造成下列问题： 管道应力过大引起的金属疲劳或因管道推 力过大造成支架破坏； 管道连接出产生泄漏； 管道推力或力矩过大，使与其相连接的设 备产生过大的应力或变形，影响设备正常 运行； 2、影响管道柔性的因素： 规格及尺寸的影响 管系的空间几何形状的影响 管系端部相关设施刚度的影响 管系中间支撑的影响 管系中特殊管道元件的影响 摩擦力 管系的冷紧 冷紧的目的是将管道的热位移的一 部分分配到冷态，从而降低管道在热 态下的热胀应力和对端点的推力和力 矩，也可防止法兰连接处弯矩过大而 发生泄漏。冷紧并不能改为管系的柔 性，因此也不能改为热胀的应力范围 ，但它能降低管系的热态力，故设计 中时常被采用。 哪些管道宜进行详细的柔性设计： 1、在GB50316中对管道柔性分析的范围 作了如下规定： 、管道的设计温度小于等于-50或大于 等于100，均应为柔性计算的范围； 、对柔性计算的公称直径范围应按设计 温度和管道布置的具体情况在工程设计 时确定； 、第一条的规定以外，满足下列条件之 一的管道，也应列入柔性计算范围： 受室外环境温度影响的无隔热层长距离 的管道； 管道端点附加位移量大，不能用经验判 断其柔性的管道； 小支管与大管连接，且大管有位移并会 影响柔性的判断时，小管应与大管同时 计算。 、具备下列条件之一的管道，可不做柔 性分析： 该管道与某一运行情况良好的管道完全 相同； 该管道与已经过柔性分析合格的管道相 比较，几乎没有变化。 、柔性计算方法应符合下列规定： 对于与敏感机器、设备相连的或高温、 高压或循环数大于7000次等重要的以及 工程设计有严格要求的管道，应采用计 算机程序进行柔性计算。 对简单的L形、形、Z形等管道，可采 用表格法、图解法等验算，但所采用的 表和图必须是经过计算验证的； 无分支管道或管系的局部作为计算机柔 性计算前的初步判断时，可采用简化的 分析方法。 2、SH/T3041石油化工管道柔性设计规 定中的规定： 操作温度大于400或小于50 进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道 进出反应器的高温管道； 进出汽轮机的蒸汽管道； 进出离心式压缩机、往复式压缩机的工 艺管道； 与离心泵连接的管道 设备管口由特殊受力要求的其他管道； 利用简化分析方法分析后，表明需要进 一步详细分析的管道； 哪些管道可以不进行详细的柔性设计 与运行良好的管道柔性相同或基本相当 的管道； 和已分析的管道比较，确认有足够柔性 的管道； 对具有同一直径、同一壁厚、无支管、 两端固定、无中间约束并能满足下式要 求的非剧毒介质管道： DoY/(L-U)2 208.3 此公式不适合于下列管道： 在剧烈循环条件下运行，有疲劳危险的管 道； 大直径薄壁管道； 与端点连线不在同一方向的端点附加位移 量占总位移量大部分的管道； L/U2.5的不等腿U形弯管管道，或近似直 线的锯齿状管道； 管系动应力分析 管系的动应力分析是相对于静应力分析 而言的，其特点是：结构的应力是时间 的函数，结构的破坏为疲劳破坏。 一、在石油化工管道中常见的振动： 往复式压缩机及往复泵进出口管道的振 动； 往复式压缩机及往复泵防振设计的步骤： 1、在订货合同中明确提出对机器制造厂的 要求： 明确规定机器制造厂采取分析设计方法进 行压力脉动和振动控制； 对缓冲罐容积大小提出要求； 2、通过计算共振管长和管系固有频率对管 道布置和支撑进行调整 3、将经过计算的管道设计方案提交机器制 造厂确认。 管道防振设计中应注意以下几个方面的 问题， 1、管道布置 2、支架 防振支架宜设独立基础 防振支架的间距和位置应经过管系固有频 率分析后确定。 两相流管道呈柱塞流时的振动； 水锤； 安全阀排气系统产生的振动； 风载荷、地震载荷引起的振动； 二、共振的控制及设计： 在往复机泵管道设计中可能引发共振的因 素有： 管道布置出现共振管长； 缓冲器和管径设计不当造成流体固有频率 与激振频率重叠导致气（液）柱共振； 支承形式设置或管道布置不当等造成管系 机械振动固有频率与激振力频率重叠。 要避免发生共振，应使气（液）柱固有频率 、管系的结构固有频率与激振力频率错开 。工程上一般要求气（液）柱的固有频率 、管系的结构固有频率落在（0.81.2） 倍的激振频率之外。 常用的管道防振措施 减少弯管及管长； 减少管子的跨度； 尽量不使用吊架； 减少弹簧支架的使用； 增加导向支架、限位支架的使用，增加管 卡。 管道柔性设计和防振设计的关系： 管道的柔性设计是保证管道有足够的柔性以 吸收由于热胀、冷缩及端点位移产生的变 形。防振设计是保证管系有一定的刚度， 以避免在干扰力作用下发生强烈振动。管 道的布置及支架设置在满足柔性设计的要 求的同时还要满足防振设计要求。 管道的抗震 为达到抗震的目的，应注意以下问题： 管件、阀门等管道组成件宜采用钢质制 品； 管道的补偿器宜采用非填料函式补偿器 ；在有毒及可燃介质管道中严禁采用填 料函式补偿器； 管道与储罐等设备的连接应具有柔性； 管道穿过建、构筑物构件时应加套管， 管道与套管之间应填塞软质不可燃材料 ； 自力跨越道路拱形管道应有防止倾倒的 措施。设防烈度为8度、9度时，不应采用 自力跨越道路的拱形管道； 管架上应高有防止管道侧向滑落的措施 ； 铺设在港口码头、引桥上的管道应有防 止管道被水浮起、冲落的措施； 沿立式设置布置的竖直管道和采用吊架 吊挂的管道应合理设置导向支架。 哪些管道应进行抗震验算？ 管道级别公称直径/mm介质温 度/ 设防 烈度 SHA级中毒性程度 为极度危害 80125 9 125 8、9 9SHA级中毒性程 度为非极度危害， SHB、SHC级 200且300 300 9 300 200 500且0.8倍 设备直径 800 SHE级 300 370 9 管道支吊架的设计选用原则 一、支吊架的种类、作用及选用原则 1、承重支吊架 2、限制性支架 3、防振支架 管道支吊架选用的一般原则 1.按照支承点所承受的载荷大小和方向、管 道的位移情况、操作温度、是否保温或保 冷、管道的材料和安装空间等条件选用合 适的支吊架； 2.设计管道支吊架时，应尽量选用标准支吊 架； 3.焊接型管托、管吊比卡箍型的管托、管吊 节省钢材，且制作简单，施工方便，因此 应尽量采用焊接型管托和管吊： 4.在下列情况下应考虑设置导向支架： 管道横向位移过大，可能影响相邻管道时 ； 固定支架之间距离过长，可能产生横向不 稳定时； 管道因两相流或冲击载荷产生振动时； 设计考虑只允许存在轴向位移的管道； 在高耸布置的垂直管道上，为防止风载荷 等引起的横向位移，应设置导向支架。 5.当架空敷设的管道热胀量较大时，应选用 加长管托，以免管托滑落。 确定管道支吊架位置时应遵循以下原则： 1.满足管道最大允许跨距的要求； 2.存在集中载荷时，支架应布置在靠近集中 载荷的地方； 3.在转动机器附近的管道处应设置支吊架， 以防止机器管口承受过大的载荷； 4.支吊架应设置在不妨碍管道与设备连接和 检修的部位； 5.对于复杂管系，应根据应力计算结果设置 或调整支吊架位置。 支吊架的作用： 1）受管道的重量荷载（包括自重、介质重 等）； 2）限位作用，阻止管道发生非预期方向的 位移；其中：固定架限制了三个方向的线 位移和三个方向的角位移；导向架限制了 两个方向的线位移；支托架（或单向止推 架）限制了一个方向的线位移。 3） 控制振动，用来控制摆动、振动或冲击 。 支吊架选用的一般原则： 支吊架型式应能满足管道的承重、限位 或防振的基本要求； 应优先选用标准系列支吊架； 支吊架型式应能满足所承载荷大小的要 求；如除自身重量外的位移载荷、风载荷 、地震载荷、安全阀开启时的反冲载荷、 水压试验时的充水重量、积雪载荷等。 支吊架型式应能适应管道位移大小的要 求； 支吊架型式应能适应管道位移方向的要 求； 支吊架型式应能适应管子工作温度及隔 热要求的需要； 支吊架型式应能适应管道生根及设备材 料热处理的要求； 支吊架型式应便于管道的拆卸检修的要 求； 支吊架选型尚应符合经济性原则； 设计振动管道支架时要注意下列问题： 支架应采用防振管卡，不能只是简单支承 ； 支架间距应经过振动分析后确定； 支架结构和支架的生根部分应有足够的 刚度； 宜设独立基础，尽量避免根在厂房的梁 柱上； 当管内介质温度较高，产生热胀时，应 满足柔性分析的要求； 支架应尽量沿地面设置。 确定管道支吊架位置时应符合下列要求： 应满足管道最大允许跨度的要求； 当有集中载荷时，支架应布置在靠近集 中载荷的地方，以减少偏心载荷和弯曲应 力； 在敏感的设备（泵、压缩机）附近，应 设置支架，以防止设备嘴子承受过大的管 道荷载； 往复式压缩机的吸入或排出管道以及其 它有强烈振动的管道，宜单独设置支架， （支架生根于地面的管道墩或管架上）， 以避免将振动传递到建筑物上； 除振动管道外，应尽