管道应力与设计ppt课件

管道设计与应力分析,陈 桦 2014年11月,一、压力管道定义 （1）、特种设备安全法对压力管道定义：,压力管道：利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备。 其范围规定为 ：最高工作压力大于或者等于0.1Mpa G （表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm。这三者应同时具备。 压力管道的基本概念 我们可以这样来理解：由管子（钢材或其他材料）和管道组成件构成的，用来输送、分配、混合、排液、计量、控制流体流动的，其长径比较大的设备。 如果同时具备 a. 最高工作压力大于或者等于0.1Mpa（表压）; b.介质为气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质; c. 公称直径大于25mm。这三个条件的属于压力管道。,（2）、TSG D0001-2009压力管道安全技术监察规程工业管道,它定义压力管道是同时具备以下三个条件：pw0.1MP a，且25mm 输送介质为气体、蒸汽、液化气体、最高工作温度高于或等于其标准沸点的液体或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性的液体的金属管道。,TSG D0001-2009管规适用的管道范围如下： （a） 管道元件，包括管道组成件（管子、管件、法兰、密封件、紧固件、阀门、安全保护装置,以及膨胀节、挠性接头、耐压软管、过滤器、管路中的节流装置（孔板）和分离器等）和管道支承件（吊杆、支吊架、斜拉杆、平衡锤、松紧螺栓、支撑杆、链条、管吊、管夹、导轨、鞍座、托座、滚柱、底座、滑动支座、吊耳、卡环、U形夹和夹板等） （b）管道元件间的连接头、管道与设备连接的第一道连接接头（焊缝、法兰、密封件及紧固件等）、管道与非受压元件的连接接头； （c）管道所用的安全阀、爆破片装置、阻火器、紧急切断阀等保护装置。,（3）、压力容器压力管道设计许可规则将压力管道划分为四个类别：,长输管道（GA）、 公用管道（GB） 工业管道（GC） 、动力管道（GD） 公用管道（GB）（公用或民用） 城市或乡镇范围内的用于公用事业或民用的燃气管道和热力管道,划分为GB1级和GB2级。 燃气管道GB1、热力管道GB2,三、管道载荷（或者管道荷载）,作用于压力管道上的载荷有： （1）重力载荷包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等； （2）压力载荷,包括内压力、外压力或最大压差(最苛刻条件)； （3）位移载荷,包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移（注）、支承沉降等； （4）风载荷； （5）地震载荷； （6）瞬变流冲击载荷,如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击； （7）两相流脉动载荷； （8）压力脉动载荷,如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动； （9）机械振动载荷,如回转设备的简谐振动。,四、载荷分类,1、根据载荷作用时间长短分为恒载荷和活载荷 恒载荷持续作用于管道的载荷：如介质、自重、支吊架反力、热载荷等 活载荷-临时作用在管道的载荷：如风载荷、地震载荷。 2、根据载荷作用性质分为静力载荷和动力载荷 静力载荷-载荷缓慢、毫无振动地加到管道上去。在计算时就可以略去惯性力 动力载荷-载荷随时间迅速变化的，如在计算时就应考虑惯性力:管道振动、突然关闭阀门使得压力冲击、地震等 3、静力载荷根据其不同特性又分为自限性载荷和非自限性载荷 注：自限性载荷由于变形受约束产生的载荷；非自限性载荷-外力载荷,4、动力载荷,在管道设计中常见的动力载荷有： （1）往复式压缩机及往复泵进出口管道的振动； （2）两相流管道的振动； （3）水锤、气锤； （4）流体排放的反力（安全阀排气系统产生的振动）； （5）风荷载、地震荷载引起的振动。 除上述动力载荷外，其他的就是静力载荷或称为静载荷。,五、应力分类,应力分为：一次应力P、二次应力Q、 峰值应力F。 1.一次应力P 一次应力P 的产生与特点 一次应力P是由于压力、重力与其他外力载荷的作用所产生的应力。 一次应力的特点是没有自限性。,一次应力P又可以分为：,一次总体薄膜应力Pm -是沿管道截面是均匀分布，它的屈服将引起管道截面整体屈服。 一次弯曲应力Pb -它是在很大区域内，在管道截面沿厚度变化呈线性分布，它的屈服只是局部屈服；它是由机械载荷或压力载荷引起的。 一次局部薄膜应力PL -它是在局部范围内由机械载荷或压力载荷引起的薄膜应力，它达到屈服时也只是在局部范围内屈服，它要发生速变时，却受到周围弹性材料的约束，所以这种局部屈服是被认为可允许的。,2.二次应力,二次应力Q 的产生与特点 二次应力是由于管道变形受到约束而产生的正应力或剪应力，它不直接与外力平衡。 二次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以用位移约束条件或自身变形的特性，将应力限制在一定的范围内，从而变形不再继续增大。 二次应力引起的破坏是疲劳破坏。在管道中，二次应力一般由热胀、冷缩和端点位移引起。 注：计算二次应力时，管材的弹性模量应取安装温度下钢材的弹性模量,3.峰值应力F,峰值应力F，它是由于载荷、结构的局部突变引起的应力增量。 峰值应力的特点：同时具有自限性与局部性，它不会引起明显的变形。也就是说，峰值应力对整个构件而言，是不会产生任何显著的变形，但它却是疲劳破坏或脆性断裂的根源。如转弯半径小或焊缝咬边等等。只能用改变载荷大小、或使结构变为连续办法来克服。,六、管道设计 设计主要参数的确定： 1、设计压力管道系统中每个组成件的设计压力应不小于在操作中可能遇到的最苛刻的压力和温度组合工况的压力。应加上液柱的静压力。,所谓最苛刻是指压力源（如泵、压缩机等）的压力脉动，不稳定流体的分解、静压头、控制装置或阀门的失效或操作失误、环境影响等可能产生的运行条件。 设计压力确定原则： 装有安全泄放装置，其设计压力应不小于安全装置的设定压力（或最大标定爆破压力） 当管道是与设备直接连接作为一个压力系统时，管道的设计压力应不小于设备的设计压力；,未设置安全泄放装置，其设计压力应不小于可能产生的最大压力； 离心泵出口管道，p应不小于泵的关闭压,力； 输送制冷剂、液化烃类低沸点介质的管道，p应不小于阀门切断时或介质不流动时，介质可能达到的最大饱和蒸气压（一般按50计算）； 装有安全泄放装置的真空管道，p取1.25p和0.1Mpa中的较小值，并按外压条件设计；未设置安全泄放装置，按 -0.1Mpa计算。,2、设计温度管道组成件压力设计是所用的温度,设计温度，不应低于正常操作时，可能遇到的最 苛刻的压力和温度组合工况的温度；同一管道中 的不同管道组成件的设计温度可以不同。,设计温度的确定原则： a)介质温度小于65时，无隔热层管道组成件的设计温度取介质温度；,若介质温度65时，无隔热层管道组成件的设计温度按以下规定选取： 对于阀门、管子、翻边端部和焊接管件取介质温度的95%； 对于松套法兰以外的法兰，取介质温度的90%； 对于松套法兰，取介质温度的85%； 螺栓，取介质温度的80%； 也可以通过传热计算来确定。 b)外部隔热管道的设计温度一般取介质温度； c)内部隔热管道的设计温度应按传热计算或试验确定。,七、管道设计计算,管道的设计计算内容包括： 1、管道组成件的壁厚确定（又称为压力设计） 2、管道系统的柔性计算 3、管道组成件的选用等方面。,(一)管道组成件的压力设计： （除输气、输油管道以外）,受内压的直管段管子壁厚确定： 以外径为基准的 t=pcD/(（2S+ Ypc ）) （1） 式中：t计算厚度 mm D管子外径 mm pc计算压力 MPa(p+液柱静压) S设计温度下的许用应力MPa； 纵向焊接接头系数 （注1） Y设计系数 （注2）,GB/T 20801.3第9页，表3(续)，我们主要要熟悉序号3电熔焊采用自动电弧焊或手工电弧焊这一栏：（或见下表）,注1：对于无缝钢管，=1,S-材料许用应力,见GB/T20801.2,表A.1材料许用应力表 ，应根据材料（牌号）、标准、工作温度（最低使用温度） 、板厚尺寸来选择。,Y设计系数，当tD/6时，按GB/T 20801.3表16选取。 注：铁素体钢：碳素钢、低合金高强度钢、珠光体耐热钢、铁素体不锈钢钢的总称。,表16 tD/6时的Y值,应用式（1）式计算时的限定条件：,a. 应是薄壁管子：tD/6 或p/S 0.385 b. 直管段：所谓直管段管子长度L5D 若壁厚tD/6或p/S 0.385，属于厚壁 管，计算时还应考虑失效机理、疲劳影响 和温差应力影响等等。,受外压的直管段管子壁厚确定：,a.应根据D.L.Te值以及所用材料，按GB150钢制压力容器等有关标准计算，根据pp准则确定计算厚度。D外径，mm L管道的计算长度（20801 p21说明） b.对于L/D25，D/Te65的碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢以及铸铁直管，当设计温度不超过300，可按下式计算许用外压力p; p=（2.2/3） E(Te/Do)3 （2） c.加强圈的设计与计算应符合GB150规定。, 受内压的弯管或弯头壁厚tw的计算公式：,其计算厚度（位于/2处，弯管或弯头的转角，度。对于弯管R3Do） Tw=pD/2(S/)+pY （3） 其中计算系数 当计算内侧时， =4（R/D）-1/ 4（R/D）-2 当计算外侧时， =4（R/D）+1/ 4（R/D）+2 当计算中心时， =1.0 注：弯管在弯制成形后，其弯管最外部分最小厚度应不小于直管段设计厚度td。,解：用受外压的直管段管子壁厚确定中的b.来计算； 设：管子长15m，外径508 则：L/D=15000/508=29.525， D/Te=508/(6.3-1) =95.865 符合条件,用 （2）式 p=2.2/3 E(Te/Do)3 =(2.2/3）2.03105(5.3/508）3 =0.169Mpa p外0.1 Mpa 合格。 上述各种计算所得的厚度均为理论计算厚度，我们要确定是其名义厚度： Tn=t(Tw)+C1+C2+C3 式中：C1壁厚负偏差 mm，按下表选取； C2腐蚀裕量mm ；, 受外压的弯管或弯头壁厚tw的计算公式,还是应用b和式（2）进行计算，其计算长度L取直管上包括沿弯管或弯头轴线在内的两相邻支撑线之间的距离。 计算实例：在真空下操作的某一管道， p=-0.1Mpa，D（外径）=508mm, 壁厚Tn=6.3mm, 两连接法兰之间的距离L=15000mm材料为20号钢C2=1.0mm，在常温下，试问所选用的管壁正确？ C3磨蚀、冲蚀 mm，按有关手册选取。,钢管壁厚的负偏差,因为弯管处的截面椭圆度的大小，对弯管的承 受外压能力影响较大，因此，规范对弯管处的截面,椭圆度Tu的大小作出了一些限制： 在弯制弯管时，弯管的横截面形状或多或少会变成椭圆形，规范对不同的介质或不同设计压力管道，限定了弯制弯管的弯管处的截面椭圆度Tu的大小，其规定如下： 对于输送剧毒流体或设计压力p 10Mpa 其椭圆度Tu=(Dmax-Dmin)/D 100% 5% 对于输送剧毒流体以外其他流体 或设计压力p 10Mpa 其椭圆度Tu 8% 。 因时间关系，其他如焊接弯头、三通、大小头请大家按HG20582钢制化工容器强度计算规定进行计算。,（2）输气、输油管道的直管段的钢管厚度计算：,a. 输气 =pD/2sF t （4） 式中：钢管计算厚度cm ； s钢管的最小屈服强度Mpa p设计应力 Mpa F强度设计系数 D外径 cm 焊接接头系数 t温度折减系数，当温度小于120时，t取1.0 强度设计系数F，一般应符合下表规定,b.输油管道 =pD/2Ks （5） 式中：钢管计算厚度mm s钢管的最小屈服强度Mpa,p设计应力 Mpa K输油站内设计系数，一般取0.72 D外径 mm 焊接接头系数 输油站内设计系数F，一般应符合下表规定,钢管号*GB/T9711.11997中属于钢级和类别 碳钢、奥氏体不锈钢含义表,C.输气、输油的弯头或弯管的管壁厚度确定,b=m （6） 式中：b-弯头或弯管的管壁计算厚度mm -弯头或弯管所连接的直管段管壁计算厚度mm m-弯头或弯管的管壁增大系数； m=(4R-D)/(4R-2D) D-弯头或弯管的外径mm R-弯头或弯管的曲率半径mm,d. 输气、输油管道穿过河流管子的管壁厚度确定：,原则是先按内压强度公式求得后再用外压校核. 管子的计算厚度 =pD/2sF t （7） 式中：钢管计算厚度mm s钢管的最小屈服强度Mpa p设计应力 Mpa F强度设计系数 D外径 mm 焊接接头系数 t温度折减系数，当温度小于120时，t取1.0,八、管道应力分析主要内容及其各种分析的目的,管道应力分析分为静力分析和动力分析。 1.静力分析包括： （1）压力、重力等荷载作用下的管道一次应力计算防止塑性变形破坏； （2）热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的管道二次应力计算防止疲劳破坏； （3）管道对机器、设备作用力的计算防止作用力过大，保证机器、设备正常运行； （4）管道支吊架的受力计算为支吊架设计提供依据； 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点位移过大。,2.动力分析包括：,（1） 往复压缩机（泵）管道气（液）柱固有频率分析防止气（液）柱共振； （2） 往复压缩机（泵）管道压力脉动分析控制压力脉动值； （3） 管道固有频率分析防止管道系统共振； （4） 管道强迫振动响应分析控制管道振动及应力； （5） 冲击荷载作用下管道应力分析防止管道振动和应力过大； （6） 管道地震分析防止管道地震应力过大。,九、工程项目管道应力分析技术统一规定的内容,工程项目的管道应力分析技术统一规定包括以下内容： （1） 技术统一规定的适用范围； （2） 项目执行中使用的标准规范及版本； （3） 温度、压力等计算条件的确定方法； （4） 分析中需要考虑的荷载及计算方法； （5） 管道应力分析所使用的软件； （6） 项目中需要进行详细应力分析的管道类别； （7） 管道应力的安全评定条件； （8） 机器、设备的允许受力条件或遵循的标准； （9） 防止法兰泄漏的条件； （10） 膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求； （11） 专门问题（如摩擦力、冷紧等）的处理方法； （12） 业主的特殊要求； （13） 不同专业之间的接口关系；,十、压力管道的热应力分析,热应力： 管子在受热（受冷）时就会产生膨胀（收缩），这种热胀冷缩是自然现象，如果热胀（冷缩）受到约束，使其不能自由伸缩就会产生热应力（温度应力）。热应力是二次应力。如果处理不当，它与一次应力相叠加，可能导致管道失效，醸成事故。,设一直管段，其两端被固定住，管长为L，,截面积为A，管材弹性模量为E，安装时的温度为To,工作温度为T1（且T1To），热胀系数。如果管道能自由伸缩，则伸长量为L为：,L= （T1-To）L= T L， (8) 设在钢管另一端施加P 压力使管子恢复到原来长度L， 那么，P力的大小为,P= （L/L ）E A= T E A (9) 热应力=P/A= T E (10) 举例：某油罐进出管线为1594.5材料为Q235B，tw=100安装温度为0 ，求管子的热应力和对罐体的推力 Q235B 的和 E分别为=12.210-6 / 和E=2.0105Mpa 其截面积A=/4（Do2-Di2） =0.785(1592-1502) =2.1810-3m2 温度变化T=100-0=100 热应力=p/A= T E=244 Mpa 推力P= T E A=5.295105（N）（53103kg） 可见热应力与推力都很大，故该管线不能直接连接。,诸如此类问题，除了GD 类动力管道外，其他由于设计温度与安装相差不是很大时，工程上我们一般,是采用增加柔性办法，以降低热应力的办法来处理的。 i）这里我们首先要理解“柔性”的含义：柔性-管道通过自身变形时，吸收因温度变化发生的尺寸变化所产生的位移，从而保证管道上的应力在管材许用应力范围内的性能。管系的柔性愈大，则产生热胀变形的可能性愈大，管系的热应力就愈小。但真正要进行热应力计算是较复杂的过程，且还很繁琐。 ii）我们在设计过程中想方设法增加管系柔性，其思路采用弯管段结构，或设置伸缩装置（补偿器）的办法等来增加管系柔性。,注：补偿器有两种形式：,1. 由于工艺需要在管道布置需要而自然形成的弯管段-这就是补偿器，又称为自然补偿器，如L 型或 Z型的补偿器； 2. 我们在设计时，专门设置用于吸收管道 “热膨冷缩” 的弯管形式弯管段或伸缩装置，称为人工补偿器，如型补偿器，-波纹形或填料函型等等。,十一、自然补偿器,很显然，自然补偿器是在管道布置时自然形成的，我们应当尽量采用自然补偿器办法来增加管系的柔性；只有当自然补偿器不能满足要求时，才采用人工补偿器。 “只有当自然补偿器不能满足要求时”这句话怎样理解？怎样才能满足？举个例子来说明： 有一L 型的 自然补偿器，如图所示,L 型 自然补偿器如图所示,我们只需考虑其中较短OB 段是否有足够的吸收管系热膨胀之能力，如OB 段吸收不了，即短臂长度不够，则重新布管使之延长至C 点就OK。,1.管道自然补偿器补偿能力的计算 热力管道布置时的宗旨，应充分利用管道本身的自然弯曲（柔性）来补偿管道的伸长；但要牢记有两个限制条件： 1.只有弯管的转角150o时能起自然补偿器作用； 2.自然补偿管道的长臂长L 不应超过2025m, 弯曲应力不应超过 w=80 Mpa. L 型直角弯自然补偿器（如下图所示）,平面管系L型自然补偿器短臂长度的计算,其柔性条件为 l=1.1（ L D/300）1/2 ( 11 ) 其中 l(小写L)短臂长度m L长臂长度m L 长臂热伸长量mm D 外径mm,a. L 型直角弯自然补偿器（如下图所示）,例题 1 L 型补偿器计算,有一直角弯头D=108，长臂L=25m,工作温度220 安装温度20，确定短臂l (小写L)的最小长度。 先求出长臂热伸长量mm L 的大小； L= T L=1210-6 （220-20） 25 103=60mm 用上述柔性条件确定短臂尺寸 l= 1.1（ L D/300）1/2 =1.1（60 108/300）1/2m=5.1m,b. Z 型直角弯自然补偿器（如下图所示）,平面管系Z型自然补偿器短臂长度的计算,如上图所示的Z型折角弯自然补偿器，其柔性条件： l= 6 LED / （107 （ 1+1.2K） 式中：lz 型自然补偿器短臂长度 （m ） L(L1+L2)的总热伸长量（m) E-管道材料的弹性模数（MPa) E=2X105MPa D管道外径（mm) K=L1/l,例题2 Z 型折角弯自然补偿器计算,已知有一蒸气管道219x6,t=200 ，L1为6m,L2为9m,材料为20，求折角弯短臂长l 解：L=T(L1+L2)=0.012x(6+9)x200=32mm 由于K 的不定值原因，要用试差法去计算； 设 l=1.8m,K=6/1.8=3.3. 代入上式 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：不能在其短臂中间加固定支座，使之成为两个L 型的。,c.空间自然补偿管系的近似计算,对于类似上图所示的空间管系的自然补偿，工程上用下面柔性判据 来判断该管系是否需要进行详细的柔性计算 其柔性条件为：DNL/（L-U） 2 208.3 （15）,式中：DN此处管子是159X4.5，则 DN =150(mm)； L管系三个方向热伸长的向量和(m)； L管系展开长度(m), 这里为 L =AB+BC+CD+DE; U管系两端固定点之间的直线距离（m） 如果 DNL/（L-U）2208.3，则该管系可不需要进行详细的柔性计算，并认为是安全。 使用式（15）的限制条件 1）同一根管道，同一壁厚； 2）两端必须固定； 3）中间无限位支吊架， 4）无分支管,例3 锅炉房一段供汽管道，管子直径159X5 20无缝钢管，供汽压力pw=1.0Mpa 蒸气温度300 ，安装温度20 ，管线布置如前图所示，校验其补偿能力。,解：查得=12.78X10-6 /=12.78X10-3mm/m AB段热伸长量 LAB= 12.78X10-310280=35.78mm CD段热伸长量 LCD= 12.78X10-360280=214.7mm,BC段热伸长量LBC= 12.78X10-33280=10.73mm DE段热伸长量LDE= LBC = 10.73mm 管段三个方向热伸长量的向量和为 L= LAB2+ （LCB- LDE）2+ LCD20.5 =35.782+（10.73-10.73）2+214.72 0.5=217.7 两固定点AE 之间直线距离U=（AB 2 +CD 2 ）0.5 =（10 2 +60 2 ）0.5 =60.8m; 管系展开长度L=AB+BC+CD+DE=10+3+3+60=76m;代入（15）式得： 150X217.6/(7