管道设计关键技术材料应力ppt课件

管道材料与应力分析 主讲：李中央 中国寰球工程公司 联系电话010-58676333(Fax) 主办：中国特种设备检测研究院,全国压力管道设计关键技术高级研修班,1、管道材料工程规定 2、隔热工程规定 3、防腐、涂漆工程规定 4、管道等级索引表 5、管道材料等级 6、管道壁厚表 7、管道分支表 8、管道与仪表材料分界规定,管道材料设计基本内容,9、隔热、涂漆材料一览表 10、综合材料表 11、隔热结构图 12、非标管件图 13、阀门数据表 14、管道材料控制请购文件 15、材料汇总表编制说明 管道材料选用及等级规定,管道材料设计基本内容,等级表范例,1）管子分类 2）管子种类 3）钢管尺寸系列 4）钢管选择(满足经济性和安全性） A) 腐蚀环境与金属材料 B) 工程中防腐措施 C) 选材应注意的问题,管道材料设计基本内容 1.1钢制管道材料选用,3）钢管尺寸系列,管道材料设计基本内容 1.1.3.钢管尺寸系列,1.1.3.1 公称直径系列,美标体系 欧州体系,表1,英制管公制管,DN350以上 英制管外径=NPS25.4 公制管外径英制管外径 DN+30mm DN+20mm,表3,1.1.3.3 选用外径系列时应注意的问题,公制管 管子 , 管件(对焊 , 承插 ) , 法兰 , 阀门 (对焊 , 承插 ) 的配套 管子 , 管件(对焊 , 承插 ) , 法兰 , 阀门 (对焊 , 承插 ) 的标识 , B 提供相关尺寸 不能采用管螺纹和螺纹管件,选用外径系列时应注意的问题,英制管 承插管件 ,阀门承插口内径与钢管外径的 配合 螺纹管件 ,阀门的螺纹型式( NPT , R , Rc , Rp )与钢管外径的 配合 SH3405大口径英制管外径的问题,表4,表2,表3,1.1.3.4 壁厚 壁厚系列 , 壁厚等级,Sch.5 160 ( 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160 ) Sch.5S 80S ( 5S , 10S , 40S , 80S , 20S ) 重量等级 Std. XS , XXS,1.1.3.5 國内目前应用的壁厚系列,ASME B 36.10 , B36.19 (表13 ) HG20553 系列 (表14 ) SH3405 (表 15 ) (HG20553 系列 ),表5,表13,表14,表15,1,1.1.3.6管表号 Sch. 的含义,式中: t 壁厚(mm) ; P 内压(MPa) 许用应力(MPa)； 焊缝系数 C 腐蚀余量 (2.54mm ; 0.875壁厚负偏差),1.1.3.6管表号 Sch. 的含义,設Sch. =1000P Sch. 的数值相当于钢管为100MPa 的承压能力Bar. t=(Sch. D1750)+2.54,1.1.3.7为什么要采用管表号 Sch.,管表号 Sch.适用于表达一定范围內多个公称直径管子的壁厚 管表号 Sch.的数值代表许用应力为100MPa时钢管的承压能力 ( Bar ) 减少钢管壁厚规格数量 , 便于组织批量生差 , 庫存销售,1.4設計选用,1.4.1按质量等级选用 GC1 A GC2 B或A GC3 C或B GC2,无毒,非可燃,且PN20以下 C或B,1.4設計选用,1.4.2按材料选用 Q235,195 ERW GB3091 SAW GB3091 螺旋 SAW SY5037 20 无缝 GB8163,3087,9948,6479 20G 无缝 GB5310 L245 无缝 GB9711 DSAW GB9711 ERW GB9711,1.4設計选用 1.4.2按材料选用,20R,20g,16MnD,15CrMoR,A516等板 DSAW板焊管 A671,672,694 15CrMo等CrMo合金管 无缝 GB5310,6479,9948 LTCS,3.5Ni等低温钢,无缝, GB18984 304等不锈钢 无缝 GB14976 304等不锈钢 板焊管 HG20537.4 ASTM A358,1.4設計选用 1.4.3按规格选用,Q235,195 ERW DN15500 Q235,195 SAW DN450 L245 ERW DN15400 L245 DSAW DN450 20 ,15CrMo等 无缝 DN400 20G,15CrMo等高温高压厚壁锻造管 DN3001000 低温钢 无缝 DN400,1.4設計选用 1.4.3按规格选用,20R,16MnDR,15CrMoR等DSAW管 DN450 304等不锈钢 无缝 DN300 304等不锈钢 板焊 DN150,1.4設計选用 1.4.4考慮经济性,检查项目增加,价格依次提高 C2C1B2B1A2A1 ERWSAW气体保护焊热轧冷拔冷轧锻造 Q235A Q235B 20 L245 20G LTCS CrMo钢3.5Ni 304304L321347316316L,1.4.5考慮采购与成套,标准与非标 通用与特殊,专用 材件和规格的合併与分散 批量大与小 庫存与订单生産,非表列材料的使用 数据的使用性和可靠性（特别是温度范围两个极点的数据） 全温度范围内，材料抵抗流体工况和环境有害作用的能力 许用应力的确定 责任在设计者 对管道组成件压力温度额定值进行扩展是业主的责任,管道材料设计基本内容,低温用材料 金属低温能试验要求 （表列材料和非列表材料）,管道材料设计基本内容,低温用钢,低温界线与低温用钢 0 Q235B,A 19 20,16Mn 29 L245,A105,WPB,WCB, 40 16MnD 46 10MnD,A333Gr6,WPL6,LF2,LCB 101 3.5Ni 253奥氏体不锈钢,Al,Cu,规范附录A的许用应力表的使用。,管道材料设计基本内容,许用应力表,管道应力（机械）,一、管机专业的职责 1、应力分析（静力分析、动力分析）; 2、对重要管线的壁厚进行计算，包括特殊管件的应力分析； 3、对动设备（机泵、空冷器、透平等）管口受力进行校核计算； 4、管架设计； 5、审核供货商文件； 6、编制、修改相关规定； 7、编制应力分析及管架设计工程规定； 8、本专业人员培训； 9、进度、质量及人工时控制 ； 10、参加现场技术服务；,二、管道机械专业（应力分析）常用的标准规范 1、GB50316-2000工业金属管道设计规范 2、HG/T20645-1998化工装置管道机械设计规定 3、SH/T3041-2002石油化工企业管道柔性设计规范 4、GB150钢制压力容器 5、JB/T8130.1-1999 恒力弹簧支吊架 6、JB/T8130.2-1999 可变弹簧支吊架 7、GB 50251-2003 输气管道工程设计规范 8、GB 50253-2003 输油管道工程设计规范 9、ASME/ANSI B31.1 - Power Piping,10、ASME/ANSI B31.3 Process Piping 11、ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution piping systems 12、ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systems 13、API610 - 离心泵 14、NEMA SM23 - 透平 15、API617 - 离心式压缩机 16、API618 - 往复式压缩机 17、API661 - 空冷器 18、ANSI/B31.1、APIRP520 - 安全阀、爆破膜,三、工程设计阶段管机专业的任务 1、初步设计、基础设计阶段 编制工程设计规定(应力分析、管架设计) (四级签署)； (2) 参加设备布置工作； (3) 对主要管线的走向进行应力分析和评定。,2、详细设计阶段 修订工程设计规定(应力分析、管架设计) (四级签署)； 重要管线的壁厚计算，特殊管件的应力分析； 编制临界管线表(三级签署) 应力分析管线表 静力分析 应力分析 (三、四级)； 动力分析 卧式容器固定端确定，立式设备支耳标高确定； 支管补强计算； 动设备许用荷载校核(四级), 夹套管(蒸汽、热油、热水)计算(端部强度计算、内部导向翼板位置确定、同时包括任何应力分析管道的所有内容)； 往复式压缩机、往复泵动力分析(四级)； 安全阀、爆破膜泄放反力计算； 结构、建筑荷载条件； 设备管口荷载、预焊件条件； 编制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据表； 编制柔性件(膨胀节、软管等)采购MR文件及技术数据表；,3、各文件应包含的内容： 工程规定内容 A、适用范围； B、概述； C、设计中采用的标准规范； D、计算程序(软件)； E、设计温度、压力、安装温度(环境温度)、压力； F、设计荷载 风压值； 地震烈度； 雪荷载； 土壤的力学性质； G、临界管线表的确定准则（哪些管线该做哪类的应力分析）； H、计算及安全性评定准则； I、应力分析工作流程。 J、其它, 壁厚计算 A、当 B、当 t 的确定应根据断裂理论、疲劳、热应力及材料特性等因素综合考虑确定。 C、外压直管的壁厚，应根据GB150规定的方法确定。 D、其它的管件(如Y型三通、孔板等)依据相应的规范(GB50316-2000)公式进行计算。, 临界管线表 公式法： D0 管外径(mm) Y 管段总位移(mm) Y=(X2+Y2 +Z2)1/2 L 管段两个固定点的展开长度(m) (AB+BC+CD) U 管段两个固定点的直线距离(m) (AD间的直线距离) (依据ASME/ANSI B31.1及B31.3),公式的适用范围,A、静力分析包含的内容 a) 一次应力计算及评定 防止管道塑性变形破坏. b) 二次应力计算及评定 防止疲劳破坏。 c) 设备管口受力计算(及评定) 防止作用力太大，保证设备正常运行。 d) 支承点受力计算 为支吊架设计提供依据。 e) 管道上法兰受力计算 防止法兰泄漏。 f) 两相流及液击冲击载荷计算 为支吊架和结构设计提供依据。,B、动力分析包含的内容 a)管道固有频率分析 防止共振。 b)管道强迫振动响应分析 控制管道振动及应力。 c)往复式压缩机(泵)气(液)柱频率分析 防止气柱共振。 d)往复式压缩机(泵)压力脉动分析 控制压力脉动值(值)。,C、动力分析要点 b) 机器动平衡差修改基础设计,c)减少脉动和气柱共振的方法： 1)加大缓冲罐 依据API618计算缓冲罐的体积，一般为气缸容积的10倍以上，使缓冲罐尽量靠近进出口，但不能放在共振管长位置。 2)两台或三台压缩机的汇集总管截面积至少为进口管截面积的三倍，且应使柱塞流的冲击力不增加。 3)孔板消振 在缓冲罐的出口加一块孔板。 孔径大小： 孔板厚度=35mm 孔板位置 在较大缓冲罐的进出口均可,d)减少激振力减少弯头、三通、异径管等管件。 改90。为弯头45。弯头。 e)改变（提高）管线的固有频率，使其远离激振力频率。 (1)共振区域, 放大因子 W1 固有频率（角频） W0 激振频率（角频） 通常W1应避开0.8W0 1.2W0 的区域，在工程中最好避开 0.5W0 1.5W0的范围，这样振幅较小。,(2)通常W1应在W0（压缩机的吸入或吸出频率）的1.2倍以上，设计时最好控制在1.5倍以上。,(3)激振力频率 n = 转/分 压缩机转数,(4)控制压力脉动,注：此为原苏联标准 (5)卧式容器固定端及立式设备支耳标高确定 提高管道柔性，减小位移量，防止对设备管口的推力过大。 支管补强计算 降低局部应力 等面积补强 WRC329,支耳标高确定, 动设备管口许用荷载校核 API 610;API 617; NEMA SM 23; API 661。, 往复式机泵动力分析 安全阀，爆破膜泄放反力计算(见标准计算程序) ANSI/B 31.1(气体)；API RP 520(气体、气混) 结构，荷载条件： F1000Kgf，M750Kgf Bf Bf 梁翼缘宽度。 需提条件给土建 ：沉降量的考虑；储罐抗震措施。,管端结构,安全阀与爆破片,设备管口荷载及预焊件条件 供设备专业校核局部应力和设计用 (13)编制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据表 选型、荷载、位移 串联 按最大荷载选弹簧 位移按最大位移量分配 并联 选同型号弹簧、荷载平均分配 荷载变化率 国标25（可改变） (14)编制柔性件（膨胀节、软管等）采购MR文件及柔性件技术数据表,插图,设备管口承载能力表,四、管道支架设计 1、管道支架的分类及定义 按支架的作用分为三大类：承重架、限制性支架和减振架。 1）承重架 : 用来承受管道的重力及其它垂直向下载荷的支架(含可调支架)。 a）滑动架：在支承点的下方支撑的托架，除垂直方向支撑力及水平方向摩擦力以外，没有其他任何阻力。 b）弹簧架：包括恒力弹簧架和可变弹簧架。 c ）刚性吊架：在支承点的上方以悬吊的方式承受管道的重力及其他垂直向下的荷载，吊杆处于受拉状态。 d）滚动支架：采用滚筒支承，摩擦力较小。,吊架,2）限制性支架：用来阻止、限制或控制管道系统位移的支架(含可调限位架)。 a）导向架：使管道只能沿轴向移动的支架，并阻止因弯矩或扭矩引起的旋转。 b）限位架：限位架的作用是限制线位移。在所限制的轴线上，至少有一个方向被限制。 c）定值限位架：在任何一个轴线上限制管道的位移至所要求的数值，称为定值限位架。 d）固定架：限制管道的全部位移。 3）减振架：用来控制或减小除重力和热膨胀作用以外的任何力(如物料冲击、机械振动、风力及地震等外部荷载)的作用所产生的管道振动的支架。 减振架有弹簧及油压和机械三种类型。,2、管道跨距及导向间距 1）管道跨距 强度及刚度两项控制 强度控制 略 刚度控制 装置内13mm，装置外25 mm 2）导向间距： a）水平管 b）垂直 垂直管道的最大导向支架间距大致可按不保温管充水的水平管道支架间距进行圆整。,3. 确定管道支架位置的要点 3.1 承重架距离应不大于支架的最大间距。 3.2 尽量利用已有的土建结构的构件支承，及在管廊的梁柱上支承。 3.3 在垂直管段弯头附近，或在垂直段重心以上做承重架，垂直段长时，可在下部增设导向架（当载荷大时，可采用弹簧架分载荷）。 3.4 在集中荷载大的管道组成件附近设承重架。 3.5 尽量使设备接管的受力减小。如支架靠近接管，对接管不会产生较大的热胀弯矩。 3.6 考虑维修方便，使拆卸管段时最好不需做临时支架。 3.7 支架的位置及类型应尽量减小作用力对被生根部件的不良影响,3.8 管道支吊架应设在弯管和大直径三通式分支管附近 3.9 对于需要作详细应力计算的管道，应根据应力计算结果设计管架 3.10 在敏感的设备(泵、压缩机)附近，应设置弹簧支架，以防止设备口承受过大的管道荷载 3.11 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，宜单独设置有独立基础的支架，(支架生根于地面的管墩或管架上)，以避免将振动传递到建筑物上 3.12 除振动管道外，应尽可能利用建筑物、构筑物的梁柱作为支架的生根点，且应考虑生根点所能承受的荷载，生根点的构造应能满足生根件的要求 3.13 管道支吊架应设在不妨碍管道与设备的连接和检修的部位,4.管道布置过程中对支架位置的考虑 4.1 管道走向首先要满足安全生产、工艺要求，操作方便，安装维修方便； 4.2 管道尽量集中布置，如成排布置，便于做联合支架，尽量减少分散独立设置的柱式架。同时达到整齐美观。 4.3 管道布置应靠近可能作支架的点，如靠近为其它目的的做的构筑物，沿建筑物的墙、柱。或沿平台下敷设，以便利用梁和柱来支承。 4.4 管道成组布置时，各管道的被支承面应取齐，即水平管管托底面和不保温管的管底应取齐，竖直管管托底面和不保温管的管底应侧齐, 以便设计支架。 4.5 采用弹簧支座或吊架时，管道与生根构件之间应有足够的空间。,5管道支吊架选用的原则： 5.1 在选用管道支吊架时，应按照支承点所承受的荷载大小和方向、管道的位移情况、工作温度、是否保温或保冷、管道的材质等条件选用适合的支吊架；对于冷管,在管架设计时,应该有防止冷桥产生的措施; 5.2 设计管道支吊架时，应尽可能选用标准管卡、管托和管吊； 5.3 下列情况，不得采用焊接型的管托和管吊： a）管内介质温度等于或大于400的碳素钢材质的管道； b）低温管道； c）合金钢材质的管道； d）生产中需要经常拆卸检修的管道；,e）架空敷设且不易施工焊接的管道； f）非金属衬里管道； g）需热处理的管道（消除应力） 5.4 为防止管道过大的横向位移和可能承受的冲击荷载，一般在下列位置设置导向管托，以保证管道只沿着轴向位移： a）可能产生振动的两相流管道； b）横向位移过大可能影响邻近管道时；固定支架之间的距离过长，可能产生横向不稳定时；（柱失稳） c）为防止法兰和活接头泄漏要求管道不宜有过大的横向位移时；,5.5 当架空敷设的管道热胀量超过100mm时，应选用加长管托，以免管托滑到管架梁下； 5.6 凡支架生根在设备上时，应向设备专业提出所用预焊件的条件； 5.7 对于荷载较大的支架位置要事先与有关专业设计人联系，并提出支架位置、标高和载荷情况； 5.8 凡需要限制管道位移量时，应考虑设置限位架。 5.9 安全阀出口管线的支架要高度重视，应足以抵抗泄放时冲击荷载的作用 6管道固定点的设置应满足下列要求： 6.1 对于复杂管道可用固定点将其划分成几个形状较为简单的管段，如L形管段、U形管段、Z形管段等以便进行分析计算；,6.2 确定管道固定点位置时，使其有利于两固定点间管段的自然补偿； 6.3 选用形补偿器时，宜将其设置在两固定点的中部； 6.4 固定点宜靠近需要限制分支管位移的地方； 6.5 固定点应设置在需要承受管道振动、冲击荷载或需要限制管道多方向位移的地方； 6.6 作用于管道中固定点的荷载，应考虑其两侧各滑动支架的摩擦反力； 6.7 进出装置的工艺管道和非常温的公用工程管道，宜在装置分界处设固定点。,形补偿器,7管道支架生根的结构型式 7.1 在设备（VESSEL）上生根： 在设计从设备上生根的支架时，要求在设备上预焊生根件。如果现场安装支架在设备壁上直接焊接，许多设备需要重新检