管道设计关键技术材料应力.ppt

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：010-58676304010-58676333(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1,1.1.3.2外径1.1.3.2英制管和公制管,英制管(國际通用系列)ASMEB36.10,36.19ISO4200HG20553系列SH3405GB17395JIS,公制管(國内沿用系列淘汰系列)HG20553系列,表3,英制管公制管,DN150以下英制管大外径公制管小外径DN200300英制管=公制管相同外径,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+30mmDN+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.5160(5,10,20,30,40,60,80,100,120,140,160)Sch.5S80S(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,ASMEB36.10,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.=1000PSch.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GC1AGC2B或AGC3C或BGC2,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Q235,195ERWGB3091SAWGB3091螺旋SAWSY503720无缝GB8163,3087,9948,647920G无缝GB5310L245无缝GB9711DSAWGB9711ERWGB9711,1.4設計选用1.4.2按材料选用,20R,20g,16MnD,15CrMoR,A516等板DSAW板焊管A671,672,69415CrMo等CrMo合金管无缝GB5310,6479,9948LTCS,3.5Ni等低温钢,无缝,GB18984304等不锈钢无缝GB14976304等不锈钢板焊管HG20537.4ASTMA358,1.4設計选用1.4.3按规格选用,Q235,195ERWDN15500Q235,195SAWDN450L245ERWDN15400L245DSAWDN45020,15CrMo等无缝DN40020G,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DN450304等不锈钢无缝DN300304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C2C1B2B1A2A1ERWSAW气体保护焊热轧冷拔冷轧锻造Q235AQ235B20L24520GLTCSCrMo钢3.5Ni304304L321347316316L,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0Q235B,A1920,16Mn29L245,A105,WPB,WCB,4016MnD4610MnD,A333Gr6,WPL6,LF2,LCB1013.5Ni253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、GB50251-2003输气管道工程设计规范8、GB50253-2003输油管道工程设计规范9、ASME/ANSIB31.1-PowerPiping,10、ASME/ANSIB31.3ProcessPiping11、ASME/ANSIB31.4LiquidTransmissionandDistributionpipingsystems12、ASME/ANSIB31.8GasTransmissionandDistributionpipingsystems13、API610-离心泵14、NEMASM23-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)1/2L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/ANSIB31.1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0.8W01.2W0的区域，在工程中最好避开0.5W01.5W0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API610;API617;NEMASM23;API661。,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/B31.1(气体)；APIRP520(气体、气混)结构，荷载条件：F1000Kgf，M750KgfBfBf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25mm2）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验，且拖延