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companylogo 1 第五章压力管道设计 companylogo 2 5 3金属管道组成件耐压强度计算 5 3 1一般规定gb50316 2000工业金属管道设计规范对于已标明公称压力的管件不必进行计算 companylogo 3 管道耐压强度计算 设计厚度 计算厚度 厚度附加量 名义厚度 计算厚度 厚度附加量 圆整至该组成件的材料标准规格的厚度 有效厚度 名义厚度 附加量 最小厚度 计算厚度 腐蚀 磨蚀附加量 companylogo 4 管道厚度 companylogo 5 容器耐压强度计算 companylogo 6 计算厚度 由公式采用计算压力得到的厚度 必要时还应计入其它载荷对厚度的影响 设计厚度 d 计算厚度与腐蚀裕量之和 d c2 名义厚度 n 钢材标准规格厚度 设计厚度 钢材厚度负偏差c1后 圆整值 即标注在图样上的厚度 n d c1 c1 c2 有效厚度 e 名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量 e n c1 c2 厚度附加量 c 由钢材的厚度负偏差c1和腐蚀裕量c2组成 不包括加工减薄量c3 c c1 c2 加工减薄量 根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造厂而并非由设计人员确定 companylogo 7 成形后厚度 制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二次向上圆整得到的坯板厚度 再减去实际加工减薄量后的厚度 也为出厂时容器的实际厚度 一般 成形后厚度大于设计厚度就可满足强度要求 companylogo 8 容器厚度关系示意图 companylogo 9 碳素钢 低合金钢容器 min不小于3mm 高合金制容器 min不小于2mm 最小厚度 min 考虑容器的刚性 制造 运输 吊装 不包括腐蚀裕量 companylogo 10 钢板或钢管厚度负偏差c1 按照相应钢材标准的规定选取 钢材的厚度负偏差 0 25mm 且不超过名义厚度的6 时 可取c1 0 gb6654 压力容器用钢板 gb3531 低温压力容器用低合金钢钢板 规定 压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0 25mm 钢板厚度 5mm时 如20r 16mnr 16mndr等 取c1 0 其它常用钢板 如20g q235 a以及0cr18ni9等 的厚度负偏差有表 companylogo 11 钢板的厚度负偏差c1值 mm 20g q235 a 0cr18ni9等 companylogo 12 腐蚀裕量 防止容器受压元件由于均匀腐蚀 机械磨损而导致厚度削弱减薄 与腐蚀介质直接接触的筒体 封头 接管等受压元件 均应考虑材料的腐蚀裕量 companylogo 13 5 3 2设计条件与设计基准 companylogo 14 压力管道设计 根据压力 温度 流体特性等工艺条件 并结合环境和各种载荷等条件进行 作用于管道的载荷 有管内介质压力 管子质量 包括管内介质及保温材料等 产生的均布载荷 阀门 三通 法兰等管件质量产生的集中载荷 管道支吊架产生的反力 风力 地震载荷 温度变化管道发生热胀冷缩受约束产生的热载荷 管道安装施工时各部分尺寸误差产生的安装残余应力 与管道连接的设备变位或其它原因的管端位移引起管系变形而产生的载荷等 由于管内介质压力脉动引起的管道震动 液击产生的冲击波等 一 设计条件 companylogo 15 风载荷和地震载荷 热载荷 安装残余应力 管道相对移位造成的位移载荷 集中载荷 支架反力rx ry rz 管件质量 均布载荷 p 管内介质产生的压力p 管子质量mg 管道振动载荷或液击产生的冲击载荷 companylogo 16 耐压强度计算中 主要考虑 设计压力和设计温度载荷 对于管道所处环境的影响 所承受的动力荷载 静荷载 热胀冷缩的影响 循环载荷 管道支架位移的作用 加工过程产生的内应力等其它作用 可通过相应计算以及结构上的处理进行设计 companylogo 17 a 管道设计压力的确定 1 不小于管系运行中遇到的内压或外压与温度相耦合时最严重条件下的压力 不包括允许的非经常性压力变动值 对于下列特殊条件的管道设计压力取值 应与上述规定比较 取两者中的较大者 1 输送制冷剂 液化烃类等气体温度低的流体管道 阀门关闭或流体不流动时 在最高环境温度下气化所能达到的最高压力 2 离心泵出口管道的吸入压力与扬程相应压力之和 3 没有压力泄放装置或与压力泄放装置隔离的管道 流体可达到的最高压力 companylogo 18 2 真空管道按受外压设计 安装有安全控制装置时 设计压力应取1 25倍最大内外压差或0 1mpa两者中的低值 无安全控制装置时 设计压力应取0 1mpa 3 装有泄压装置的管道设计压力不应小于泄压装置开启的压力 companylogo 19 b 设计温度的确定 1 为管道在运行时压力和温度相耦合的最严重条件下的温度 对于0 c以下的管道 应考虑流体及环境温度影响 设计温度应取低于或等于管道材料可能达到的最低温度 2 管道采用伴管或夹套加热时 应以外加热和管内流体温度中较高温度为设计温度 3 无隔热层管道 不同管道组成件可有不同设计温度 1 流体温度 65 时 管道组成件的设计温度可与流体温度相同 companylogo 20 2 流体温度 65 时 除非按传热计算或试验确定有较低的平均温度 管道组成件的设计温度应不低于以下值 阀门 管子焊接件等 95 流体温度 法兰 除松套法兰 包括在管线和阀门上的法兰 90 流体温度 松套法兰 为流体温度的85 法兰紧固件 为流体温度的80 4 外保温管道 设计温度根据1及2确定 5 内保温管道 设计温度根据传热计算或试验确定 6 非金属材料衬里的管道 设计温度取流体最高工作温度 companylogo 21 a 设计压力 为压力容器的设计载荷条件之一 其值不低于最高工作压力 设计压力应视内压或外压容器分别取值 容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压 容器设计参数的确定 companylogo 22 设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定 companylogo 23 计算压力 是指在相应设计温度下 用以确定元件最危险截面厚度的压力 其中包括液柱静压力 通常情况下 计算压力 设计压力 液柱静压力 当元件所承受的液柱静压力 5 设计压力时 可忽略不计 companylogo 24 companylogo 25 c还应考虑的问题 当环境发生变化时 管道设计应采取一定措施 例如 管道中的蒸汽冷却时 应确定压力降低值 当管内产生真空时 管道应能承受低温下的外部压力 或采取破坏真空的预防措施 管道组成件应能够承受或消除因静态流体受热膨胀而增加的压力 当管道温度低于0 时 应防止切断阀 控制阀 泄压装置和其它管件的活动部件外表面结冰 管道还应能承受动力载荷 例如 管道内部或外部条件引起的水力冲击 液体或固体的撞击等冲击载荷 风载荷 水平地震力 管道振动 流体减压或排放所产生的反作用力等 companylogo 26 管道所承受的静荷载 包括固定荷载和活荷载 活荷载 包括输送流体的重力或试验用流体的重力 寒冷地区的冰 雪重力及其他活动的临时荷载等 固定荷载 包括管道组成件 隔热材料以及由管道支撑引起的其他永久性荷载 设计中应分析热膨胀或收缩的影响 例如 管道由于被约束 发生热膨胀或冷缩而产生的作用力和力矩 由于管壁温度急剧变化产生的管壁应力及荷载 复合或衬里管道 因膨胀或收缩量不同而产生的荷载等 companylogo 27 应避免管道受压力循环荷载 温度循环荷载以及其他循环交变荷载所引起的疲劳破坏 设计中 应把管道支架和连接设备的位移应作为计算的条件 包括设备或支架的热膨胀 地基下沉 潮水流动 风载荷等产生的位移 应注意不要超过材料韧性的允许范围 例如 当流体温度低于 191 时 选择管道材料和隔热材料时 应注意到空气会出现冷凝和氧气浓缩等现象 companylogo 28 二 设计基准 1 压力 温度等级管道组成件允许工作压力与工作温度有关 对同一材料而言 允许工作压力伴随温度的升高而降低 在设计中必须掌握管道件的压力 温度等级 以方便地确定或验证管道件的允许工作压力或工作温度 管件的公称压力 一般表示该管件在某一基准温度下的最大许用工作压力 companylogo 29 companylogo 30 对于只标明公称压力的组成件 包括阀门 管件等 除非另有规定 在设计温度下的许用压力可按下列公式计算 pa 设计温度下的许用压力 mpa pn 公称压力 mpa 设计温度下材料的许用应力 mpa 确定pn时用的基准温度下的材料许用应力 mpa companylogo 31 对于国家标准中没有规定压力 温度等级及公称压力的管件用设计温度下材料许用应力及组成件的有效厚度 名义厚度减去所有厚度附加量 计算确定 对于焊接管道组成件用材料许用应力按附录a取值 并乘以焊接接头系数 许用剪应力为附录a中材料许用应力的0 8倍 支撑面的许用压应力为附录a中许用应力的1 6倍 companylogo 32 companylogo 33 应根据焊接接头的形式 焊接方法和焊接接头检验要求确定 无损检测指采用射线或超声波检测 焊接接头系数 companylogo 34 接头形式 无损检测要求及长度比例 焊缝缺陷 夹渣 未熔透 裂纹 气孔等 焊缝热影响区晶粒粗大 母材强度或塑性降低 薄弱环节 容器焊接接头系数 焊缝金属与母材强度的比值 反映容器强度受削弱的程度 影响因素 companylogo 35 companylogo 36 容器许用应力 容器壳体 封头等受压元件的材料许用强度 取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数 又称安全系数 之比 companylogo 37 对韧性材料 按弹性失效设计准则 屈服点为基准 同时用抗拉强度作为计算许用应力的基准 防止断裂破坏 同时考虑基于高温蠕变极限 或持久强度 的许用应力 原因 即 或 钢制压力容器用材料许用应力取值方法 companylogo 38 钢制压力容器用材料许用应力的取值方法 companylogo 39 材料设计系数 保证受压元件强度有足够的安全储备量 取值 应力计算的精确性 材料性能的均匀性 载荷的确切程度 制造工艺 使用管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系 理论 实践经验积累 companylogo 40 5 3 3管子 管件在压力作用下的强度计算 companylogo 41 对于直管当其计算壁厚s小于管子外径d0的1 6时计算壁厚设计壁厚其中名义壁厚sn 为设计壁厚向上圆整后的壁厚值 即最终确定的管子的壁厚 p 设计压力 mpa d0 管子外径 mm t 设计温度下管子材料的许用应力 mpa 焊接接头系数 一 直管的壁厚计算 companylogo 42 有效壁厚se 名义壁厚sn c系数y 系数 对于铸铁材料y 0 其它见表 系数y值 当计算壁厚 管子外径d0的1 6时 companylogo 43 普通钢管厚度负偏差 采用钢板或钢带卷制的焊接钢管 其负偏差就是钢板 钢带的负偏差 companylogo 44 腐蚀速度小于0 05mm a时 单面腐蚀取c2 1 1 5mm 双面腐蚀c2 2 2 5mm 当管子外面涂防腐漆时 可认为是单面蚀 当管子内外壁均有较严重腐蚀时 则为双面腐蚀 当介质对管子材料的腐蚀速率大于0 05mm a时 则应根据腐蚀速度和使用年限决定c2值 管子腐蚀和磨蚀减薄量c2 companylogo 45 1 厚度计算式 由中径公式 0 4 t 计算厚度 mm pc 计算压力 mpa 焊接接头系数 条件 pc 2 强度判别 式中 e 有效厚度 e n c mm n 名义厚度 mm c 厚度附加量 mm t 设计温度下圆筒的计算应力 mpa 容器 gb150 companylogo 46 3 筒体最大允许工作压力 pw mpa companylogo 47 随径比k的增大而增大 内壁实际应力强度是按中径公式计算的应力强度的1 25倍 companylogo 48 由gb150 取ns 1 6 若筒体径比不超过1 5 仍可按式中径公式计算筒体厚度 液压试验 pt 1 25p 时 筒体内表面的实际应力强度最大为许用应力的1 25 1 25 1 56倍 1 6 说明筒体内表面金属仍未达到屈服点 处于弹性状态 pc 0 4 t 当k 1 5时 di k 1 2 0 25di 代入式中径公式得 这就是中径公式的适用范围pc 0 4 t 的依据所在 companylogo 49 二 弯管的壁厚计算 弯管在介质内压作用下 如果管壁厚沿圆周相同 且无椭圆度情况下 弯管内侧应力较高 外侧较低 弯管破坏应发生在管子的内侧 采用直管煨制成弯管后 一般管子外侧壁厚减薄 而内侧增厚 横截面产生一定椭圆度 致使应力分布发生变化 外侧往往应力较高 内侧应力较低 与直管相比较 弯管外侧壁内实际环向应力仍然比直管大 内侧壁内环向应力比直管小 且应力值的大小与弯管的曲率半径有关 而弯管的径向应力与直管相比较 没有变化 companylogo 50 煨制弯管壁厚计算公式为 带入直管设计壁厚计算公式 r 弯管的弯曲半径 mm 煨制弯管时 管横截面外侧受拉 内侧受压 产生的椭圆度e gb50235 97 工业金属管道工程施工及验收规范 规定 输送剧毒流体的钢管或设计压力p 10mpa的钢管 椭圆度e不大于5 输送剧毒流体以外或设计压力小于10mpa的钢管 椭圆度e不大于8 companylogo 51 5 3 4支管连接的补强 补强措施 对开孔进行补强圈补强 整体补强或采用三通连接 gb150 1998规定了适用的开孔范围 当主管内径1500mm时 开孔最大直径不大于主管内径的1 3 不大于1000mm companylogo 52 a 设计压力小于或等于2 5mpa b 两相邻开孔中心间距 对曲面间距以弧长计算 应不小于两孔直径之和的两倍 c 支管外径小于或等于89mm d 支管最小壁厚满足下表要求 当开孔符合以下全部要求时 开孔可不补强 支管最小壁厚 mm companylogo 53 有效补强范围和补强面积的确定与计算采用等面积补强法 即 使补强的金属量等于或大于开孔所削弱的金属量 补强金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积 必须等于或大于主管由于开孔而在这个纵截面上所削弱的正投影面积 补强有效区域 companylogo 54 补强计算示意图 支管轴线与主管轴线的夹角 的范围为45 90 companylogo 55 a 确定主管有效补强区范围b补强区的有效宽度取下两式中的较大值 b 2d1b d1 2 se1 se2 b 确定支管有效补强区范围hh取下两式的较小值 h 2 5se1h 2 5se2 sr c 计算有效补强面积a2 a3 a4主管的补强面积a2 2b d1 se1 so1 mm2支管的补强面积a4为管子纵截面上熔积金属的面积以及补强增加的金属面积 主管开孔的补强计算方法如下 companylogo 56 d 计算需要补强的面积a1在内压作用下在外压作用下 e 补强核算若a2 a3 a4 a1则开孔不需要补强 否则需要另行补强 se1 主管有效壁厚 mm se2 支管有效壁厚 mm so1 根据壁厚计算公式得到的主管计算壁厚 mms02 根据壁厚计算公式得到的支管计算壁厚 mmsr 补强板有效壁厚 mm b 主管有效补强区 mm h 支管有效补强区 mm d1 支管外径减去2倍支管有效壁厚 mm companylogo 57 开孔和开孔补强设计 压力容器设计designofpressurevessels companylogo 58 主要内容 补强结构 开孔补强设计准则 允许不另行补强的最大开孔直径 等面积补强计算 接管方位 companylogo 59 开孔带来的问题 削弱器壁的强度 产生高的局部应力 companylogo 60 平板在两向拉力作用下 开大孔时孔边受力情况 companylogo 61 平板在两向拉力作用下 开小孔时孔边受力情况 companylogo 62 一 补强结构 补强结构 局部补强 整体补强 补强圈补强 厚壁接管补强 整锻件补强 companylogo 63 1 补强圈补强 结构 补强圈贴焊在壳体与接管连接处 见 a 图 优点 结构简单 制造方便 使用经验丰富 a 补强圈补强 缺点 1 与壳体金属之间不能完全贴合 传热效果差 在中温以上使用时 存在较大热膨胀差 在补强局部区域产生较大的热应力 2 与壳体采用搭接连接 难以与壳体形成整体 抗疲劳性能差 companylogo 64 补强圈补强 companylogo 65 中低压容器应用最多的补强结构 一般使用在静载 常温 中低压 材料的标准抗拉强度低于540mpa 补强圈厚度小于或等于1 5 n 壳体名义厚度 n不大于38mm的场合 应用 hg21506 92 补强圈 jb t4736 2002 补强圈 标准 companylogo 66 结构 在开孔处焊上一段厚壁接管 见 b 图 特点 补强处于最大应力区域 能更有效地降低应力集中系数 接管补强结构简单 焊缝少 焊接质量容易检验 补强效果较好 b 厚壁接管补强 高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高 一般都采用该结构 但必须保证焊缝全熔透 应用 companylogo 67 厚壁接管补强 companylogo 68 c 整锻件补强 3 整锻件补强 整体锻件 companylogo 69 整锻件补强 companylogo 70 companylogo 71 companylogo 72 companylogo 73 该法要求带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同 2 极限分析补强 定义 companylogo 74 三 允许不另行补强的最大开孔直径 上述因素相当于对壳体进行了局部加强 降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力 因此 对于满足一定条件的开孔接管 可以不予补强 companylogo 75 gb150规定 在设计压力 2 5mpa的壳体上开孔 两相邻开孔中心的间距 对曲面间距以弧长计算 大于两孔直径之和的2倍 且接管公称外径 89mm时 只要接管最小厚度满足表4 14要求 就可不另行补强 不另行补强的接管最小厚度mm 接管公称外径 最小厚度 companylogo 76 且d 1000mm companylogo 77 companylogo 78 a 内压圆筒或球壳 4 76 式中a 开孔削弱所需要的补强面积 mm2 d 开孔直径 圆形孔 d dit 2cdit 接管内直径 椭圆形或长圆形孔 取所考虑平面上的尺寸 弦长 包括厚度附加量 mm 2 所需最小补强面积a companylogo 79 壳体开孔处的计算厚度 mm et 接管有效厚度 et nt c mm fr 强度削弱系数 等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比 当该值大于1 0时 取fr 1 0 companylogo 80 companylogo 81 companylogo 82 companylogo 83 companylogo 84 companylogo 85 4 3 5开孔和开孔补强设计 图4 38有效补强范围示意图 b 过程设备设计 companylogo 86 companylogo 87 companylogo 88 开孔所需最小补强面积主要由d 确定 当在内压椭圆形封头或内压碟形封头上开孔时 则应区分不同的开孔位置取不同的计算厚度 五 接管方位 companylogo 89 在80 以外开孔 按椭圆形封头的厚度计算式 4 45 计算 开孔在椭圆形封头上 4 85 式中 k1为椭圆形长短轴比值决定的系数 由表4 5查得 标准椭圆封头 k1 0 9 4 45 开孔位于以椭圆形封头中心为中心 80 封头内直径的范围内 中心部位可视为当量半径ri k1di的球壳 若为标准椭圆封头 k 1 4 46 companylogo 90 开孔位于封头球面部分内 取式 4 49 中的碟形封头形状系数m 1 开孔在碟形封头上 此范围之外 按碟形封头的厚度计算下式计算 companylogo 91 若椭圆孔的长轴和短轴之比不超过2 5 一般仍采用等面积补强法 非径向接管 尽可能采用径向接管 原因 圆筒或封头上须开椭圆形孔 应力集中系数增大 抗疲劳失效的能力降低 非径向接管的开孔补强计算 companylogo 92 5 3 5平盖的强度计算 在管道端部 常有需要焊接平盖 盲板 的情况 根据平盖的结构及其与管端焊接的结构不同 平盖的厚度是不同的 对于无拼接焊的平盖 其厚度计算公式 计算壁厚 设计壁厚 tpd 平盖的设计壁厚 mm tp 平盖计算壁厚 mm di 管子内经 mm k1 与平盖结构有关的系数 p 设计压力 mpa t 设计温度下材料的许用应力 mpa c 壁厚附加量 c c1 c2 mm companylogo 93 平盖结构形式系数 companylogo 94 5 4管径的确定及压力降计算 comp