压力管道培训班管机张西平协会PPT课件.ppt

管道应力分析主讲 张西平华陆工程科技有限责任公司联系电话 029 87988860主办 中国石油和化工勘察设计协会 压力管道设计审批人员培训班 1 一 管机专业的职责 1 负责对规定范围内的管系进行应力分析 静力分析 动力分析 2 负责对重要管线的壁厚进行计算 包括特殊管件的应力分析 3 负责对敏感设备 机泵 空冷器 透平等 管口受力进行校核计算 4 负责对装置内的管道进行管架设计 5 审查供货商提供的有关文件 6 编制 修定专业标准 规范 规定和手册等基础工作 7 编制应力分析及管架设计工程规定 8 本专业人员技能的培训 9 设计进度 质量及人工时控制 10 参加现场技术服务 2 二 管道机械专业 应力分析 常用的标准规范 1 GB T20801 1 6 2006 压力管道规范工业管道 2 GB50316 2000 2008版 工业金属管道设计规范 3 HG T20645 1998 化工装置管道机械设计规定 4 SH T3041 2002 石油化工企业管道柔性设计规范 5 GB150 2011 压力容器 6 JB T8130 1 1999 恒力弹簧支吊架 7 JB T8130 2 1999 可变弹簧支吊架 8 GB50251 2003 输气管道工程设计规范 9 GB50253 2003 输油管道工程设计规范 10 GB T12777 2008 金属波纹管膨胀节通用技术条件 3 二 管道机械专业 应力分析 常用的标准规范 11 ASME ANSIB31 1 PowerPiping12 ASME ANSIB31 3 ProcessPiping13 ASME ANSIB31 4 LiquidTransmissionandDistributionpipingsystems14 ASME ANSIB31 8 GasTransmissionandDistributionpipingsystems15 API610 离心泵16 NEMASM23 透平17 API617 离心式压缩机18 API618 往复式压缩机19 API661 空冷器20 ANSI B31 1 APIRP520 安全阀 爆破膜 4 三 工程设计阶段管机专业的任务 1 初步设计 基础工程设计阶段 1 编制工程设计规定 应力分析 管架设计 四级签署 2 参与设备布置工作 3 对主要管线的走向进行应力分析和评定 4 必要时编制技术风险备忘 5 三 工程设计阶段管机专业的任务 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 6 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 同时包括应力分析管道的所有内容 往复式压缩机 往复泵管系的动力分析 四级 安全阀 爆破膜泄放反力计算 向结构 建筑专业提出荷载条件 向设备专业提出管口荷载 支承预焊件条件 编制管架表 绘制非标管架图 编制管架综合材料表 编制弹簧架采购MR文件及弹簧支吊架技术数据表 编制柔性件 膨胀节 软管等 采购MR文件及技术数据表 管架施工安装说明 7 四 应力的基本概念 1 正应力 正应力是作用在材料晶体结构正面方向的应力 2 管子轴向应力 轴向应力就是作用于平行管子轴线的正应力 3 周向应力 是在管子中出现的另一类正应力 它的方向是垂直于轴向的 其中之一就是内压引起的正应力叫做周向应力 周向应力的方向平行于管壁圆周的切线方向 4 径向应力 径向应力是作用在管壁上的第三种正应力 它与管子的半径方向平行并作用于第三垂直方向上 径向应力是由内压引起的 5 剪应力 剪应力作用在与材料晶体结构平面相平行的方向 并且可能使晶体相毗邻的平面相互产生滑动的趋势 剪应力的产生不仅仅是一种载荷引起的 8 四 应力的基本概念 6 疲劳破坏 管子和容器在正常服务使用数年后 发生了突然的断裂 对于此现象的较好解释是材料的疲劳破坏 这是由于在循环载荷的作用下 材料晶体水平结构平面上的裂痕在扩大而产生的结果 7 位移应力范围 F 安全系数 循环次数减少系数 SYc 材料在冷 装配 温度下的屈服应力 SYh 材料在热 操作 温度下的屈服应力 8 管道纵向应力计算纵向应力计算 9 五 为什么进行管道应力分析 1 计算管道中的应力并使之满足标准规范的要求 保证管道自身的安全 包括防止法兰泄漏 2 计算管道对与其相连的机器 设备的作用力 并使之满足标准规范的要求 保证机器 设备的安全 设备管口荷载符合制造商或公认的标准 如NEMASM23 API610 API617 3 为使与管道相连接的容器应力保持在ASME第八部分的许用范围内 4 为计算出各种支撑和约束的设计荷载 5 为确定因各种冲击荷载所导致的管道位移 6 解决管道动力学的问题 例如 机械振动 声频振动 流体锤 脉动 瞬间流动 安全阀的排放 7 优化配管设计 减轻荷载或节约材料 10 六 编制管道应力分析技术统一规定 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 压力等技术条件的确定方法 4 分析中需要考虑的荷载及计算方法 5 管道应力分析使用的软件 6 项目中需要进行详细应力分析的管道类别确定 7 管道应力的安全评定条件 8 机器 设备的允许荷载或遵循的标准 9 防止法兰泄漏的条件 10 膨胀节 弹簧等特殊元件的设计和选用要求 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 14 其他要求 11 七 初步应力分析及审查的主要内容 1 审查内容 1 查看一次应力和二次应力的校核结果 2 查看安装状态和操作状态的位移 3 查看机器 设备的受力 4 查看支吊架的受力 5 查看弹簧表 12 七 初步应力分析及审查的主要内容 2 通常存在的问题 1 一次应力超标 缺少支吊架 2 二次应力超标 管道柔性不足或三通需加强 3 冷态位移过大 缺少支吊架 4 热态水平位移过大 缺少固定点或 形弯 管托应加长 增加导向架 5 机器 设备受力过大 管道柔性不足 支吊架设置不合理 6 固定支架 限位架水平受力过大 固定点 限位点位置选择不当或管道柔性不足 7 支吊点垂直力过大 考虑采用弹簧支吊架 8 支吊点脱空 考虑采用弹簧支吊架 9 弹簧荷载 位移范围选择不当 人为进行调整 10 计算工况组合不当 人为进行调整 13 八 规范对确定详细应力分析的要求 GB50316GB T20801ASMEB31 3HG T20645SH T3041规范对确定详细应力分析的要求 14 九 管机各种文件应包含的内容 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 10米高度基本风压值 地震烈度 雪荷载 土壤的化学 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 15 九 管机各种文件应包含的内容 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 16 九 管机各种文件应包含的内容 3 临界管线表 17 九 管机各种文件应包含的内容 4 应力分析 18 九 管机各种文件应包含的内容 A 静力分析包含的内容a 压力 重力等荷载作用下的管道一次应力计算及评定 防止管道塑性变形破坏 b 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及评定 防止疲劳破坏 c 管道对机器 设备作用力的计算及评定 防止作用力太大 保证设备正常运行 d 管道支吊架的受力计算 为支吊架设计提供依据 e 管道上法兰的受力计算 防止法兰泄漏 f 管系位移的计算 防止管道碰撞 g 两相流及液击冲击载荷计算 为支吊架结构和本体设计提供依据 19 九 管机各种文件应包含的内容 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 20 十 管系动力分析的要点 动力分析要点a 振源b 机器动平衡差 修改基础设计 21 十 管系动力分析的要点 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为进口管容积之和的三倍 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 3 5mm孔板位置 在较大缓冲罐的进出口均可 22 十 管系动力分析的要点 d 减少激振力 减少弯头 三通 异径管等管件 改EL90为弯头EL45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 Wo 激振频率 角频 通常W1应避开0 8Wo 1 2Wo的区域 在工程中最好避开0 5Wo 1 5Wo的范围 这样振幅较小 23 十 管系动力分析的要点 2 通常W1应在Wo 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 24 十 管系动力分析的要点 4 控制压力脉动注 此为原苏联标准 25 十一 其它管系分析的要点 1 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 容器支耳2 支管补强计算 降低局部应力 等面积补强 WRC329 3 动设备管口许用荷载校核 API610 API617 NEMASM23 API661 4 夹套管管端结构 26 十一 其它管系分析的要点 5 往复式机泵动力分析6 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 安全阀7 结构 荷载条件 F 1000Kgf M 750Kgf BfBf 梁翼缘宽度 需要提条件给土建 沉降量的考虑 储罐抗震措施8 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设备管口承载能力表插图 27 十一 其它管系分析的要点 9 编制弹簧架表 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 10 编制柔性管件 膨胀节 软管等 技术特性表 28 十二 管道支吊架设计 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 插图d 滚动支架 采用滚筒支承 摩擦力较小 29 十二 管道支吊架设计 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 30 十二 管道支吊架设计 31 十二 管道支吊架设计 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 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时的水平管道支架间距进行圆整 32 33 十二 管道支吊架设计 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 34 十二 管道支吊架设计 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 35 十二 管道支吊架设计 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 36 十二 管道支吊架设计 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 37 十二 管道支吊架设计 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 38 十二 管道支吊架设计 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 39 十二 管道支吊架设计 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 40 十二 管道支吊架设计 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