管道应力分析设计技术规定

1、管道应力分析设计技术规定1. 总则1.1概述1.1.1管道应力计算主要验算管道在内压、持续外载作用下的一次应 力和由于热胀、冷缩及其它位移受约束产生的二次应力，以判明所计算 的管道是否安全、经济、合理；计算管道由于热胀、冷缩及其它位移受 约束和持续外载作用产生的对设备的推力和力矩，以判明是否在设备所 能安全承受的范围之内。1.2范围1.2.1下列范围的管道必须通过计算机计算：(1)管径大于等于dn150,且设计温度大于等于230°c或低于2(rc的所有管线。(2)设计温度大于等于340°c的所有管线。(3)管径大于等于dn100,且操作温度大于等于230°c或低于

2、2(rc的所有泵的进出口管线。(4)汽轮机进、进口连接的管道。(5)离心压缩机进、出口连接的管道。(6)往复压缩机进、出口连接的管道。(7)有关规范中规定要进行应力计算的管道。1.2.2下列范围内(除1.2.1条规定之外)的管道一般应通过目测、手工简易计算进行应力分析，在判断困难时，仍应通过计算机计算：（1）管径大于、等于dn400的管道。（2）连接到压力容器的重要管道。（3）所有由工艺专业提出的重要管道和内部绝热管道。（4）所有铝及铝合金的管道。（5）管道支撑点或与管道相连的设备、建构筑物基础可能过度 下沉的管道。（6）夹套管。（7）管道应力分析人员选定的管线。（8）安全阀放散管。1. 2.

3、 3 下列管道可不再进行应力计算（1）与运行良好的管道柔性相同或基本相当的管道。（2）和已分析的管道比较，确认有足够柔性的管道。2. 设计条件和设计标准2.1设计条件2.1.1管道应力计算空视草图由配管人员绘制后提交给管道应力计算人员。格式见附件5.l 2.1.2管道应力计算必须具备的基础数据（1）管道计算压力（a）条管道的计算压力不应小于在操作中可能遇到内压或外 压与温度相偶合时的最严格情况下的压力（即确定的设计压力）。（b）如果管系与其压力泄放装置之间的通路可能被堵塞或隔离,则此管系应按不低于在上述情况下可能产生的最大压力计算。(c) 管道计算压力不应小于选定的事故压力或最大操作压力。所谓

4、事故压力是指在操作中可能遇到的压力与温度相偶合时的最 严格情况下的压力。而操作压力则为系统处在正常操作情况下的压力。(2)管道计算温度设计温度应不低于操作过程中压力和温度相偶合时的最严格情况 下的材料温度。不同金属管道计算温度取法如下：(a) 不绝热的金属管道流体温度在38£以下时，取流体温度；流体温度在38工或以上时，取试验或传热计算确定的平均壁温。(b) 外部绝热的金属管道取计算、预先试验或根据测量所得的操作经验证明可以使用的温度。取流体温度。凡是采用伴管、夹套加热，在确定计算温度时应把这种加热影响考虑在内。(c)内部绝热衬里的金属管道，取传热计算或试验所得的金属温度。(d)在确

5、定计算温度时，应同时考虑使用柔性温度。(e)管道设计安装温度，当工艺系统专业未特别提出数据时,均采用20°co2. 2设计标准2. 2.1国外材料采用美国国家化工厂和炼油厂管道(asme b31.3) 标准。2.2.2国内材料采用gb50316-2000工业金属管道设计规范。3. 管道应力分析程序及其方法3.1管道应力分析程序目前，我院的管道应力计算程序主要有两种，一种是从美国coade 公司引进的caesarii程序，另一种是我院自行开发的等值刚度法计算 程序。这里主要介绍caesarii管道应力分析程序。该程序是进行管道静力分析和动力分析的专有程序，功能相当齐 全，可在微机上运算

6、。该程序不仅可计算管道由内压、自重、热膨胀和 端点位移等荷载所产生的应力和各点位移，还可考虑管道的非线性约 束，例如管道与支架之间的摩擦力，限位支架的间隙等。可计算有波形 补偿器的管道，计算管道与设备连接的管嘴柔性和设备管嘴处的局部应 力。可把管架与管道作为一个整体进行应力分析和对法兰连接进行泄漏 的分析验算等。该程序还具有灵活的荷载组合和图形显示功能。程序还 可按指定的各种国际通用规范进行计算。caesarii程序虽然可考虑摩擦力，但计算时要经过多次循环，有时 形成死循环计算不出结果，此时需要人工考虑。在转动设备附近有时设置限位支架或固定支架以阻止管道传来的 推力作用在转动设备上。在程序中往

7、往假设此支架的刚度非常大。如果 支架的实际刚度小，受力后有较大的变形，转动设备仍可能受力很大。caesarii程序为线弹性分析程序，程序中往往未考虑应力松弛和应 力自平衡，因此程序给出的固定点推力可能比实际的推力大。3.2管道应力分析方法管道应力分析一般采用计算机程序进行分析，对于一些简单的管线 可采用手工计算的方法，这里主要介绍caesarii程序的操作方法。3.2.1使用caesarii前的准备工作(1) 准备尺寸齐全的管网计算模型简图。(2) 进行节点node和单元element编号。(3) 准备各管道，管件的有关尺寸和材质特性参数。(4) 确定边界条件：各部件的约束条件。3.2.2上机

8、使用caesar ii软件(1)主菜单caesar ii version 3. 191. input数据输入a. structural input 结构输入2. statics静力分析b. buried pipe input 埋地管输入3. dynamics动力分析c. wrc297,sifs,flanges 应力加强，法兰4. output 输入d. wrc1075. files/jobnane 文件/工作名e. rotating equipment 转动设备6. jobname工作名f. 2-d plotting 2d 绘图7. utilities t具g. aisc unity chec

9、ks aisc 检查& exit dos 退到 dosh. change units 改变单位9. configure-setup 配置i. ascii editor 文本编辑-设置j. system check 系统检查option<? help>96（2）数据输入通过选项5或选项6选择工作名和建立工作名，再选择选项1即进入数据输入屏。from noderestraints(y/n)to nodedisplacements(y/n)dxforces/moments(y/n)dyuniform loads(y/n)dzwind loads(y/n)offsets(y/n)d

10、iameterallow. stress(y/n)wt/schsifs & tees(y/n)insul thktemp#1corrosiontemp#2bend(b/y/n)temp#3rigid(y/n)rpessureftlexp jt(y/n)pressure#2material#elastic modpois. ratiopipe wgtinsul wgtfluid wgtmov cont fnd ins del break title plot lst hgr valve expjt kaux ?helpupdate quit输入屏中各单元含义如下：from node单元始

11、节点to node单元终节点dx dy dz单元在x, y, z坐标轴上的投影长度diameter管子外径wt/sch保温（或保冷）厚度corrosion管子腐蚀裕量bendto node处是否有弯管rigid当前单元是否是刚性元件exp jt当前单元是否是波形膨胀节material单元材质elastic mod杨氏弹性模量pois. ratio泊松比pipe wgt管材密度insul wgt保温材质密度fluid wgt流体密度restraints有无约束displacements有无附加位移forces/moments有无集中力和力距uniform loads有无均布荷载wind lona

12、ds有无风荷载offsets有无偏离值allow. stress是否要输入许用应力sifs & tees是否要输入多路管线交叉点temp #温度pressure #压力move快速翻页cont往下翻一页fnd查找某页ins插入一页del删除一页plot呈图lst列出输入数据? help帮助quit退出kaux用于检查程序生成的应力加强系数和弯 管、三通的柔度，或设置程序运行的控制 参数。hgr输入弹簧支吊架数据update将输入数据存盘(3) 计算数据输入完成后即可进行静力计算，如有必要还可进行动力计算。 3.2.3阅读计算结果计算完成后可直接进入计算输出，也可通过选项4进入。计算结果

13、 包括以下内容：(1) 位移报表(displacement report)包括冷态管道各点位移(sus工况)和热态管道各点位移(ope工 况)。(2) 约束点受力报表(restraint report)包括设备管口、支吊架、弹簧支吊架等约束点受力情况。对于约束 所受力矩，按右手螺旋定则，大拇指指向，沿坐标轴正方向为正，沿坐 标轴负方向为负。常见的约束类型如下：rigid ang刚性固定(或设备管口)rigid gui刚性导向rigid +y活动支架rigid +y/rigid gui导向支架rigid xx方向双向限位rigid +x+x方向限位displ. reaction设备管口附加位移v

14、sh redesign可变弹簧支吊架prog design csh恒力弹簧支吊架(3) 应力报表(stress summary)一次应力校核(sus工况)和二次应力校核(expt况)：应力报表的首页列出管线的最大计算应力点，如果许用应力 (allowable)大于或等于计算应力(code stress),则应力校核通过, 否则需调整管线重新计算。(4) 弹簧支吊架报表(hanger report)该报表包括弹簧号、弹簧个数、位移方向和位移量、热荷载、安装 荷载、弹簧刚度、水平位移等数据。由于弹簧标准采用国外标准，故弹 簧号、安装荷载、弹簧刚度须根据国内标准作相应调整。报表中含有各种荷载工况(l

15、oad cases analyzed),典型工况组合 有以下三种：(ope) w+dis+t+p+for通常指热态，含管系操作条件下的全部荷载。(sus) w+p+for通常指承载状态，不含热膨胀和附加位移(注：计算应力与热态许 用应力相比较)(exp) d3=d1-d2指纯温度状态，即只含温度荷载和附加位移荷载(注：计算应力与 许用应力相比较)工况组合中荷载表示如下：w自重dis附加位移t温度p压力for集中力4管道应力计算结果4.1管道应力计算数据表管道应力计算结束后，管道应力计算人员应将计算结果摘抄到管道 应力计算数据表后提交给有关专业（配管、设备等专业）人员，管道应 力计算数据表格式详

16、见附件5. 2。4.2应力计算的安全性判断正确的管道应力分析是确保管道安全的重要部分，此外正确选用管 材和配件以及它们的制造质量、施工及焊接质量等也是重要的。在应力 分析中应考虑以下各点：4.2.1由内压而产生的环向应力不得大于其最高设计参数下的许用应 力。4.2.2受外压的管道应核算管璧的稳定性，以及是否需要增设加强筋 以提高其稳定性。4.2.3经常性荷载，即内压、管道自重和经常作用于管道上的其他荷 载（不包括热胀和端点位移），在管道上所产生的纵向应力不得大于其 在最高设计参数下的许用应力。4.2.4偶然性荷载，如风力、地震等荷载、与经常性荷载相组合，其 纵向应力不得大于在最高设计参数下许用

17、应力的1.33倍。风力和地震 作用可不考虑同时发生。4.2.5热胀和端点位移所产生的应力不大于在最高设计参数下的许用 应力范围。当经常性荷载所产生的纵向应力小于许用应力时，其多余部 分可加在许用应力范围内使用。4. 2. 6管道对设备的作用力和力矩不得大于该设备允许的力和力矩。4. 2. 7管道上法兰所承受的由管道自重和热胀等产生的力和力矩。折 合成当量压力后，校核法兰的承载能力，使之不致泄漏。4.2.8安全阀管道应能承受安全阀排放时流体的冲击及其反作用力。4.2.9与往复式机泵连接的管道，由于流体脉动而产生的反复应力不 得大于50mpa,与经常性荷载产生的纵向应力组合后不得大于最高设计 参数

18、下的许用应力。4. 2.10管道的支吊架应满足管道应力分析结果所提出的要求，例如强 度、刚度、固定或限位的功能和摩擦系数等。4.2.11用计算机进行计算时，在计算程序中未考虑的因素，在设计过 程中也应加以考虑。例如：摩擦力的影响，两相流的影响和支吊架之间 荷载的分配偏差等。4.2.12管道上所选用的管件和阀门应满足最高设计参数的要求。4.3典型设备的管口推力限制为了保证汽轮机、透平压缩机和泵能长期平稳运转，必须考虑与这 些运转设备相连接的管道端点的推力和力矩。4. 3.1作用于汽轮机、透平压缩机上的管端载荷(1) 对于每一个接管上的力和力矩的校核3f+3. 28mw89. 29d式中：f与接管

19、相连的管道端点对此接管推力的合力,kgf；m与接管相连的管道端点对此接管的合力矩，kgf-m；d接管直径，cm；当 dnw20cm 时，取 d二dn, cm；40+dn当 dn>20cm 时，取 d二dn管道的公称直径，emo(2) 对汽轮机、透平压缩机整体的管端载荷的校核 (a)基准点的选择校核汽轮机、透平压缩机整体的管端载荷时，首先要选择一个基准点，此基准点为汽轮机排放管中心线与机体轴线的交点。(b)基准点确定以后，可将作用于各个接管的力和力矩综合到基准点处(见图41)。7图4-1作用于基准点的载荷具体方法如下:nnmcx= 2 mxi+e (fzi yi_fyi zi)i=li=l

20、nnmcy 工 my i+e (fxi zifzi xi)i=li=lnnmcz=为 mzi+s (fyi xifxi yi)i二 1i二 1nfcx二 s fxsi=lnfcy= y fyii=lfcz=工 fzii=l式中:mcx-垂直于x轴平面内的合力矩分量，kgf m；mcy垂直于y轴平面内的合力矩分車，kgf m；mcz垂直于z轴平面内的合力矩分里，kgf m；fcx一所有接管上的合力在x轴上的分量，kgf；fey所有接管上的合力在y轴上的分里，kgf；fez -所有接管上的合力在z轴上的分量，kgf；1-一下标，指某一根接管。求作用于基准点的合力和合力矩：wm2cx+m2cy<

21、;zw“+f：,+f 寫式中:me所有接管上的管端推力和力矩合成到基准点上的合力矩，kgfm；fc-所有接管上的管端推力合成到基准点上的合力，kgfo（c）在图4一1中，合成了的力和力矩必须符合下列要求：2fc+3. 28mcw44. 64dc式中：de-当車直径，cm。各接管截面之和令dh=cm；0. 785当 dhw22 5cm 时，取 dc=dh, cm；45+dh当 dh>22. 5cm 时，取 de二,cm03(4)图41中合力和合力矩的分量必须符合下列要求：fexw& 93dcmcxw13. 58dcfey w22. 33dcmey w6 79dcfczw17. 86dcmczw6. 79dc4. 3. 2作用于泵接管上的管端载荷与泵连接的管端推力和力矩，可按表4-1的要求进行校核。表4 1适用范围如下：(1) 钢体泵或合金钢体泵。(2) 泵接管公称直径不得大于300mm。泵管口管端载荷的限制范围表41力kgf或 力矩kgfm泵接管公称直径dn,mmw5070100150200250300每个顶部接