管道应力分析-孙学军

1、管道应力分析管道应力分析主主 讲：孙学军讲：孙学军电电 话话:-mail：压力管道设计审批人员培训班压力管道设计审批人员培训班主办：石油天然气储运技术中心站主办：石油天然气储运技术中心站2主要内容主要内容管道应力分析基本理论埋地管道应力分析管道振动分析技术3Man-hours4000500002000000l 先看一组数据先看一组数据与与6060年代相比年代相比增加增加500500倍倍与与6060年代相比年代相比增加增加1010倍倍l为什么？为什么？1960年与现在相比，一个化工厂和核电厂管道应力分析所需人工时。年与现在相比，一个化工厂和核电厂管道应力分析所需人工时。

2、 数据来源：数据来源：PIPE STRESS ENGINEERING（L.C. PENG）4管道应力分析基本理论主要内容主要内容一.管道应力分析基础知识介绍二.应力分析标准详解三.管道跨距计算四.管道柔性分析五.管道支吊架设计5一.管道应力分析基础知识介绍管道应力分析的目的、范围、内容管道受到的载荷、变形及失效形式材料的物理性能及强度理论基本概念6管道应力分析的目的、范围、内容目的：保证管道结构的整体安全各种设计载荷作用下管道的应力在规范的许用范围内。保证管道系统运行正常动（静）设备管口载荷符合制造商或公认标准的要求；避免法兰等连接件泄露；避免管道位移量过大，影响其它设备或管道的运行；避免明显

3、的管道振动。优化设计 7范围：8内容：应力分析规定关键管线表确定管道系统生命周期内可能遇到的载荷定义载荷工况静态/动态确定应力、位移、载荷的限值使应力、位移、载荷限值在许用范围内应力分析报告应力ISO图设备管口载荷结构所受载荷特殊件要求其它建议支撑设计、选型提交业主提交现场项目项目计划工艺PID工艺管线表数据表设备设备图纸管口许用载荷土建土建结构图纸地质参数配管布置图、3DISO图管道等级特殊件要求9应力分析管线分类:sample10关键管线表:sample11应力ISO图:sample在管道单线图的基础上增加应力分析的节点号、约束点的位置及类型、约束点的位移量及载荷、备注等信息。12管道受到

4、的载荷、变形及失效形式管道受到的载荷：压力操作压力、试验压力；温度重量活荷载：管内输送介质的重量、测试的介质重量、由于环境或操作条件产生的雪/冰荷载等。死荷载：管道重量、保温重量及阀门（含执行机构）、法兰等管道组成件重量。位移设备管口热位移；基础沉降、潮汐运动、风等作用下在管道连接处产生的位移；支撑结构的变形；压力延长效应产生的位移；13安全阀泻放、柱塞流、风、波浪、地震、水/汽锤等偶然荷载；压力循环、温度循环、转动设备、涡激振动等循环荷载 。14管道变形的基本形式：拉伸、压缩剪切扭转弯曲15管道的失效形式：管道应力分析的主要目标是阻止管道失效，因此了解管道的失效形式非常重要。常见的管道失效形

5、式如下：静态断裂阴影部分表示吸收能量的能力16静态断裂韧性断裂：随着载荷增加，材料屈服并产生塑性变形直至破坏。断裂前的伸长量可达到25%，可见韧性材料的能量吸收能力。能量吸收能力对于静态载荷的影响较小，但对于抵抗冲击载荷的影响较大。如果没有较大的能量吸收能力，非常小的冲击载荷都可能产生破坏性的应力。韧性断裂主要发生在裂纹缺陷处或形状不连续处。由于屈服，载荷将会转移到管道系统的其它部位。17脆性断裂：不可预期且突然发生；脆性材料；塑性材料当温度低于某一限定值时韧性降低。18疲劳断裂在低于材料强度的交变应力作用下突然断裂。19蠕变断裂在高温情况下，温度和应力保持不变而应变不断增加最终断裂。20失稳

6、管道失稳主要由压应力导致；主要出现在大直径薄壁管道；深水环境中的厚壁管也可能出现失稳。21其它失效形式腐蚀：壁厚减薄；小腐蚀坑处应力增大降低了疲劳强度。侵蚀：流体对管道的侵蚀，如浆体管道、两相流、泵进口汽蚀；碳钢管道氢蚀因素有喘流、低PH值、低含氧量。应力腐蚀：金属材料在腐蚀介质中经历一段时间拉应力后出现裂纹与断裂的现象。氢蚀：氢脆现象（溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹。）22材料的力学性能及强度理论力学性能：1.强度极限 2.屈服强度 3.断裂 4.强化阶段 5.局部变形阶段最大拉应力理论：该理论认为：该理论认为：最大拉应力是引起断裂的主要原

7、因最大拉应力是引起断裂的主要原因即认为：即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到无论材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到单向拉伸时的抗拉强度，材料就会发生脆性断裂。单向拉伸时的抗拉强度，材料就会发生脆性断裂。屈服判据：屈服判据：强度准则：强度准则：适用于铸铁等脆性材料。这一理论没有考虑其它两个主应力适用于铸铁等脆性材料。这一理论没有考虑其它两个主应力的影响，且对没有拉应力的应力状态无法应用。的影响，且对没有拉应力的应力状态无法应用。23最大伸长线应变理论：该理论认为：该理论认为：最大伸长线应变是引起断裂的主要原因最大伸长线应变是引起断裂的主要原因即认为：即认为：无论材料处于什么

8、应力状态，只要最大伸长线应变无论材料处于什么应力状态，只要最大伸长线应变达到单向拉伸时的极限应变，材料就会发生脆性断裂。达到单向拉伸时的极限应变，材料就会发生脆性断裂。屈服判据：屈服判据：强度准则：强度准则：适用于铸铁等脆性材料。适用于铸铁等脆性材料。24最大切应力理论(Tresca准则)：该理论认为：该理论认为：最大切应力是引起屈服的主要原因最大切应力是引起屈服的主要原因即认为：即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大切应力达到无论材料处于什么应力状态，只要最大切应力达到单向拉伸屈服时所对应的最大切应力值，材料就会发生塑性单向拉伸屈服时所对应的最大切应力值，材料就会发生塑性屈服。屈服。屈服

9、判据：屈服判据：强度准则：强度准则：适用于塑性材料。形式简单，一般情况下与实验结果相比偏适用于塑性材料。形式简单，一般情况下与实验结果相比偏于安全，工程中广泛应用。于安全，工程中广泛应用。25形状改变比能理论(Mises准则)：该理论认为：形状改变比能该理论认为：形状改变比能是引起屈服的主要原因是引起屈服的主要原因即认为：即认为：无论材料处于什么应力状态，只要形状改变比能达无论材料处于什么应力状态，只要形状改变比能达到单向拉伸屈服时所对应的形状改变比能值，材料就会发生到单向拉伸屈服时所对应的形状改变比能值，材料就会发生塑性屈服。塑性屈服。屈服判据：屈服判据：强度准则：强度准则：适用于塑性材料。

10、考虑较全面，更加精确。适用于塑性材料。考虑较全面，更加精确。2627基本概念压力管道应力分类的必要性：管道应力的校核主要是为了防止管壁内应力过大造成管道自身的破坏。各种不同荷载引起不同类型的应力，不同类型的应力对损伤破坏的影响各不相同，如果根据综合应力进行应力校核可能导致过于保守的结果，因此管道应力的校核采用了将应力分类校核的方法。应力分类校核遵循的是等安全裕度原则，也就是说，对于危险性小的应力，许用值可以放宽;危险性大的应力，许用值要严格控制。应力分类是根据应力性质不同人为进行的，它并不一定是能够实际测量的应力。28一次应力：一次应力是由压力、重力、和其它外力荷载所产生的应力。它必须满足外部

11、、内部力和力矩的平衡。一次应力的基本特征是非自限性的，它始终随所加荷载的增加而增加，超过屈服极限或持久强度将使管道发生塑性破坏或者总体变形。管道承受内压和持续外载而产生的应力属于一次应力。管道承受风荷载、地震荷载、水击和安全阀泻放荷载产生的应力也属于一次应力，但这些荷载属于偶然荷载。29二次应力：二次应力是由于热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用所产生的应力。它不直接与外力相平衡。二次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。一般在管系初次加载时，二次应力不会直接导致破坏，只有当应变在多次重复交变的情况下，才会引起管道疲劳

12、破坏。但也应该注意，当位移荷载极大，局部屈服或小量变形不足以满足位移约束条件或自身变形连续要求时，管道也可能在一次加载过程中就发生破坏。 30应力增大系数：当管道几何形状发生急剧变化时，位移应力范围的计算值与直管相比有所增加。对于平滑过渡的弯头和弯管，受弯后管道出现扁平化，抗弯刚度有所减小,对于斜接弯管和支管连接，由于几何不连续产生应力集中, 导致材料抗疲劳能力有所削弱。二次应力校核主要是为了防止疲劳破坏，为了考虑这种效应，在进行二次应力校核时引入了应力增大系数。定义: 受弯矩的作用，在非直管的组成件中，产生疲劳损坏的最大弯曲应力与承受相同弯矩、相同直径及厚度的直管产生疲劳损坏的最大弯曲应力的

13、比值，称为应力增大系数。因弯矩与管道组成件所在平面不同，有平面内及平面外的应力增大系数。31确定方法:疲劳试验方法:按照不同应力幅对直管进行一系列疲劳试验，根据试验结果，拟合得到直管疲劳曲线表达式:按照不同应力幅对管件进行一系列疲劳试验，根据试验结果，拟合得到管件疲劳曲线表达式:应力增大系数:由以上两式得:32ASME B31JASME B31J33数值分析方法:步骤:建立管件有限元分析模型;提取峰值应力强度和基准应力;计算应力集中系数SIF;应力增大系数取应力集中系数的1/2.FE PipeANSYS34这是因为依据规范进行柔性分析计算的弯曲载荷引起的应力范围约是峰值应力范围的一半。对于典型

14、的对焊管的焊接接头，其应力集中系数为2。由于应力是与对焊管的疲劳曲线相比较，计算得到的是实际峰值应力范围的一半。因此，理论应力，例如弯头中由弯曲载荷产生的应力，是按规范进行管道柔性分析计算的应力的2倍。35柔性系数：表示管道元件在承受力矩时，相对于直管而言其柔性增加的程度。即:在管道元件中由给定的力矩产生的每单位长度元件的角变形与相同直径及厚度的直管受同样力矩产生的角变形的比值。36二.应力分析标准详解ASME B31.1ASME B31.3ASME B31.4ASME B31.837ASME B31.1-2016持续应力：没有包含持续轴向外载产生的轴向应力Fax/A；在计算持续外载弯扭合成力

15、矩产生的持续应力时考虑0.75i（且不小于1）的应力增大系数；38解释：管道在内压作用下，管壁将产生内压环向应力SHP、内压轴向应力SLP和内压径向应力SR。由于内压径向应力较小，通常忽略不计。在持续外载作用下，将产生持续外载轴向应力SAX、弯曲应力和扭转应力。由于外载产生的扭转应力较小，可以认为外载弯曲应力和扭转应力组合的当量应力方向基本沿管道轴向。因此，管道在内压和持续外载作用下，管壁上的三个主应力仍为环向应力、轴向应力（包括内压轴向应力SLP 、持续外载轴向应力SAX 、当量应力SC）和径向应力。39由于内压作用下直管壁厚计算公式是薄壁模型，基于第三强度理论：因此，合成轴向应力不大于内压

16、环向应力。合成轴向应力最大时与内压环向应力相等，此时再依据第三强度理论有：B31.1没有包含持续轴向外载产生的轴向应力SAX，忽略内压径向应力SR，上式变为：即：40偶然应力：许用应力放大系数K：1.15-每次作用时间不超过8h,每年不超过800h;1.20-每次作用时间不超过1h,每年不超过80h;41位移应力范围：没有区分平面内和平面外应力增大系数;采用最大剪应力理论.42结构安定性条件：结构安定性的定义:当荷载在一定范围内反复变化时，结构不发生连续的塑性变形循环。也就是说，在初始几个循环之后，结构内的应力应变都按线弹性变化，不再出现塑性变形。为防止结构发生低周疲劳，结构必须具有安定性。结

17、构安定性条件:弹性应力范围不大于屈服极限的二倍（准确地说是冷态屈服强度与热态屈服强度的和）。材料的弹塑性应变循环43二次应力校核来源：根据结构安定性条件，弹性许用应力范围是冷态屈服强度与热态屈服强度的和，即：一般许用应力取2/3屈服强度Markl suggested持续应力SPW最大为热态许用应力Sh当循环次数低于7000时，许用应力范围减小系数f不再增大，因为f =1时弹性许用应力范围已经达到安定性条件界限。但当循环次数低于7000时，实际的安全系数是增大的。44ASME B31.3-2016持续应力：ASME B 31.3要求由重量、内压和其它持续载荷所产生的纵向应力之和SL不超过在操作温

18、度下材料的基本许用应力Sh，但ASME B 31.3 2010年以前的版本并没有明确给出纵向应力的计算公式。ASME B31.3在1985年5月8日的释义4-10中，要求计算纵向应力时考虑轴向力的作用。因此，一般认为管道纵向应力由附加轴向外力、弯矩和内压引起，计算公式为：SL=Fax/A+(iiMi)2+(ioMo)21/2/Z+Pdo/4t=Sh45自ASME B 31.3 2010版给出了纵向应力的计算公式：区分平面内、平面外应力增大系数；应力增大系数取0.75i且不小于1。! 2014版本开始46解释：管壁径向应力很小，分析时通常忽略不计，管壁的应力状态可以看作二向应力状态。垂直纸面可以

19、看做壁厚方向因此，最大主应力和最小主应力为：）2222xyyxyxm inm ax （xy x xy yO47根据最大剪应力理论：最大许用剪应力是最大许用拉应力的一半,因此：假设x方向沿管道的轴向，则x主要由内压产生的轴向应力SLP、持续轴向力产生的轴向应力SAX、弯矩产生的弯曲应力Sb组成，y主要是内压产生的环向应力SHP，xy是扭转应力。48则x= SLP+ SAX + Sb（注意的是SAX和Sb均存在正负）又y= SHP =2 SLP xy= St上式最大值为：由于：其最大值为：由于：已经为正值。49偶然应力：公式与一次应力相同，应力放大系数K取1.33。50位移应力范围：2010版：2

20、012版：位移应力范围计算区分弯矩扭矩；区分平面内和平面外应力增大系数；位移应力范围许用值计算公式与B31.1一致，但两个规范的许用应力取值不同。51ASME B31.4-2016管道的约束状态影响管道的应力及所采用的分析方法，出于设计目的，B31.4将管道分为完全受约束（restrained）和非完全受约束（unrestrained）两种情况。“非完全约束”指管道能够产生轴向应变和横向位移，能够产生轴向应变和横向位移，不能满足以上两个条件的为“完全约束” 。约束状态可能变化，与施工、支撑条件、土壤属性、地形、时间等因素有关。52（a）非完全约束的管道非完全约束的管道包含以下但不限于以下方面：

21、1）能够吸收温度膨胀和支撑移动的地上管道系统；2）敷设在软质或非固结土壤中的弯头及与其相邻的管道；3）埋地管道的未回填段（能够横向变形或包含弯头）；4）未锚固段。（b）完全约束的管道1）远离弯头部分的埋地管道；2）靠近刚性支撑、两端及方向改变处锚固的地上管道；3）敷设在坚硬或固结土壤中的弯头及与其相邻的管道。目的在于区分应力类型，自限性/非自限性。场站内的埋地管道属于非完全约束。线路埋地长直管道属于完全约束，靠近弯管及锚固墩的部分应结合实际情况确定。53应力计算：54555657不超过1.258应力校核：2009版纵向应力SL校核条件是不大于0.54SY59ASME B31.8-2016ASM

22、E B 31.8输气和配气管道系统也将管道分为完 全 受 约 束 （ r e s t r a i n e d ） 和 非 完 全 受 约 束（unrestrained）两种情况，区分原则与ASME B 31.4一致。除ASME B31.4、B31.8以外，Z662、AS 2885.1等标准也区分“restrained”和“unrestrained”。60管件弯矩考虑应力增大系数，0.75i且大于1；扭矩不考虑应力增大系数；温度应力计入纵向应力。2014变化61不超过1.06263由于大部分长输管道相对简单，管道应力相对容易预见，因此长输管道规范许用应力与工艺管道相比较高。然而，由于采用大口径高

23、强钢、特殊地质条件及自然灾害导致的滑移、漂管、沉降等特殊问题对管道应力分析提出了更高的要求！64三.管道跨距计算影响管道跨距的因素管道跨距强度条件管道跨距刚度条件建议的管道跨距支撑位置设置原则65影响管道跨距的因素管道尺寸管道布置形式管内流体管外绝缘管道上的集中质量，如阀门等。防止管道振动管道材料在设计温度的许用应力允许挠度，防止积液66管道跨距强度条件强度条件：管道中的最大纵向应力不大于设计温度下的许用应力。（一次应力校核准则）式中：Mmax 最大弯距；W 管道抗弯截面模量；Di 管道内径；Do 管道外径；D 管道平均直径；S 管道壁厚。按薄壁理论，W也可以：6768管道跨距刚度条件刚度条件

24、：以固有频率表示，避免管道在轻微干扰力下振动。对大部分非振动管线，固有频率在4Hz以上基本可以避免振动。 静态下管道在重力下的挠度，in。GB50316：装置内最大挠度15mm，装置外最大挠度38mm。69建议的管道跨距不适用于立管70支撑位置设置原则尽量利用已有的结构构件,减小额外的设置（振动管道除外）；在方向改变处跨距应折减；在集中载荷附近设置支撑；在需要拆卸的设备或仪表附近设置支撑，以方便维护；支撑的位置应尽量减小设备管口的受力，敏感设备附近考虑足够的空间设置补偿；支撑的位置尽量使其本身受力减小，且不影响生根部件；振动管道应结合详细应力分析确定支撑位置和类型；尽量少用弹簧支撑；尽量不影响

25、巡检通行。71增加额外结构增加额外结构且有可能滑落且有可能滑落7273尽量靠近管嘴尽量靠近管嘴或至少在重心或至少在重心以上（承重以上（承重架）；架）；立管较高时下立管较高时下方应设置导向方应设置导向架。架。74四.管道柔性分析柔性分析的目的保证管道柔性足够的方法支撑的刚度容器管口的柔性法兰校核设备管口校核75柔性分析的目的管道柔性反映管道变形的难易程度，表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其他位移变形的能力。柔性分析的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀、冷缩、端点附加位移等造成下列问题：管道应力过大或疲劳引起的破坏；管道连接处产生泄露；管道推力或力矩过大，使与其连接的设备

26、产生过大的应力或变形，影响设备正常运行；管道推力或力矩过大引起管道支吊架破坏。76保证管道柔性足够的方法管道自身的柔性1ASME B31.377假设1台泵运行：东西向膨胀长度：0.9m南北加竖直长度：1.5+1.2+0.6=3.3m南北向膨胀长度：1.2m东西加竖直长度：1.5+0.9+0.6=3.0m竖直向膨胀长度：0.3+1.5+0.6+0.9=3.3m南北加东西长度：1.2+0.9=2.1m50为粗粒土，通过0.075 mm筛的颗粒含量50为细粒土)，粗粒土按各粒径的含量进行分类，细粒土按液限和塑性指数的关系点在塑性图上的位置进行分类。但因试验所用设备在尺寸、形状以及其他的型号规格上有许

27、多差别之处，因此两个标准也有不同点。119一.土壤分类与定义ASTM D2487粘土clay：在一定含水量范围内通过0.075mm标准筛，呈现塑性，风干后具有一定的强度。塑性指数4，位于塑性图表A线之上。粉土silt：通过0.075mm标准筛，基本不呈现塑性，风干后没有强度。塑性指数10的深埋管道不适用。的深埋管道不适用。126下方极限载荷：下方屈服位移：127注意： 轴向土弹簧采用回填土的参数，其它土弹簧通常采用原状土的参数。 只有当管线的移动没有受到管沟以外土壤的影响时，水平及上方土弹簧才采用回填土的参数。(通常管沟宽度3D时) 对于地表到管道埋深处土壤参数是变化的深埋管道，可能不能代表真

28、实的土壤载荷条件。 对于海底管道，水平土壤载荷将会随着管道侧方土壤的堆积逐渐增加。128Peng理论（CAESAR II Basic Soil Modal）129横向极限载荷：管道单位长度上的横向刚度：屈服位移：管道单位长度上的轴向刚度：屈服位移系数默认为0.015。130131132ASME B31.1 附录VII管土接触面最大相对应变：133土壤反作用模量（土壤刚度）：只给出水平方向的计算公式，竖直方向给出了参考文献及相关建议134管土接触面单位摩擦力：管土系统特征参数：135136锚固段长度计算137138三.内压对管道系统柔性分析的影响 内压作用下，管道壁厚上产生环向应力、轴向应力和径

29、向应力，同时产生轴向和环向伸长。轴向伸长对管道系统的影响与温度膨胀的影响相同，使柔性不足的管系产生较高的弯曲应力。内压的作用也会提高弯管的刚度，减小弯管柔性系数和应力增大系数。然而，大部分管道应力分析专业大部分管道应力分析专业软件（软件（CAESAR IICAESAR II、AutoPipe AutoPipe 等）采用梁单元，不能像三维壳体单元那样直等）采用梁单元，不能像三维壳体单元那样直接反映内压的影响接反映内压的影响，内压对管道的伸长作用和对弯管刚度的影响，是通过修改软件的配置文件实现的。目前，大部分设计人员在进行管道应力分析时，通常采用软件的默认设置，忽略了内压对管道系统柔性的影响，这种

30、做法可能导致非保守的应力分析结果。因此，有必要就内压对管道系统柔性的影响进行讨论。139将内压产生的轴向伸长转换成等效温度升高产生的轴向膨胀将内压产生的轴向伸长转换成等效温度升高产生的轴向膨胀，上图 所示为环向应力与等效温度升高的关系。以设计压力 12MPa 的某输气管道为例，对于线路 121918.4 X80 管道，内压产生的轴向伸长相当于 32.97的温度升高（环向应力 391.5MPa）产生的轴向膨胀，对于站内 121927.5 X80 管道，内压产生的轴向伸长相当于 21.89的温度升高（环向应力 259.9MPa）产生的轴向膨胀，对于站内21914 L245 管道，内压产生的轴向伸长

31、相当于 7.39的温度升高（环向应力 87.9MPa）产生的轴向膨胀。可见，内压对管道轴向伸长的影响较大，特别是大口径高强度、温度变化范围小的管道大口径高强度、温度变化范围小的管道（如长输管道），内压产生的轴向伸长不容忽视（如长输管道），内压产生的轴向伸长不容忽视。140 内压对管道的轴向伸长作用较大， 特别是对于长输管道， 内压产生的轴向伸长尤为显著。因此，长输管道的应力分析应考虑内压的轴向伸长作用。对于壁厚一致的弯管，内压有使弯管张开的作用，而实际弯管内弧壁厚大于外弧壁厚，大大减小张开作用。根据经验，在进行应力分析时，通通常不考虑内压对弯管的张开作用常不考虑内压对弯管的张开作用。 内压使弯

32、管的柔性系数和应力增大系数折减， ASME B31 管道规范在计算弯管柔性系数和应力增大系数时考虑该影响，但在实际应用中，对于对于压力迅速减小到零，而温度处于逐渐减小压力迅速减小到零，而温度处于逐渐减小或维持状态的工况，不应考虑内压对柔性系数和应力增大系数的折减作用。141四.地震分析GB 50316：地震烈度在9度及以上时，应进行地震验算。SH 3039：对于悬臂结构及仅有承重支撑的长管道也应考虑竖直方向。142GB50470：油气输送管道线路工程抗震技术规范143144GB50011：145管道系统阻尼比通常为0.020.08。146五.含缺陷管道的评价采用有限元法根据相关标准进行评价14

33、7管道振动分析技术主要内容主要内容一.振源二.设备振动引起的管道振动三.流体引起的管道振动四.振动评价五.振动预防和缓解措施148管道振动引起的疲劳失效会导致： 安全问题 产量降低 整改费用 环境影响等英国安全与健康部：发布的关于海上工业的数据显示，英国北海区域碳氢化合物泄漏事故超过20%是由于管道振动和疲劳失效导致的。西欧：石油化工厂的统计数据显示，大约10%15%的管道疲劳失效是由于管道振动导致的。数据来源：数据来源：Guidelines for the Avoidance of Vibration Induced Fatigue in Process Pipework（Energy In

34、stitute）149导致管道振动的因素通常是多方面的，可能是管道结构设计不合理，也可能是施工质量差降低了管道的刚度或者运行操作不当导致。国外经验表明，减小或消除管道振动最好的办法是在设计阶段设计阶段进行管道振动分析、在施工阶段保证良好的施工质量、在运营阶段运营阶段将管道振动监测作为投产运行测试的一部分。在设计阶段进行大量的分析是复杂的、且问题较多，目前除API618往复压缩机管道外，很少有项目在设计阶段进行系统的管道振动分析。这主要有两方面原因：两方面原因：一方面是管道规范关于管道振动方面的要求通常只是一些原则性的要求，这些原则性的要求在项目执行过程中可操作性差，从而导致管道振动被认为是一种

35、特殊的、通常被忽视的情况；另一方面是管道振动分析技术涉及机械振动、材料力学、流体力学、声学、数值分析等多个学科的知识及工程经验，一般设计人员较难掌握。振源设备振动导致的流体导致的直接的间接的设备振动引起结构或基础振动，再通过支撑传递给管道设备振动通过管嘴直接传递给管道脉动湍流叶片、活塞产生的周期性压力脉动管内形成湍流引起压力波动振源液击泵的启停，阀门突然开关150气蚀设备振动引起的管道振动两种原因：通过管嘴直接传到管道；通过安装在橇装设备上的支撑或刚度低的基础传到管道上。如果转动设备动平衡差，振动频率是旋转轴的转动频率。如果转动设备没有牢固固定在基础上，比如某个螺栓没有固定好，也以旋转轴的频率

36、振动。如果设备振动频率接近管道固有频率，管道发生振动，同时会放大泵或压缩机的机械振动。151激发频率60关键转速 ,RPMf 152 分析时，确定主要振动频率和振动方向后进行管道结构谐响应分析，并进行评价。153流体引起的管道振动154叶片和活塞运动叶片和活塞运动往复机离心机155泵、压缩机以平均压力P输送流体，当叶片通过出口管嘴或活塞完成一个冲程，下游流体会出现一个正弦压力波动dP。连续排出的流体导致周期的压力P+dP沿着管子向下游传播，在方向改变或横截面变化的位置产生一个不平衡力。通常，离心机产生的力很小，除非管道柔性较大，一般不会导致管道明显振动，但对于往复机，将会产生明显的振动。主频率

37、 Hz叶片通过叶片数RPM/60活塞运动活塞数CPM注：RPM为每分钟的转数；CPM为每分钟活塞完成冲程的个数。压力脉动频率156在流体剪切层，靠近壁面的流体流速低、远离壁面的流体流速高，在分支处流体剥离，形成涡流。涡流对支管内的流体产生周期性挤压，从而引起管道振动。涡流引起的压力波动也可能引起安全阀打开。 湍流引起的振动湍流引起的振动内流157158流体在流过仪表套管等障碍物处，障碍物后方也会产生涡流，从而导致障碍物振动。外流159160where:v is the fluid velocity, d is the representative dimension of the compon

38、ent,S is the Strouhal number.161当压力脉动从激振源(如泵或压缩机进出口)向管道上下游传播时，在不连续处(关闭的阀门、孔板等)或体积变大处(罐，汇管等)会发生反射，入射波和反射波的叠加在管道系统内将形成驻波。当压力脉动频率与管道系统的声学频率接近时，便会发生声学共振。声学振动声学振动复杂管道：通过转移矩阵法或有限元法计算。气柱固有频率：波动方程：两端为开口或两端为闭口：)2/( LnafAP一端为开口一端为闭口：)4/()12(LanfAP162当往复机的激振频率或涡流脱落频率与流体声学固有频率相同或接近时，流体便发生共振，支管内流体压力的不均匀度会达到一个极大值

39、。：质量因子（振幅放大因子）：激发频率0：固有频率：阻尼比对于天然气，阻尼比非常小，当气柱发生共振时，声压值会放大上百倍。声学响应：163 声压分布力编号正常（N）共振时（N）FA-B93.715648FB-C22.23707气柱共振时的激振力164165截止频率：小于该频率平面声波沿管道轴向传播平面波平面波横向波横向波方管方管圆管圆管166横向波波形：管壁振动通常发生在高频率下，特别是大直径薄壁管 (直径与壁厚比值D/t大于100)，其周向呈叶状振型。167脉动源脉动源传递到管道系统传递到管道系统管道和结构响应管道和结构响应材料属性和截面参数材料属性和截面参数压力和流量波动压力和流量波动脉动

40、力脉动力振动振动位移位移循环应力和疲劳失效循环应力和疲劳失效声学响应放大声学响应放大结构响应放大结构响应放大脉动和振动：PulsimPulsAnsys FluentAnsys CFXPulsimPulsAnsys FluentAnsys CFXPulsimCAESAR IIPulsimCAESAR IIAnsys MechanicalAnsys Mechanical1680.1110100100010000012脉动幅值（脉动幅值（u/Uo）频率（频率（Hz）工艺介质往复机流致振动离心机阀门噪音振动评价振动评价API 618 Reciprocating CompressorAPI 618 Re

41、ciprocating Compressor 按照API618标准, 根据设计项目中压力的高低及功率的大小将管道振动评价分为三种设计方法。 方法一: 经验的脉动抑制装置确定尺寸；脉动准则 方法二: 声学模拟和管路约束力分析；脉动准则、激振力准则、固有频率分离裕度准则 方法三: 声学模拟和管路约束力分析，加上力学分析（如必要带强制机械响应的分析）。振动准则/交变应力准则 方法一最简单，但对压力不均匀度的要求最严格，方法二、三较复杂，但所需分析的内容更多。169170频率低于10Hz：许用振幅0.5mm；频率10200Hz：许用振动速度32mm/s；振动水平超过上述值，应确保循环应力峰峰值低于18

42、0N/mm2；仅用于设计阶段，不宜用于现场振动验收。171TNO频率低于10Hz：许用振幅1.3mm；频率10150Hz：许用振动速度80mm/s；TNO通常计算循环应力，为避免疲劳，附属设备的振动也要计算。Energy Institute AVIFF GuidelineEnergy Institute AVIFF Guideline适用于新建、已建、改造项目定性评估:通过激振源初步评估风险等级；定量评估:对于高风险区域，进行定量评估。172Southwest Research InstituteSouthwest Research Institute 曲线的经验值是基于往复式压缩机管道系统的

43、大量测试数据Note: Indicated vibration limits are for average piping system constructed in accordancewith good engineering practices. Make additional allowances for critical applications, unreinforced branch connections, etc.173174EFRCEFRC 测试程序： 主要测试21000Hz振动速度（mm/s RMS）； 对于低于10Hz的，同时测试振动幅值； 对于高于200Hz的，同时测试振动加速度； 所有位置的振动均应在规定范围内； 如果某一振动水平超过限值，应进行频谱分析。175 定义： 176 不同部位振动水平限