管道应力分析概述

----.-.word.zl-管道应力分析概述CAESARII软件介绍CAESARII管道应力分析软件是由美国COADE压力管道应力分析专业软件。它既可以分析计算静态分析，也可进展动态分析。CAESARII输出，使用户可直观查看模型〔单线、线框，实体图〕强大的3D计算结果图形数据库.构造模型可以同管道模型合并,统一分析膨胀节可通过标准库选取自动建模、冷户掌握和选择的程序运行方式,用户可定义各种工况。一、管道应力分析的缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。二、管道应力分析的主要内容静力分析包括：1〕压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏；防止疲乏破坏；3〕管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行；4〕管道支吊架的受力计算——为支吊架设计供给依据；动力分析包括：l〕管道自振频率分析——防止管道系统共振；2〕管道强迫振动响应分析——掌握管道振动及应力；3〕往复压缩机〔泵〕气〔液〕柱频率分析——防止气柱共振；4〕往复压缩机〔泵〕压力脉动分析——掌握压力脉动值。三、管道上可能承受的荷载〔1〕重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等；〔2〕压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力；〕位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；〔4〕风荷载；〔5〕地震荷载；〔6〕瞬变流冲击荷载：如平安阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击：〔7〕两相流脉动荷载；〔8〕压力脉动荷载：如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动；〔9〕机械振动荷载：如回转设备的振动。四、管道应力分析的目的1〕为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值；2X〔如NEMASM-23、API-610、API-617等〕规定的许用X围内；3〕为了使与管系相连的设备管口的局部应力在ASMEVlll的允许X4〕为了计算管系中支架和约束的设计荷载；5〕为了进展操作工况碰撞检查而确定管于的位移；6〕为了优化管系设计。五、管道柔性设计方法确实定一般说来，下述管系必需利用应力分析软件〔如CAESARII〕通过计算机进展计算及分析。1〕与贮罐相连的，公称管径12〞及以上且设计温度在100度及上的管线；2〕离心式压缩机〔API617API618〕的3〞及以上的进、出口管线：3〕蒸汽透平〔NAMESM23〕的入口、出口和抽提管线；4〕泵〔API6104〞及以上且温度100-20度及以下的吸入。排出管线；5〕空冷器〔API661〕——公称管径6〞及以上且温度120出口管线；6API560〕——与管口相连的6〞及以上和温度200管线；7〕相当长的直管，如界区外的管廊上的管线；8〕法兰处的泄漏会造成重大危急的管线，如氧气管线、环氧乙烷管线等。9〕公称管径4〞及以上且100度及以上或-50六、摩擦系数确实定除非另有规定，在进展管道柔性分析时摩擦系数应作如下考虑：钢对钢0.3不锈钢对聚四氟乙烯0.1聚四氟乙烯对聚四氟乙烯0.08钢对混凝土0.6滚动支架：钢对钢〔滚珠〕0.3钢对钢〔滚柱〕0.3注：滚珠沿轴向运动时应承受滑动摩擦系数．七、管道柔性设计设计时，一般承受以下一种或几种措施来增加管道的柔性：〔1〕转变管道的走向；〔2〕选用波形补偿器、套管式补偿器或球形补偿器；〔3〕选用弹性支吊架。八、管道柔性设计的目的热胀冷缩、端点附加位移、管道支承设置不当等缘由造成以下问题；〔1〕管道应力过大引起金属疲乏和〔或〕管道推力过大造成支架破坏；〔2〕管道连接处产生泄漏；〕管道推力或力矩过大，使与其相连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行。九、应进展具体柔性设计的管道〔1〕进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道；〔2〕进出汽轮机的蒸汽管道；〔3〕进出离心压缩机，透平鼓风机的工艺管道；〔4〕进出离心别离机的工艺管道；〔5〕进出高温反响器的管道；〔6〕温度超过400℃的管道；〔7〔8〕与有受力要求的其他设备相连的管道十、管道柔性设计计算结果的内容〔1〕输入数据；〔2〕各节点的位移和转角；〔3〕各约束点的力和力矩；〔4〕各节点的应力；〔5〕二次应力最大值的节点号、应力值和许用应力X围值；〔6〕弹簧参数表。十一、管道柔性设计合格的标准〔1〕管道上各点的二次应力值应小于许用应力X围；〔2〕管道对设备管口的推力和力矩应在允许的X围内；〔3〕管道的最大位移量应能满足管道布置的要求。十二、冷紧问题冷紧是指在安装时〔冷态〕使管道产生一个初位移和初应力的一种方法。在管道重回到冷态时，那么产生反方向的应力，这种现象称为自冷紧。冷紧不转变热胀应力X围。冷紧比为冷紧值与全补偿量的比值。通常应尽量防止承受冷紧，在必需承受冷紧的状况下，要遵循以下：的推力、力矩以及位移量，可以承受冷紧，但冷紧不能降低管道的应力X围；380低合金钢420工作的管道进展0.7。对于材料在非蠕变条件下工作的管道，冷紧比它取0.5。对冷紧有效系数，热态取2/3，冷态取1。●对连接转动设备的管道，不宜承受冷紧。查该法兰与设备法兰的同轴度和平行度，假设承受冷紧将无法进展这一检查。十三、带约束的金属波浪管膨胀节类型1〕单式铰链型膨胀节，由一个波浪管及销轴和铰链板组成，用于吸取单平面角位移；〕单式万向铰链型膨胀节，由一个波浪管及万向环、销轴和铰链组成，能吸取多平面角位移；〕复式拉杆型膨胀节，由用中间管连接的两个波浪管及拉杆组成，能吸取多平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；〕复式铰链型膨胀节，由用中间管连接的两个波浪管及销轴和铰链板组成，能吸取单平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；〕复式万向铰链型膨胀节，由用中间管连接的两个波浪管及销轴和铰链板组成，能吸取相互垂直的两个平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；〕弯管压力平衡型膨胀节，由一个工作波浪管或用中间管连接的两个工作波浪管及一个平衡波封头并承受管道移和/或横向位移。拉杆能约束波浪管压力推力。常用于管道方向转变处；〕直管压力平衡型膨胀节，一般由位于两端的两个工作波浪管及有效面积等于二倍工作波浪管管与平衡波浪有作用于固定点或限位点外，而是由约束波浪膨胀节用的金属部件承受。十四、对转动设备允许推力的限制按以下规定进展核算：〔1API610规定；〕尺寸较小的非冷凝式通用汽轮机，蒸汽管道对汽轮机接收法兰的最大允许推力和力矩应符合NEMASM23的规定。〕离心压缩机的管道对压缩机接收法兰的最大允许推力和力矩应取NEMASM23规定值的1.85倍。十五、热膨胀量〔初位移〕确实定〔l〕封头中心管口热膨胀量的计算〔2〕封头斜插管口热膨胀量的计算方向的热膨胀量计算同式，水平方向的热膨胀量按下式计算：〕上部筒体径向管口有两个方向的热膨胀，即垂直方向和水平方向的热膨胀，垂直方向的热膨胀量计算同式，水平方向的热膨胀量按下式计算：十六、管道设计中可能遇到的振动〔l〕往复式压缩机及往复泵进出日管道的振动；〔2〕两相流管道呈柱塞流时的振动；〔3〕水锤：〔4〕平安阀排气系统产生的振动；〔5〕风载荷、地震载荷引起的振动。十七、往复压缩机、泵的管道振动分析的内容振动分析应包括：〔1〕气〔液〕柱固有频率分析，使其避开激振力的频率；〕压力脉动不均匀度分析，承受设置缓冲器或孔板等脉动抑制措施，将压力不均匀度掌握在允许X围内：〕管系构造振动固有频率、振动及各节点的振幅及动应力分析，通过设置防振支架优化管道布置，消退过大管道振动。十八、共振幅会急剧增大，这种现象称为共振。发生共振，应使气〔液〕柱固有频率、管系的构造固有频率与激振力频率错开。合理设置支架。十九、管道支吊架的类型管道支吊架可分为三大类：承重支吊架、限制性支吊架和防振支架。架。限制性支吊架可分为：固定支架、限位支架和导向支架。防振支架可分为：减振器和阻尼器。二十、管道支吊架选用的〔1〕在选用管道支吊架时，应依据支承点所承受的荷载大小和方向、管道〔2〕设计管道支吊架时，应尽可能选用标准管卡、管托和管吊；〕焊接型的管托、管吊比卡箍型的管托、管吊省钢材，且制作简洁，施工方例，因此，除以下状况外，应尽量承受焊接型的管插和管吊；l4002〕低温管道；3〕合金钢材质的管道：4〕生产中需要常常拆卸检修的管道；二十一、管道支吊架的作用第三：掌握振动，用来掌握摇摆、振动或冲击。导向架限制了两个方向的线位移；支托架〔或单向止推架〕限制了一个方向的线位移。二十二、吊架刚度可变弹簧支吊架的刚度等于弹簧产生单位变形所需要的力。二十三、恒力和可变弹簧支吊架在应用上的限制受力变化太大，导致设备受力或管系应力超标。恒力弹簧的恒定度应小于或等6%，以保证支吊点发生位移时，支承力的变化很小。荷载转移，可变弹簧的荷载变化弯应小于或等于25%。二十四、设计振动管道支架时，应留意以下问题〔1〕支架应承受防振管卡；〔2〕支架间距应经过振动分析后确定；〔3〕支架构造和支架的生根局部应有足够的刚度；〔4〕宜设独立根底，尽量防止生根在厂房的梁柱上；〔5〕当管内介质温度较高，产生热胀时，应满足柔性分析的要求；〔6〕支架应尽量沿地面设置。二十五、管道支吊架位置确实定〔1〕应满足管道最大允许跨度的要求；〕当有集中载荷时，支架应布置在靠近集中载荷的地方，以削减偏心载荷和弯曲应力；〕在敏感的设备〔泵、压缩机〕四周，应设置支架，以防止设备嘴于承受过的管道荷载；〔4〕往复式压缩机的吸入或排出管道以及其它有猛烈振动的管道，直单独〕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上根点，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。〕对于复尽可能的管道，尤其是需要作具体应力计算的管道，尚应依据应力计算结果调整〔7〕管道支吊架应设在不阻碍管道与设备的连接和检修的部位；〔8〕管道支吊架应设在弯管和大直径三通式分支管四周；〔9〕平安泄压装置出口管道应依据需要，考虑是否设置支架。二十六、设置管道固定点应考虑以下问题〔l〕对于简单管道可用固定点将其划分成几个外形较为简洁的管段，如L形管段、U形管段、Z〔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；〔3〕选用II〔4〕固定点直靠近需要限制分支管位移的地方；〕固定点应设置在需要承受管道振动、冲击载荷或需要限制管道多方向位移的地方。〔6〕作用于管道中固定点的载荷，应考虑其两侧各滑动支架的磨擦反力；〕进出装置的工艺管道和格外温的公用工程管道，它在装置分界人设固定点。二十七、压缩机进出口管道支架设计要点〔1〕往复式压缩机的吸入和排出管道上的管架〔或管墩〕宜与建、构筑物支架应靠近压缩机；〕往复式压缩机吸入和排出管道支架〔或管墩〕的高度应尽可能低，以便于管道的支承；〕往复式压缩机的管道抑振管架，宜设在管道集中荷载处、管道拐弯、分支以及标高有变化处；〕由于离心式压缩机吸入和排出管口一般均向下，机体热膨胀及管道热膨胀均向下，因此，管道支架宜承受弹簧支架或弹簧吊架。二十八、泵管道支架设置要点各类泵嘴均有荷载限制，支架设置时应考虑这一因素。〔1〕在靠近泵的管段上设置支，吊架或弹簧支吊架；〕泵出口嘴垂直向上时，在距泵最近拐弯处，于泵根底以外的位置设置支架；也可在泵嘴正上方的拐弯处设吊架：〕对大型机泵的高温进出口管道，为减轻泵嘴受力而设置的支架，应尽量使约束点和泵嘴之间的相对热伸缩量最小；〕泵的水平吸入管道宜在靠近泵的管段上设置可调支架，也可承受吊架或弹簧吊架；〕为防止往复泵管道的脉动，应缩短管道支架之间的距离，尽量承受管卡型支架，不宜承受吊架〔6〕泵的管道为常温时，应在泵嘴最近处设固定支架或导向架；〔7〕泵附属小管道尽量成组布置，以便安装支架；〔8〕末经泵制造厂许可，不得在泵底座上安装支架。二十九、弹簧支吊架设计1，可变弹簧支吊架设计根底子上的载荷增大。弹簧支吊架设计的目的是选择一个符合以下要求的弹簧：重力载荷支撑以平衡管系。②从冷态到热态的总位移在允许的X围内。力。有必要用不平衡的“冷态载荷〞来安装弹簧支吊架。载荷变化率在某些状况下，管道规X推举通过限制载荷变化率为10%或25%来使弹簧由于在一个给定载荷值下的全部弹簧，在它们的全部行程中支承一样的载荷变程弹簧的一半。弹簧选型表弹簧是从弹簧表中选出来的。弹簧表显示了每一号弹簧在工作X围内的负化率的条件下，从表中选择弹簧的步骤为：①计算最大许用弹簧刚度；②在弹簧表的各列中找到热态载荷，来确定弹簧载荷的大小；③针对载荷大小，选择弹簧刚度小于或等于上面计算值的弹簧系列；④计算冷态载荷并确认冷态载荷也落在弹簧的工作X围内；4．弹簧设计过程一约束重量，热态吊零及其它样来计算热态载荷和热位移呢？整个弹簧支吊架设计的步骤如下所述。Y然后进展重量载荷分析。量载荷将被作为弹簧选型时的热态载荷。②其次，从管架位置除去约束，进展热膨胀分析。这种分析称为“自由-热于管系中可能有非线性约束的影响，CAESARII用。〕弹簧载荷〕。④通过在每个弹簧作用点增加一个刚度等于弹簧刚度的约束并且通过增加CAESARll自动完成。弹簧支吊架设计说明1〕假设内装比重小于1.0的液体管系需要作水压试验，通常在水压试验期荷。2〕在指定弹簧支吊架的热态和冷态载荷时，附加零部件的预期重量应加到CAESARII时没有考虑这点，管系的重量载荷将由于弹簧零部件的重量而造成不平衡。3〕为了保证管子不至于运动太大而从管架上掉下来，在设计管架时必需考6X态位置时支架垂直作用线的偏差。4〕在由于不平衡冷态载荷造成的法兰协作问题使得安装有困难时，最好在现场调整弹簧以考虑一旦系统开车后的热态载荷。在管口操作载荷不是主要因素，而法兰协作问题是关心的主要问题时，CAESARII其中在冷态工况，而不是在热态工况平衡重量载荷。5〕CAESARII供给同时计算弹簧的“理论〞和“实际〞冷态载荷的选项。CAESARII计算的“实际〞冷冷态载荷时，实际安装载荷工况是很重要的。频率〕。这些管系本质上没有水平支架，而有很小的垂直刚度以限制Y方向的位移。留意：恒力弹簧支吊架对管系没有动态影响。7〕由于管系的不平衡局部将会以其它管架为轴而旋转，在约束一重量状况生上述状况时，应除去这些肇事弹簧或考虑邻近的管架位置。在约束-重量状况下无视冷紧，而在操作工况包括冷紧以计算弹簧位移。实际安安装工况下的位移应在制造商建议的载荷X围内。通常只是当在立管上有很大的冷紧而邻近又有一个或多个弹簧支吊架时会有问题。9〕在布满液体的管线中，弹簧支吊架通常是在管系空的时候安装。在这种来负担一旦管系充液的冷态载荷。CAESARII弹簧支吊架设计掌握及选项CAESARIICAESARII手册中有详尽描述，这里重点讲解几个选项。YES。l〕当管子被弹簧支吊架支承并能够自由垂直移动的状况下要调整弹簧的安冷态位置调整时发生移动〕。2〕弹簧四周的管系柔性格外大和/或者弹簧的刚度格外大。装载荷。承受短程弹簧——CAESARII的弹簧设计法首