管道设计资料-压力管道应力分析

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压力管道应力分析部分第一章任务与职责1.管道柔性设计的任务

压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止

由于管系的温度、自重、内压和外载或因管道支架受限和管道端点的附

加位移而发生下列情况；1）因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏；2）

管道接头处泄漏；3）管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产

生过大的应力或变形，影响设备正常运行；4）管道的推力或力矩过大引

起管道支架破坏；2.压力管道柔性设计常用标准和规范1）GB

50316-2000《工业金属管道设计规范》2）SH/T3041-2002《石油化工管

道柔性设计规范》3）SH3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》

4）SH3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》5）SH3073-95《石

油化工企业管道支吊架设计规范》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）GB/T12777-1999《金

属波纹管膨胀节通用技术条件》9）HG/T20645-1998《化工装置管道机

械设计规定》10）GB150-1998《钢制压力容器》3.专业职责1）应力分

析（静力分析动力分析）2）对重要管线的壁厚进行计算3）对动设备管

口受力进行校核计算4）特殊管架设计4.工作程序1）工程规定2）管

道的基本情况3）用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补

偿4）用目测法判断管道是否进行柔性设计5）L型U型管系可采用图

表法进行应力分析6）立体管系可采用公式法进行应力分析7）宜采用

计算机分析方法进行柔性设计的管道8）采用CAESARII进行应力分析

9）调整设备布置和管道布置

10）设置、调整支吊架11）设置、调整补偿器12）评定管道应力13）

评定设备接口受力14）编制设计文件15）施工现场技术服务5.工程规定

1）适用范围2）概述3）设计采用的标准、规范及版本4）温度、压力

等计算条件的确定5）分析中需要考虑的荷载及计算方法6）应用的计

算软件7）需要进行详细应力分析的管道类别8）管道应力的安全评定

条件9）机器设备的允许受力条件（或遵循的标准）10）防止法兰泄漏的

条件11）膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求12）业主的特殊要求13）计

算中的专门问题（如摩擦力、冷紧等的处理方法）14）不同专业间的接口

关系15）环境设计荷载

16）其它要求

第二章压力管道柔性设计1.管道的基础条件包括：介质温度压力

管径壁厚材质荷载端点位移等。2.管道的计算温度确定管道的计算

温度应根据工艺设计条件及下列要求确定：1）对于无隔热层管道：介质

温度低于65℃时，取介质温度为计算温度；介质温度等于或高于65℃

时，取介质温度的95%为计算温度；2）对于有外隔热层管道，除另有

计算或经验数据外，应取介质温度为计算温度；3）对于夹套管道应取

内管或套管介质温度的较高者作为计算温度；4）对于外伴热管道应根据

具体条件确定计算温度；5）对于衬里管道应根据计算或经验数据确定计

算温度；6）对于安全泄压管道，应取排放时可能出现的最高或最低温

度作为计算温度；7）进行管道柔性设计时，不仅应考虑正常操作条件下

的温度，还应考虑开车、停车、除焦、再生及蒸汽吹扫等工况。3.管道

安装温度宜取20℃（除另有规定外）。4.管道计算压力应取计算温度

下对应的操作压力。5.管道钢材参数按《石油化工管道柔性设计规范》

SH/T3041-2002执行1）钢材平均线膨胀系数可参照附录A选取。2）

钢材弹性模量可参照附录B选取。3）计算二次应力范围时，管材的弹

性模量应取安装温度下钢材的弹性模量。6.管道壁厚计算

1）内压金属直管的壁厚根据SH3059-2001《石油化工管道设计器

材选用通则》确定：当S0<Do/6时，直管的计算壁厚为：SO=P

D0/（2［o］①+2PY）直管的选用壁厚为：S=SO+C式中S0—一直管

的计算壁厚，mm；P---设计压力，MPa；DO----直管外径，mm；

［。］——设计温度下直管材料的许用应力，MPa；中一一焊缝系数，对

无缝钢管，①=1；S——包括附加裕量在内的直管壁厚，mm；C一一直

管壁厚的附加裕量，mm；Y——温度修正系数，按下表选取。

tt

温度修整系数表

温度℃材料W482铁素体钢奥氏体钢0.40.45100.50.4538

0.70.45660.70.45930.70.526210.70.7

当S02D0/6或P/［。］>0.385时，直管壁厚应根据断裂理论、疲

劳、热应力及材料特性等因素综合考虑确定。2）对于外压直管的壁厚

t

应根据GB150-1998《钢制压力容器》规定的方法确定。7.管道上

的荷载管道上可能承受的荷载有：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，压力荷载包括内压力和外压力；

3）位移荷载，位移荷载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，如安全阀启跳

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）机器振动荷载，如回

转设备的振动。8.管道端点的附加位移在管道柔性设计中，除考虑管道

本身的热胀冷缩外，还应考虑下列管道端点的附加位移：1）静设备热胀

冷缩时对连接管道施加的附加位移；2）转动设备热胀冷缩在连接管口处

产生的附加位移；3）加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移；4）

储罐等设备基础沉降在连接管口处产生的附加位移；5）不和主管一起分

析的支管，应将分支点处主管的位移作为支管端点的附加位移。9.管道

布置管道的布置尽量利用自然补偿能力：1）改变管道的走向，以增加

整个管道的柔性；

2）利用弹簧支吊架放松约束；3）改变设备布置。4）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、口形、Z形

等管段。确定管道固定点位置时，宜使两固定点间的管段能够自然补偿。

10.宜采用计算机分析方法进行详细柔性设计的管道1）操作温度大于

400℃或小于一50℃的管道；2）进出加热炉及蒸汽发生器的高温管

道；3）进出反应器的高温管道；4）进出汽轮机的蒸汽管道；5）进出离

心压缩机、往复式压缩机的工艺管道；6）与离心泵连接的管道，可根据

设计要求或按图-1确定柔性设计方法；

图与离心泵连接管道柔性设计方法的选择7）设备管口有特殊

受力要求的其他管道；8）利用简化分析方法分析后，表明需进一步详细

分析的管道。11.不需要进行计算机应力分析的管道1）与运行良好的管

道柔性相同或基本相当的管道；2）和已分析管道相比较，确认有足够柔

性的管道；3）对具有同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无

中间约束并能满足式（1）和式（2）要求的非极度危害或非高度危害介

质管道。Do•Y/（L-U）W208.3一—（1）Y=（/X+/Y+/Z）

2221/22

---（2）

式中：DO——管道外径，mm；Y——管道总线位移全补偿值，mm；

△x、Ay.Az分别为管道沿坐标轴x、y、z方向的线位移全补偿

值，mm；L管系在两固定点之间的展开长度，m；U管系在两固

定点之间的直线距离，mo式（1）不适用于下列管道：（1）在剧烈循

环条件下运行，有疲劳危险的管道：（2）大直径薄壁管道（管件应力增强

系数i25）：（3）不在这接固定点方向的端点附加位移量占总位移量

大部分的管道；（4）L/U>2,5的不等腿〃U〃形弯管，或近似直线的锯齿状

管道。12.管道端点无附加角位移时管道线位移全补偿值计算当管道端

点无附加角位移时，管道线位移全补偿值应按下列公式计算：，X=/X-

ZIX-ZXtA\=AX-A\-ZYt，Z=/Z-ZZ-ZlZt

BABABAAB

AB

AB

zlXt

AB

=a1(XB-XA)(T-TO)

ZlYt=a1(YB-YA)(T-TO)/Zt

AB

AB

=a1(ZB-ZA)(T-TO)

式中：/X、AX./Z——分别为管道沿坐标轴X、Y、Z方向的线

位移全补偿值，mm：/X、/Y、/Z/X、/Y、Al

ABABBBAAA——

分别为管道的始端A沿坐标轴X、Y、Z方向的附加线位移，mm；分

别为管道的末端B沿坐标轴X、Y、Z方向的附加线位移，mm；

AB---

B---

ZlXt、ZYt、ZlZt

分别为管道AB沿坐标轴X、Y、Z方向的热伸长值，mm；

at——管道材料在安装温度与计算温度间的平均线膨胀系数，

mm/mm•℃；XA、YA、ZA一一管道始端A的坐标值，mm；XB、YB、ZB--

管道末端B的坐标值，mm；T——管道计算温度，℃；TO——管道安装

温度，。C。

13.例题

利用判别式解题有两种方法：第一种方法注意如下四点和上面

“十，，、“一”号的取值。1)假定一个始端，一个终端2)始端固定,

终端放开3)热膨胀方向由始端向终端4)热伸长量取正直第二种方法

注意如下四点。和SH/T3041-2002中的公式一致1)假定一个始端，一

个终端2)始端固定，终端放开3)热膨胀方向由始端向终端4)建立

坐标系，端点附加位移和热伸长量与坐标轴同向取“+”，与坐标轴反

向取“一”。上题计算如下：ZIY=ZIY-/Y-ZYt=0-4-12=一

16mm

BAAB

,Y=/Y-/Y-JYt=4-(-5)-(-20)=29mm/Z=/Z—/

Z-ZIZt=2-0-(-24)=26mmY=(/Y+/Y+/Z)

22221/2BAAB

B

A

AB

二[(-16)+29+26]

2

2

2

21/2

=42.1mm

DO.Y/(L-U)=159*42.1/(14—8.4)=6693.9/31.36=213.45>

208.3所以需要进行详细分析，与上面的计算结果不同。这里需要说明

的是，不是计算过程错误，而是新旧标准管径取的不一致，新标准为

外径。

第三章补偿器的选用首先应利用改变管道走向获得必要的柔性，

但由于布置空间的限制或其他原因也可采用补偿器获得柔性。1.补偿器

的形式压力管道设计中常用的补偿器有三种：n型补偿器、波形补偿

器、套管式或球形补偿器2.n型补偿器n型补偿器结构简单、运行可

靠、投资少，在石油化工管道设计中广泛采用。采用n形管段补偿时,

宜将其设置在两固定点中部，为防止管道横向位移过大，应在n型补偿

器两侧设置导向架。3.波形补偿器波形补偿器，补偿能力大、占地小，

但制造较为复杂，价格高，适用于低压大直径管道。1）波形补偿器条件

（1）比用弯管形式补偿器更为经济时或安装位置不够时，（2）连接两个间

距小的设备的管道。其补偿能力不够时。（3）为了减少压降，推力或振动，

在工艺过程上可行而且在经济上合理时。（4）为了保护有严格受力要求的

设备嘴子。

2）波形补偿器的形式及适用条件（1）直管段使用轴向位移型；（2）

两个方向位移的L形，Z形管段使用角型；（3）三个方向位移的Z形管

段使用万向角型；（4）吸收平行位移的使用横向型。3）选用无约束金属

波纹管膨胀节时应注意的问题（1）两个固定支座之间的管道中仅能布置

一个波纹管膨胀节；（2）固定支座必须具有足够的强度，以承受内压推

力的作用；（3）对管道必须进行严格地保护，尤其是靠近波纹管膨胀节

的部位应设置导向架，第一个导向支架与膨胀节的距离应小于或等于

4DN,第二个导向支架与第一个导向支架的距离应小于或等于14DN,以

防止管道有弯曲和径向偏移造成膨胀节的破坏；4）带约束的金属波纹管

膨胀节的类型带约束的金属波纹管膨胀节的共同特点是管道的内压推力

（俗称盲板力）没有作用于固定点或限位点处，而是由约束波纹管膨胀节

用的金属部件承受。

（1）单式较链型膨胀节，由一个波纹管及销轴和较链板组成，用于吸

收单平面角位移；（2）单式万向钱链型膨胀节，由一个波纹管及万向环、

销铀和钱链组成，能吸收多平面角位移；（3）复式拉杆型膨胀节，由用

中间管连接的两个波纹管及拉杆组成，能吸收多平面横向位移和拉杆问

膨胀节本身的轴向位移；（4）复式较链型膨胀节，由用中间管连接的两

个波纹管及销轴和较链板组成，能吸收单平面横向位移和膨胀节本身的

轴向位移；（5）复式万向钱链型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管

及销轴和钱链板组成，能吸收互

相垂直的两个平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；（6）弯管压

力平衡型膨胀节，由一个工作波纹管或用中间管连接的两个工作波纹管

及一个平衡波纹管构成，工作波纹管与平衡波纹管间装有本文由

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压力管道应力分析部分管道应力分析部第一章任务与职责1.管

道柔性设计的任务压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够

的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、内压和外载或因管道支架

受限和管道端点的附加位移而发生下列情况；1）因应力过大或金属疲劳

而引起管道破坏；2）管道接头处泄漏；3）管道的推力或力矩过大，而

使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行；4）管

道的推力或力矩过大引起管道支架破坏；2,压力管道柔性设计常用标准

和规范1）GB50316-2000《工业金属管道设计规范》2）SH/T3041-2002

《石油化工管道柔性设计规范》3）S113039-2003《石油化工非埋地管道

抗震设计通则》4）SH3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》5）

SH3073-95《石油化工企业管道支吊架设计规范》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）GB/T

12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》9）HG/T20645-1998《化

工装置管道机械设计规定》10）GB150-1998《钢制压力容器》3.专业职

责1）应力分析（静力分析动力分析）2）对重要管线的壁厚进行计算3）

对动设备管口受力进行校核计算4）特殊管架设计4.工作程序1）工程

规定2）管道的基本情况3）用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量

利用自然补偿4）用目测法判断管道是否进行柔性设计5）L型U型管

系可采用图表法进行应力分析6）立体管系可采用公式法进行应力分析

7）宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道8）采用CAESARII进行

应力分析9）调整设备布置和管道布置

10）设置、调整支吊架11）设置、调整补偿器12）评定管道应力13）

评定设备接口受力14）编制设计文件15）施工现场技术服务5.工程规定

1）适用范围2）概述3）设计采用的标准、规范及版本4）温度、压力

等计算条件的确定5）分析中需要考虑的荷载及计算方法6）应用的计

算软件7）需要进行详细应力分析的管道类别8）管道应力的安全评定

条件9）机器设备的允许受力条件（或遵循的标准）10）防止法兰泄漏的

条件11）膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求12）业主的特殊要求13）计

算中的专门问题（如摩擦力、冷紧等的处理方法）14）不同专业间的接口

关系15）环境设计荷载

16）其它要求

第二章压力管道柔性设计1.管道的基础条件包括：介质温度压力

管径壁厚材质荷载端点位移等。2.管道的计算温度确定管道的计算

温度应根据工艺设计条件及下列要求确定：1）对于无隔热层管道：介质

温度低于65℃时，取介质温度为计算温度；介质温度等于或高于65℃

时，取介质温度的95%为计算温度；2）对于有外隔热层管道，除另有

计算或经验数据外，应取介质温度为计算温度；3）对于夹套管道应取

内管或套管介质温度的较高者作为计算温度；4）对于外伴热管道应根据

具体条件确定计算温度；5）对于衬里管道应根据计算或经验数据确定计

算温度；6）对于安全泄压管道，应取排放时可能出现的最高或最低温

度作为计算温度；7）进行管道柔性设计时，不仅应考虑正常操作条件下

的温度，还应考虑开车、停车、除焦、再生及蒸汽吹扫等工况。3.管道

安装温度宜取20℃（除另有规定外）。4.管道计算压力应取计算温度

卜对应的操作压力。5.管道钢材参数按《石油化工管道柔性设计规范》

SH/T3041-2002执行1）钢材平均线膨胀系数可参照附录A选取。2）

钢材弹性模量可参照附录B选取。3）计算二次应力范围时，管材的弹

性模量应取安装温度下钢材的弹性模量。6.管道壁厚计算1）内压金属

直管的壁厚

根据SH3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》确定：当S0<

Do/6时，直管的计算壁厚为：SO=PD0/（2［o］①+2PY）直管的选

用壁厚为：S=SO+C式中S0——直管的计算壁厚，mm；P——设

计压力，MPa；DO——直管外径，mm；［。］——设计温度下直管材

料的许用应力，MPa；①一一焊缝系数，对无缝钢管，①=1；S——

包括附加裕量在内的直管壁厚，mm；C——直管壁厚的附加裕量，mm；

Y——温度修正系数，按下表选取。

tt

温度修整系数表

温度℃材料W482铁素体钢奥氏体钢0.40.45100.50.4538

0.70.45660.70.45930.70.526210.70.7

当S02D0/6或P/［。］>0.385时，直管壁厚应根据断裂理论、疲

劳、热应力及材料特性等因素综合考虑确定。2）对于外压直管的壁厚应

根据GB150-1998《钢制压力容器》规定的方法确定。

t

7.管道上的荷载管道上可能承受的荷载有：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，压力荷载包括内压

力和外压力；3）位移荷载，位移荷载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，

如安全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）机器振动

荷载，如回转设备的振动。8.管道端点的附加位移在管道柔性设计中，

除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑下列管道端点的附加位移：1）

静设备热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；2）转动设备热胀冷缩在

连接管口处产生的附加位移；3）加热炉管对加热炉进出口管道施加的附

加位移；4）储罐等设备基础沉降在连接管口处产生的附加位移；5）不和

主管一起分析的支管，应将分支点处主管的位移作为支管端点的附加位

移。9.管道布置管道的布置尽量利用自然补偿能力：1）改变管道的走

向，以增加整个管道的柔性；2）利用弹簧支吊架放松约束；

3）改变设备布置。4）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、II形、Z形等管段。确定管道固定点位

置时，宜使两固定点间的管段能够自然补偿。10.宜采用计算机分析方

法进行详细柔性设计的管道D操作温度大于400℃或小于一50℃的

管道；2）进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道；3）进出反应器的高温管

道；4）进出汽轮机的蒸汽管道；5）进出离心压缩机、往复式压缩机的工

艺管道；6）与离心泵连接的管道，可根据设计要求或按图确定柔

性设计方法；

图与离心泵连接管道柔性设计方法的选择7）设备管口有特殊

受力要求的其他管道；8）利用简化分析方法分析后，表明需进一步详细

分析的管道。11.不需要进行计算机应力分析的管道1）与运行良好的管

道柔性相同或基本相当的管道；2）和已分析管道相比较，确认有足够柔

性的管道；3）对具有同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无

中间约束并能满足式（1）和式（2）要求的非极度危害或非高度危害介

质管道。Do•Y/（L-U）W208.3一—（1）Y=（/X+/Y+/Z）

2221/22

---（2）

式中：DO——管道外径，mm；Y——管道总线位移全补偿值，mm；

△x、Ay、Az分别为管道沿坐标轴x、y、z方向的线位移全补偿

值，mm；L管系在两固定点之间的展开长度，m；U管系在两固

定点之间的直线距离，mo式（1）不适用于下列管道：（1）在剧烈循

环条件下运行，有疲劳危险的管道：（2）大直径薄壁管道（管件应力增强

系数i25）：（3）不在这接固定点方向的端点附加位移量占总位移量

大部分的管道；（4）L/U>2.5的不等腿〃U〃形弯管，或近似直线的锯齿状

管道。12.管道端点无附加角位移时管道线位移全补偿值计算当管道端

点无附加角位移时，管道线位移全补偿值应按下列公式计算：，x=/x-

ZIX-zxtA\=AX-AX-ZYt，Z=/Z-AT-ZlZt

BABABAAB

AB

AB

zlXt

AB

=al(XB-XA)(T-TO)

ZlYt=a1(YB-YA)(T-TO)，Zt

AB

AB

=a1(ZB-ZA)(T-TO)

式中：/X、/Y、ZZ一一分别为管道沿坐标轴X、Y、Z方向的线

位移全补偿值，mm：/X、/Y、/Z/X、，Y、Al

ABABBBAAA——

分别为管道的始端A沿坐标轴X、Y、Z方向的附加线位移，mm；分

别为管道的末端B沿坐标轴X、Y、Z方向的附加线位移，mm；

AB---

B---

ZXt、/Yt、ZlZt

分别为管道AB沿坐标轴X、Y、Z方向的热伸长值，mm；

at——管道材料在安装温度与计算温度间的平均线膨胀系数，

mm/mm•℃；XA、YA、ZA一一管道始端A的坐标值，mm；XB、YB、ZB--

管道末端B的坐标值，mm；T——管道计算温度，℃；TO——管道安装

温度，℃。

13.例题

利用判别式解题有两种方法：第一种方法注意如下四点和上面

“十，，、“一”号的取值。1)假定一个始端，一个终端2)始端固定,

终端放开3)热膨胀方向由始端向终端4)热伸长量取正直第二种方法

注意如下四点。和SH/T3041-2002中的公式一致1)假定一个始端，一

个终端2)始端固定，终端放开3)热膨胀方向由始端向终端4)建立

坐标系，端点附加位移和热伸长量与坐标轴同向取“+”，与坐标轴反

向取“一”。上题计算如下：ZIY=ZIY-/Y-ZYt=0-4-12=一

16mmZIY=ZIY—A\—JYt=4—(—5)—(—20)=29mm

BAABBAAB

/Z=/Z-ZZ一/Zt=2-0-(-24)=26mmY=(/Y+/Y+

ZIZ)

22221/2

B

A

AB

二[（-16）+29+26]

2

2

2

21/2

=42.1mm

DO.Y/（L-U）=159*42.1/（14-8.4）=6693.9/31.36=213.45>

208.3所以需要进行详细分析，与上面的计算结果不同。这里需要说明

的是，不是计算过程错误，而是新旧标准管径取的不一致，新标准为

外径。

第三章补偿器的选用首先应利用改变管道走向获得必要的柔性，

但由于布置空间的限制或其他原因也可采用补偿器获得柔性。1.补偿器

的形式压力管道设计中常用的补偿器有三种：n型补偿器、波形补偿

器、套管式或球形补偿器2.n型补偿器n型补偿器结构简单、运行可

靠、投资少，在石油化工管道设计中广泛采用。采用n形管段补偿时,

宜将其设置在两固定点中部，为防止管道横向位移过大，应在n型补偿

器两侧设置导向架。3.波形补偿器波形补偿器，补偿能力大、占地小,

但制造较为复杂，价格高，适用于低压大直径管道。1）波形补偿器条件

⑴比用弯管形式补偿器更为经济时或安装位置不够时。（2）连接两个间

距小的设备的管道。其补偿能力不够时。（3）为了减少压降，推力或振动，

在工艺过程上可行而且在经济上合理时。（4）为了保护有严格受力要求的

设备嘴子。

2）波形补偿器的形式及适用条件（1）直管段使用轴向位移型；（2）

两个方向位移的L形，Z形管段使用角型；（3）三个方向位移的Z形管

段使用万向角型；（4）吸收平行位移的使用横向型。3）选用无约束金属

波纹管膨胀节时应注意的问题（1）两个固定支座之间的管道中仅能布置

一个波纹管膨胀节；（2）固定支座必须具有足够的强度，以承受内压推

力的作用；（3）对管道必须进行严格地保护，尤其是靠近波纹管膨胀节

的部位应设置导向架，第一个导向支架与膨胀节的距离应小于或等于

4DN,第二个导向支架与第一个导向支架的距离应小于或等于14DN,以

防止管道有弯曲和径向偏移造成膨胀节的破坏；4）带约束的金属波弯头

或三通，平衡波纹管一端有封头并承受管道内压，工作波纹付和平衡波

纹管外端间装有拉杆。此种膨胀节能吸收轴向位移和/或横向位移。拉杆

能约束波纹管压力推力.常用于管道方向改变处；（7）直管压力平衡型

膨胀节，一般位于两端的两个工作波纹管及有效面积等于二倍工作波纹

管有效面积、位中间的一个平衡波纹管组成，两套拉杆分别将每一个工

作波纹管与平衡波纹管相互连拔起来。此种膨胀节能吸收轴向位移。拉

杆能约束波纹管压力推力。5）波纹管膨胀节在施工安装中应注意的问题

（1）膨胀节的施工和安装应与设计要求相一致；（2）膨胀节的安装使用

应严格按照产品安装说明书进行；（3）禁止采用使膨胀节变形的方法来

调整管道的安装偏差；（4）固定支架和导向支架等应严格按照设计图纸

进行施工，需要改动时应经原分析设计人员认可；（5）膨胀节上的箭

头表示介质流向，应与实际介质流向相一致，不能装反；（6）安装较链

型膨胀节时，应按照施工图进行，钱链板方向不能装错；（7）在管道系

统（包括管道、膨胀节和支架等）安装完毕，系统试压之前，应将膨胀节

的运输保护装置拆除或松开。按照国标GB/T12777的规定，运输保护

装置涂有黄色油漆，应注意不能将其他部件随意拆除；（8）对于复式大

拉杆膨胀节，不能随意松动大拉杆上的螺母，更不能将大拉杆拆除；（9）

装有膨胀节的管道，做水压试验时，应考虑设置适当的临时支架以承受

额外加到管道和膨胀节上的荷载。试验后应将临时支架拆除。3.套管式

或球形补偿器套管式或球形补偿器因填料容易松弛，发生泄漏，在石化

企业中很少采用。在有毒及可燃介质管道中严禁采用填料函式补偿器。4.

冷紧1）冷紧

冷紧可降低操作时管道对连接设备或固定点的推力和力矩，防止法

兰连接处弯矩过大而发生泄漏。冷紧是将管道的热应变一部分集中在冷

态，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。当

管道沿坐标轴X、y、Z方向的冷紧比不同时，每个方向的冷紧值应根据

该方向的冷紧进行计算。当管道上有几个冷紧口时，沿坐标轴X、y、Z方

向的冷紧值分别为各冷紧口在相应坐标轴方向冷紧值的代数和。管道采

用冷紧时，热态冷紧有效系数取2/3,冷态取1。

2）连接转动设备的管道不应采用冷紧由于施工误差使得冷紧量难

于控制，另一方面，在管道安装完成后要将与敏感设备管口相连的管

法兰卸开，以检查该法兰与设备法兰的同轴度和平行度，如果采用冷紧

将无法进行这一检查。3）自冷紧如果热胀产生的初应力较大时，在

运行初期，初始应力超过材料的屈服强度而发生塑性变形，或在高温持

续作用下，管道上产生应力松弛或发生蠕变现象，在管道重新回到冷态时,

则产生反方向的应力，这种现象称为自冷紧。但冷紧不改变热胀应力范

围。4）冷紧比冷紧比是冷紧值与全补偿量的比值。对于材料在阳变温

度下工作的管道，冷紧比宜取0.7o对于材料在非蠕变温度下工作的管

道，冷紧比宜取0.5。第四章支吊架选用

1.管道跨距管道基本跨距的确定实际上就是管系承重支架（或起承

重作用的支架）的位置和数量的确定，也就是说管系中承重支架的位置和

数量应满足管道基本跨距的要求。为了简化计算，对于水平连续敷设

的管道，以三跨连续梁作为计算模型，并按承受均布载荷（指管道自重、

介质重和隔热材料重之和）分别根据刚度条件和强度条件计算其最大允

许跨距，取（L1和L2）两者之间的小值。⑴刚度条件：L1=

0.039（Etl/q）1/4（装置内）

L'1=0.048（Etl/q）1/4（装置外）式中LI、L'l一一装置内（外）由

刚度条件决定的跨距，m；Et——管材在设计温度下的弹性模量，MPa；

I一一管子扣除腐蚀裕量及负偏差后的断面惯性矩，mm；q——每米管道

的质量，N/m。（2）强度条件：L2=0.l（［o］W/q）（不考虑内压）L2

=0.071（［o］W/q）式中［。］——管材在设计温度下的许用应力，MPa；

W——管子扣除腐蚀裕量及负偏差后的抗弯断面模数，mmoI和W分别

按以下二式计算：I=n（Do-Di）/64W=n（Do-Di）/32Do式中Di——

管道内径，mm；Do——管道外径，mmo2.管道支吊架的形式：管道支

吊架的用途为：1）承受管道的重量荷载（包括自重、介质重和隔热材科

重等）；2）限制管道的位移，阻止管道发生非预期方向的位移；3）用

来控制管道的振动、摆动或冲击。

44443tt1/2t1/24

（考虑内压）

因此，管道支撑的位置确定、支撑型式的确定以及管道支吊架本身

的强度设计也主要是围绕着上述支吊架的三个功能展开的。根据管道支

吊架的用途可以分为三大类：

刚性支吊架可调刚性支吊架承重支吊架可变弹簧支吊架恒力弹

簧支吊架固定支架限制性支吊架限位支架导向支架减振器防振支

架阻尼器

固定架限制了三个方向的线位移和三个方向的角位移；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。3.承重支吊架以支撑管道自重及其它持续载荷为目的的支吊架统称

为承重支吊架，它主要用于防止管道因自重及其它持续载荷（如介质重、

隔热材料重、雪载荷等）而导致的管道强度或刚度超出标准要求。根据

管道相对于支撑结构的空间位置不同，承重支吊架可分为支架和吊架两

大类。支撑件将管道支撑在它的上方时，这类支撑件叫做支架。用可

以空间摆动的支撑件（吊杆）将管道吊在其下面支撑时，这类支撑件叫做

吊架。支架和吊架都可以完全或部分限制管道的向下位移，但二者的支

撑效果有所不同。支架因与支撑管道之间可能存在摩擦而使得管道的水

平位移受到一定的阻碍，同时产生摩擦力。支架的刚度也比较大，故其

稳定性较好。吊架对管道的约束刚度相对较小（除竖直方向外），也不存

在摩擦力，如果在一根较长的管道中吊架用的太多，会使管系不稳定，

故在一条管道中，一般不宜均用吊架进行支撑。根据承受管道重量的特点

不同，承重支吊架又分为刚性支吊架、可调刚性支吊架、可变弹簧支吊架

和恒力弹簧支吊架四类。1）刚性支吊架

刚性支吊架仅限制管道一个方向（通常为-丫方向）的自由度。它常用

于管道在支撑点无向上垂直热位移和附加位移的情况下，或用于支撑点

有较小的向下位移和附加位移但不会由此在管系中造成较大的管系力的

情况下。刚性支吊架是应用最多的一种支吊架。根据应用场合和生根

条件的不同，常用的刚性支吊架系列有平（弯）管支托、假管支托、悬臂支

架、临管支架等。2）可调刚性支吊架可调刚性支吊架是一般刚性支吊

架的一种特殊型式，即通过旋拧可调螺丝，使支吊架的高度在一定范

围内得到调整，用于有少量竖直方向的热位移或附加位移的场合。在工作

工况下，当支撑点有竖直方向的热位移或附加位移时，会使管道脱离支

架（俗称支架脱空）而起不到支撑作用，或使支架被顶死而产生较大的管

系力，此时应采用下面将要介绍的弹簧支吊架。如果支撑点竖直方向的

热位移或附加位移比较小而且又位于容易接近的地方时，采用可调刚性

支吊架比弹簧支吊架会更经济、更方便。3）可变弹簧支吊架可变弹簧

支吊架适用于支撑点有垂直位移、用刚性支吊架会脱空或造成过大热胀推

力的场合。与恒力弹簧支吊架相比，使用可变弹簧支吊架会造成一定的

荷载转移。为防止过大的荷载转移，可变弹簧支吊架的荷载变化率应控

制在25%以下。当然，有时根据实际需要而有意识地去分配管系在各支

撑点的载荷，即有意识地给定一个较大的安装载荷而获得较大的载荷转

移。常用强型的可变弹簧支吊架有支、吊两种，根据载荷情况和受力条件

还可采用串联和并联两种型式。4）恒力弹簧支吊架恒力弹簧支吊架适

用于管道支撑点垂直位移量较大或管系受为要求较苛刻的场合。通过采

用恒力弹簧支吊架，可以避免管道支撑点冷态和热态的受力变化太大而

导致管系本身的应力或相连设备的受力超标。恒力弹簧的恒定度应小于

或等于6%,以保证支吊点发生位移时，支承力的变化很小。恒力弹簧支

吊架一般采用描架型式，且根据受力情况可并联使用。如果认为刚性支

吊架的刚度理论上为无穷大的话，那么恒力弹簧支吊架的刚度理论上则为

零，而可变弹簧支吊架的刚度介于二者之间，它等于弹簧产生单位变形所

需要的力。4.限位支吊架以限制和约束因热胀而引起的管系位移为目的

支吊架称为限位支吊架。管系受热而发生热胀时，管系中的各点将发生

位移。在管系中适当设置限位支吊架，可控制支撑点的位移或某些方向

的位移，使管系的变形或各点的位移朝着有利于保护敏感设备或有利于

热补偿的方向进行。根据对管系热位移约束的方式不同，限位支吊架又

可分为固定支架、导向支架和止推支架三种。1）固定支架

固定支架可限制管道支撑点三个方向的线位移和三个方向的角位

移，因此它常用于管道上不允许有任何位移的地方。固定支架一般同时

又能起承重作用。常用的固定支架型式有焊接型管托和螺拴固定管托两

种。2）导向支架导向支架可限制管道支撑点两个方向的线位移，因此

常用于引导管道位移方向、使管道能沿轴向位移而不能横向位移的情

况。当用于水平情况时，导向支架又同时能起承重作用。常用的导向支

架型式有管托型导向支架、光管型导向支架、管卡型导向支架等型式。3）

止推支架止推支架常代替固定支架用于限制管道的轴向位移。根据限位

方式的不同，常用的止推支架又分为“+X/+Z”和"-X/-Z〃双向止推支架和

“+X/+Z〃或单向止推支架两种。常用的止推支架为单向止推架，

它可限制管道支撑点一个方向的线位移。5.防振支架专门用于控制管道

振动的支吊架叫做防振支架。防振支架常用于控制或缓解往复式机泵迸

出口管道或由地震、风载荷、水击、安全阀排出反力引起的管道振动场

合。应该说，前面所讲的支吊架类型中，除吊架以外，其它支架都在某

种程度上起到防振作用，但它们中要么防振作用的效果不好，要么会带

来其它问题（如降低或限制了管系的热补偿能力），因此，工程上对于防

振情况则给出了专用支架。常用的防振支架主要有两类，其一是防振管卡,

其二是阻尼器。1）防振管卡防振管卡能有效地控制管系的高频率强迫

振动。防振管卡与固定支架不同，它允许管道有一定的轴向位移而使

管系不会因热胀而破坏。防振管卡与一般的刚性承重支架和导向支架不

同它对管道施加了较大的刚度约束（从型式和数量上实现），且增加了架

对管道的阻尼作用从而有效地阻滞了管系的振动。2）阻尼器阻尼器与

减振支架的最大区别遮于它给予了管系较大的自由度，因而对连续强迫

型高频机械振动的抑制效果较差，它常用于缓解瞬间激振（如主汽门突然

关闭、泵突然停车、地震、水锤等）引起的有阻尼自由振动。工程上应用

的阻尼器有油压式阻尼器、摩擦式阻尼器等。6.目前工程上常用的弹簧

支吊架主要有两类：即可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架，而且已形成

标准系列。对应的国家标准为GB10181《恒力弹簧支吊架》和GB10182

《可变弹簧支吊架》。

1）可变弹簧支吊架的工作原理可变弹簧支吊架的核心部件是一个

被控制的圆柱弹簧，当被支撑管道发生竖向位移时，会带动圆柱弹簧

的控制板使弹簧压缩或被拉长。

由虎克定律可知，此时弹簧压缩或伸长所需要的力（也等于对管子的

作用力）可用下式表示：F=k・8式中F——弹簧被压缩或被拉长8量

时所需要的力，N；K——弹簧刚度，N/mzrn8——弹簧被压缩或被拉伸

的变形量，mm。弹簧刚度是一个只与弹簧自身参数（如弹簧直径、弹簧

材料等）有关的物理量，一旦弹簧参数一定，它是个常数（在其允许总变

形量的30%~70%范围内是个常数）。因此，此时弹簧对管道的作用力则与

变形量成正比。工程上正是糊糊的这一性质来进行有垂直位移的管道支撑

的。对于标准弹簧支吊架来说，弹簧都是经过预压缩然后装入弹簧箱中

的。因此，对于同样一个变形量5,此时压缩弹簧所需耍的力F应按

下式计算：F=（8l+8）k=8lk+6-k=Fl+k6式中81一一弹簧

预压缩的变形量，mmFl——弹簧预压缩时的压缩力，N；F、6、k——

意义同前。设F为弹簧支吊架的工作载荷，并用符号FG表示：设F1为

弹簧支吊架的安装荷载，并用FA表示：设S为弹簧在由安装载荷变为

工作载荷时的变形量，并在弹簧被压缩时取正号，被拉伸时取负号-。S在

管道支撑中即为管道支撑点的竖直位移量，支撑点的竖直位移向上时取

正号，向下时取负号。可变弹簧支吊架的选型公式为：FA=k6+FG

2）常用可变弹簧支吊架系列国家标准GB1018s共给出了A、B、C、

D、E、F、G七种标准型式，见图所示。A型一一上螺纹悬吊型；B型一一

单耳悬吊型；C型一一双耳悬吊型；D型一一上调节搁置型；E型一一

下调节搁置型；F型一一支撑搁置型；G型一一并联悬吊型。

7.可变弹簧支吊架的选用工程上，一般按热态吊零的载荷分配原则

确定弹簧支吊架的受力。所谓热态吊零，是指弹簧支吊架在热态时承受

的力应等于冷态时由管系分配给它的力。按这样的原则确定的弹簧支吊

架受力使得整个管系中各支撑点承受的自重力在热态时比较均匀，但在

热态时管系中各点的总载荷会因位移荷载的作用而不再均匀甚至会出现

严重的不合理现象，为此，工程上有时也采用冷态吊零的载荷分配原

则。所谓冷态吊零是指弹簧支吊架在冷态时承受的载荷取冷态时由管系

分配给它的载荷。与热态吊零相反，此时在热态情况下管系各支撑点承

受的自重载荷已不在均匀，而总载荷（包括位移载荷）则是自然分配。为

防止可变弹簧支吊架引起管系在热态或冷态时有较大的载荷转移，工程

上常控制它的载荷变化率不超过25%。根据这一限制条件，就可以确定

弹簧支吊架的刚度ko在确定弹簧支吊架的刚度时应遵守这样一个原则：

在弹簧支吊架能满足管系热态和冷态的承载要求而且载荷变化率不超过

规定值的情况下，应尽可能选用刚度最小（指最小规格和最小允许位移值）

的弹簧。按这样的原则选取的弹簧支吊架，其安装尺寸最小，价格最便

宜，而且实际的载荷变化率最小。1）串联可变弹簧支吊架的选用当管

系中某点的垂直位移量较大时，从标准弹簧支吊架表中可能已选不到合适

的弹簧支吊架，即要么找不到最大工作位移能满足载荷要求的标准系

列，要么因刚度较大而使载荷变化率超出标准要求，此时可考虑采用串

联可变弹簧支吊架。弹簧串联时，应选最大载荷相同的弹簧，即弹簧的

牌号相同，以保证每个弹簧的工作载荷和安装载荷都落在允许范围内，而

此

时每个弹簧变形量则按其刚度的大小成反比分配。2）并联可变弹簧

支吊架的选用当管道支撑点的载荷超出标准可变弹簧支吊架的最大允许

载荷时，或者受支撑条件（如竖管支撑）、生根条件等限制不宜采用单个

可变弹簧支吊架进行支撑时，可选用两个或两个以上的可变弹簧支吊架

并联支撑。可变弹簧支吊架并联使用时，各弹簧应为同一型号，以避免各

弹簧支承力不同而导致管子的倾斜或偏转。并联时的各弹簧变形量相同，

均等于管道在支撑点的位移量。并联后的弹簧支吊架总刚度等于各分弹

簧支吊架的刚度之和，n个弹簧支吊即架并联时其总刚度为k=kl+

k2+……+kn,而各分弹簧承受的载荷平均分配，并等于总载荷的1/no

3）可变弹簧支吊架的安装要求可变弹簧支吊架在安装前务必要压缩到

要求的安装定位刻度（与安装载荷对应的刻度值），并用定位销进行定

位。设置定位销的另一个作用是使可变弹簧支吊架起暂时成为一个刚性

支架，可以防止诸如水压试验等非工作工况下因管道载荷临时增加而引

起的不利影响，对于大直径气体管道更应考虑这个问题。管系在工作

状态下，有时