CAESARII管道应力分析培训

CAESARII软件培训资料

北京艾思弗计算机软件公司

2002年4月12日

1.管道应力分析的原则

胀嘘道繇铸翳麟髓黯猫瑞蒙够的柔慢防止管道因热

2.管道应力分析的主要内容

管道应力分析分为静力分析和动力分析。

静力分析包括:

门1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算一一防止塑性变形破

坏；

楼道嬲瞬缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计

算

3）管道对设备作用力的计算一一防止作用力太大，保证设备正常运

行;

4）管道支吊架的受力计算一一为支吊架设计提供依据;

5）管道上法兰的受力计算一一防止法兰汇漏。

动力分析包括:

1)管道自振频率分析一一防止管道系统共振；

2)管道强迫振动响应分析一一控制管道振动及应力；

3)往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析一一防止气柱共振;

4)往复压缩机（泵）压力脉动分析一一控制压力脉动值。

3.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；

承沉降掌位移荷载:位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支

（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）机械振动荷载：如回转设备的振动。

4.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；

NEMASM-%%伊僚F系相连的设备的管日荷载在制造商或国际规范（如

API-617等）规定的许用范围内；

共用।3）为了使及管系相连的设备管口的局部应力在ASMEVI11的允

许范围内；

4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载；

5）为了进行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。

5.管道柔性设计方法的确定

一」/E、二股㈱工•让管系必须利用应力分析软件（如CAESARII）通

过计算机进仃计算及分析。

……1）及贮罐相连的，公称管径12”及以上且设计温度在100度及

上的管线；

及以上的靠电名薛缩机（API617）及往复式压缩机（API618）的3”

3）蒸汽透平（NAMESM23）的入口、出口和抽提管线；

一、曰而“4&寨.地工秘Q）——公称管径4”及以上且温度100度及以上

或温度-20度及以下的吸入。

排出管线：

一।3山5）,空凌舞（API661）——公称管径6”及以上且温度120度及

以上的进、出口管黑；

度及以上面避热炉（API560）——及管口相连的6”及以上和温度200

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险的管线，如氧气管线、环氧乙烷

管线等。

心9）公称管径4”及以上且100度及以上或-50度及以下的所有管

线；

6.摩擦系数的确定

除非另有规定，在进行管道柔性分析时摩擦系数应作如下考虑:

滑动支架：

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采用滑动摩擦系数.

7.管道柔性设计

过自身变形僦曦柒是孱翻黑蜂卷瓣甑?物理概念'表示管道通

W器变点

设计时，一

（1）改变管道的走向；

（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。

8.管道柔性设计的目的

巾门（1）管道应力过大引起金属疲劳和（或）管道推力过大造成支架

破坏；

（2）管道连接处产生泄漏；

形苞湍「解浮蹙力矩过大，使及其相连接的设备产生过大的应力或变

冷紧比为冷紧值及全补偿量的比值。

目口1通常应尽量避免采用冷紧，在必须采用冷紧的情况下，要遵循下列

原则：

定点&J箴*降那置藕初期在工作状态下的应力和管道对连接设备或固

移量，可以采用冷紧，但冷紧不能降低管道的应力范围；

度以工咒耶需修您篇件下（碳钢380度以上低合金钢和高铭钢420

材料鎏耦变卷鬻*¥水即冷紧值及全补偿量的比值）应不小于0.7。对于

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，不宜采用冷紧。

用’?4辆霆设备相连外

fw

行度,U果小

13.带约束的金属波纹管膨胀节类型

第再锲链型膨胀节，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；

£型膨胀节，由一个波纹管及万向环、销轴和较

链组成,

能吸碣加黜哪T由用中间管连接的两个波纹管及拉杆组成，

胀节本身的轴向位移；

板组既温灌髀蹄’由用中间管连接的两个波纹管及销轴和较链

位移和膨胀节本身的轴向位移；

银链豳族哪!霜能胀节’由用中间管连接的两个波纹管及销轴和

直的两个平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；

片型膨胀节，由一个工作波纹管或用中间管连接的两

个工作7

端有霰耳缴受曾徽纹管及平衡波纹管间装有弯头或三通，平衡波纹管一

向位瞬，/看辘霜和平衡波纹管外端间装有拉杆。此种膨胀节能吸收轴

移。拉杆能约束波纹管压力推力。常用于管道方向改变处;

曼1懵期警胀节，一般由位于两端的两个工作波纹管及有

军海巍毅间的一个平衡波纹管组成，两套拉杆分别将每一个工

作波纹用

推力管相互连接起来。此种膨胀节能吸收轴向位移。拉杆能约束波纹管压力

14.对转动设备允许推力的限制

据时，可髀髓蕊斛解午推力和力矩就由制造厂提出'当制造厂无数

—(1)黑型、中心线安装、两点支承的离心泵，其允许推力和力矩

应符合API610规定；

最大解翻翻麟簪式通用汽轮机‘蒸汽管道对汽轮机接管法兰的

NEMASM23的规定。

NEMA蝙3里避曾(鸭管道对压缩机接管法兰的最大允许推力和力矩应取

倍。

15.热膨胀量(初位移)的确定

(1)封头中心管口热膨胀量的计算

16.管道设计中再能遇到的振动

(1)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)安全阀排气系统产生的振动；

(5)风载荷、地震载荷引起的振动。

17.往复压缩机、往复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；

措施，将应糠臃6髀分析’采用设置缓冲器或孔板等脉动抑制

许范围内：

通过设置娓嫡就tit有频率、振动及各节点的振幅及动应力分析'

置，消除过大管道振动。

18.共振

系统的振器咚I备命好?！嬲黎鬣东或接近系统的因有频率时，振动

19.管道支吊架的类型

力口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

工口烝重支吊架可分为：刚性支吊架、可调刚性支吊架、弹簧支吊架

和怛力支吊栗。

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。

20.管道支吊架选用的原则

管道“新麴管僚!髀’应按照支承点所承受的荷载大小和方向、

是否保温式保冷、管道的材质等条件选用合适的支吊架：

（2）设计管道支吊架时，应尽可能选用标准管卡、管托和管吊;

施工党列焊窗破糠隔管吊比卡箍型的管托、管吊省钢材，且制作简单,

情况外：应尽量采用焊接型的管插和管吊；

1）管内介质温度等于或大于400度的碳素钢材质的管道;

2）低温管道；

3）合金钢材质的管道：

4）生产中需要经常拆卸检修的管道；

21.管道支吊架的作用

第一：承受管道的重量荷载（包括自重、介质重等）；

第二：起限位作用，阴止管道发生非预期方向的位移；

第三：控制振动，用来控制摆动、振动或冲击。

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。

22.恒力弹簧支吊架、可变弹簧支吊架和刚性支吊架的刚度

恒力弹簧支吊架的刚度理论上为零：

刚性支吊架的刚度理论上为无穷大；

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。

23.恒力弹簧支吊架和可变弹簧支吊架在应用上的限制

俞

譬霞

臂

国

，S

冷

执太

的

应

竽

小

4立

占

暖翼

51移

执

耳^

载

题

为

何5

24.设计振动管道支架时，应注意下列问题

（1）支架应采用防振管卡；

（2）支架间距应经过振动分析后确定；

（3）支架结沟和支架的生根部分应有足够的刚度；

（4）宜设独立基础，尽量避免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。

25.管道支吊架位置的确定

（1）应满足管道最大允许跨度的要求；

小偏心载需『载荷时’支架应布置在靠近集中载荷的地方’以减

备嘴于承翻簿翻爨备（泵、压缩机）附近’应设置支架’以防止设

单独'媚覆》耍舞I蟀入或排出管道以及其它有强烈振动的管道，直

地面的管墩或管架上），以避免将振动传递到建筑物上；

应尽可能利用建筑物、构筑物的梁柱作为支架的

上根

所能承受的荷载，生根点的构造应能满足生根件的要求。

尚应根据圜做耀府的管道'尤其是需要作详细应力计算的管道,

（7）管道支吊架应设在不妨碍管道及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附近；

（9）安全泄压装置出口管道应根据需要，考虑是否设置支架。

26.设置管道固定点应考虑下列问题

形耳鬻3用固定点将其划分成几个形状较为简单的管

段，如L

形管段等以便进行分析计算:

”说（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n形补偿器时，宜将其设置在两固定点的中部；

（4）固定点直靠近需要限制分支管位移的地方；

道多方向魂瀛德点应设置在需要承受管道振动、冲击载荷或需要限制管

（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;

田一九E，（2）进出装置的工艺管道和非常温的公用工程管道，它在装置分

界人设固定点。

27.压缩机进出口管道支架设计要点

物基施兑隼复藉股的吸入和排出管道上的管架（或管墩）宜及建、构筑

应靠近压翻平台上生根，当设计独立的管架（或管墩）时，第一个支架

以辟皤雷原机吸入和排出管道支架（或管墩）的高度应尽

可能低,

分支政或箧黯霆兼机的管道抑振管架，宜设在管道集中荷载处、管道拐弯、

处；

热膨都鼐,离闾器压缩机吸入和排出管口一般均向下，机体热膨胀及管道

管道支架宜采用弹簧支架或弹簧吊架。

28.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；

设置支圈）翻1%瓣猾上时'在距泵最近拐弯处’于泉基础以外的位置

方的拐弯处设吊架：

应尽量蕾疆春出蛹温进出口管道，为减轻泵嘴受力而设置的支架，

的相对热伸缩量最小；

采用吊架战平吸入管道宜在靠近泵的管段上设置可调支架，也可

量采用管建罐脉动’应缩短管道支架之间的距离，尽

（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。

弹簧支吊架设计

1,可变弹簧支吊架设计基础

占

B肘J5Wi

留

^太^

XW可^

方M

s。

eH降

T目B

、“

展

s,鹿.，H

O弹

百

弹簧支吊架设计的目的是选择一个符合下列要求的弹簧：

要的置最鬃畿觞输警ft态）变化到热态（操作状态）后，弹簧提供必

②从冷态到热态的总位移在允许的范围内。

…》③当弹簧载荷从冷载荷变化到热载荷时，不会在管系中造成过大的膨胀

应力。

2.载荷变化率

驾

期

<蛆^Br1i%

J

s,

S费s►

展

出i

一

s8冷

。

S,n菊

lxl，

有A

一

菱

载

In1需1

II一

息

Ixlll

3.弹簧选型表

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范围内；

⑤如果不能满足条件，换相同号码的不同弹簧系列或邻近号的弹簧再

4.弹簧设计过程一约束重量，热态吊零及其它

选择管架位置。假设在这点有一个刚性Y向约

束，洲吐仃

上的重塔懒酸褥捣鬟重量”分析。在这一分析中，分布在每个约束

选型时的热态载荷。

除去约束，进行热膨胀分析。这种分析称为“自由

能有非剃徵蔚需朗那作为弹簧选择时的热位移。（注意：由于管系中可

“弹簧糠懦一个真正的“自由-热态”工况分析，而是一个

荷因第图'系I盘爨浦产、重量载荷和在约束重量作用下的弹簧热态载

上相互抵消，这样有效地造成一个只有热态的工

况,制罪翦

个点双皇泰娥辘舞罢得出的热态载荷和自由-热态得到的位移，对每

个弹簧，利用弹簧刚度来确定安装所需冷态载荷（预置的弹簧载荷）。

增加罐卷髓最然B集曩点增加一个刚度等于弹簧刚度的约束并且通过

然后重酷斯牖爵械工况起作用的力来调整模型以反映弹簧的存在'

以获得弹簧真实存在时的效应。

颗簧，上述四个步骤（除了确定弹簧支吊架

的位置）将'AESAR11自

5.弹簧支吊架设计说明

栗/液体管系需要作水压试验，通常在水压

试验加间弹簧:疣位块

承受水龌露嘲娥部件（管卡、吊杆等）和支架结构必须能够

验载荷通常应蚱为这些支架的控制载荷。

应加为CA番牖番爆毒量IM"热态和冷态载荷时，附加零部件的预期重量

架组件就曹歌（如在大管卡或由型钢制成的吊

荷将由者神褊矗棉义弹簧参数时没有考虑这点’管系的重量载

造成不平衡。

必居虑藕普脑疆f牌动太大而从管架上掉下来’在设计管架时

水平位小翰霜卜普辘嬖商往往限制弹簧吊在一个6度的范围内。当

m架安装在偏置的位置以减小在冷态和热态位置时支架垂直作用

线的偏差。

东载荷。在管口操作载荷不是主要因素，而法兰配

合问题是美，

十5T总里海息H可以提供冷态载荷设计，其中在冷态工况，而不是在热态

工况平衡重量载荷。

项。镯论母黑熟I蹦髅十算弹簧的“理论”和“实际”冷态载荷的选

销住在遂燔翦爵黑曝鳌夏（通常这个工作在制造厂做，弹簧被定位块

因为及这就是弹簧将在冷态工况施加给管系的载荷。

净载荷;W整湾融产的’在冷态工况下管系的这个位置将存在

长或、算系将在这个载荷作用下产生位移，造成弹簧

荷或翘曙踊舞魏f的新读数就是CAESARIT计算的“实际”冷态载

冷态载^«褊鬻的制造厂订货单中指定的冷态载荷'而“实际”

簧或察嚼皤第髓蟹载荷的读数。如果在冷态位置调整或检验弹

厂设定弹簧的冷态载荷时、实际安装载荷工况是很重要的。

（嵋然露）地魏鬣解樱于缺少约束刚度而使管系动态不稳定

力弹簧麹踹h嬲酚的垂直刚度以限制丫方向的位移。注意：恒

影响。

量情施下睡»露揄t将会以其它管架为轴而旋转’在约束一重

位置，脚假褊离动。CAESAR在分析过程中用警告来指出这些

，弹簧支吊架。当发生上述情况时，应除去这些

肇事弹簧

置。

考虑缸常魏避嬲耨露冷紧和弹簧设计时’有一些特殊规定是要

虑冷紧陶爆热龌括冷紧以计算弹簧位移。实际安装工况应考

商建议I®看箫责任证实在实际安装工况下的位移应在制造

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。

在端情箫段懿辞骗评簧支吊架通常是在管系空的时候安装。

系充液诲春心在某些情况下最好在现场调整弹簧支吊架来负担一旦管

6.CAESARH弹簧支吊架设计控制及选项

健在jitLJ

情况实吊多森整曾悟——这一点在上面已经详细描述了。如果存在下面的

整弹簧的安朝耨嗣瞽盛赞承并能够自由垂直移动的情况下要调

4、田皿」3心袈底板和承重板周围设有钢带以防止承重法兰在弹簧冷态

位置sg调整时发生移动，

2）弹簧附近的管系柔性非常大和/或者弹簧的刚度非常大。

,

播

nWII#吃s4

一aBR/i

P-

nr

85

霄J

-

r稻

s^,1

O/^

、0

SSh噜^r

。SW

亍

现

寿

^H夥

R

^二

方^

t。

wy

辅

^止xn

orr

vn

s^XW

-

也O

&

Sn,

-遥