压力管道应力分析--重要经验讲解

压力管道应力分析部分第1页共45页第一章任务与职责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)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)管道的基本情况压力管道应力分析部分第2页共45页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)其它要求压力管道应力分析部分第3页共45页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S0Do/6时，直管的计算壁厚为：S0=PD0/(2[σ]tΦ+2PY)直管的选用壁厚为：S=S0+C式中S0――直管的计算壁厚，mm；压力管道应力分析部分第4页共45页P――设计压力，MPa；D0――直管外径，mm；[σ]t――设计温度下直管材料的许用应力，MPa；Φ――焊缝系数，对无缝钢管，Φ＝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。温度修整系数表材料温度℃≤482510538566593≥621铁素体钢0.40.50.70.70.70.7奥氏体钢0.40.40.40.40.50.7当S0≥D0/6或P/[σ]t0.385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。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：压力管道应力分析部分第5页共45页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、Π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－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1-1确定柔性设计方法；图1-1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压力管道应力分析部分第6页共45页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)2≤208.3――(1)Y=(⊿X2+⊿Y2+⊿Z2)1/2――(2）式中：DO――管道外径，mm；Y――管道总线位移全补偿值，mm；Δx、Δy、Δz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，m。式(l）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i≥5）：(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/U2.5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=⊿XB-⊿XA-⊿XtAB⊿Y=⊿YB-⊿YA-⊿YtAB⊿Z=⊿ZB-⊿ZA-⊿ZtAB⊿XtAB=α1(XB–XA）(T–T0）⊿YtAB=α1(YB–YA）(T–T0）⊿ZtAB=α1(ZB–ZA）(T–T0）式中：⊿X、⊿Y、⊿Z――分别为管道沿坐标轴X、Y、Z方向的线位移全补偿值，mm：压力管道应力分析部分第7页共45页⊿XA、⊿YA、⊿ZA――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；⊿XB、⊿YB、⊿ZB――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；⊿XtAB、⊿YtAB、⊿ZtAB――分别为管道AB沿坐标轴X、Y、Z方向的热伸长值，mm；αt――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――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，℃；T0――管道安装温度，℃。13.例题压力管道应力分析部分第8页共45页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“＋”、“－”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“－”。上题计算如下：⊿Y=⊿YB－⊿YA－⊿YtAB=0－4－12=－16mm⊿Y=⊿YB－⊿YA－⊿YtAB=4－(－5)－(－20)=29mm⊿Z=⊿ZB－⊿ZA－⊿ZtAB=2－0－(－24)=26mmY=(⊿Y2＋⊿Y2＋⊿Z2)1/2=[(－16)2＋292＋262]1/2=42.1mmDO．Y/(L－U)2=159*42.1/(14－8.4)2=6693.9/31.36=213.45208.3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。压力管道应力分析部分第9页共45页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：Π型补偿器、波形补偿器、套管式或球形补偿器2.Π型补偿器Π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Π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Π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压力管道应力分析部分第10页共45页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)单式铰链型膨胀节，由一个波纹管及销轴和铰链板组成，用于吸收单平面角位移；(2)单式万向铰链型膨胀节，由一个波纹管及万向环、销铀和铰链组成，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)复式铰链型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管及销轴和铰链板组成，能吸收单平面横向位