工业管道应力分析

工业管道应力分析•为什么要进行管道应力分析？•1.什么是应力？•2.管道应力分析的目的应采用计算机分析程序进行详细应力分析的管道条件•操作温度大于等于400℃的所有规格的管道；•DN≥80,操作温度大于等于300℃或低于等于-20℃的管道；•DN≥150，操作温度大于等于200℃的管道；•DN≥500的大口径管道；•DN≥300的真空管道；应采用计算机分析程序进行详细应力分析的管道条件•与敏感压缩机（如泵、压缩机、蒸汽透平等）相连的工艺管道和蒸汽管道；•用简单计算法判断补偿不够或者用图表法无法查到的管道；•有弹簧支吊架的管道；•有波纹膨胀节的管道；•有冷紧的管道。除此之外，对下列管道应根据具体情况确定是否需要用计算机进行详细应力分析•贵重金属管道（如合金钢、不锈钢、特殊耐热钢、超低温用钢管道等）；•开停工频繁的管道；•直管部分较长、热胀冷缩量较大的管道；•相连机械或设备的关口有较大位移的管道；•刚度较大的厚壁管道；•剧毒介质管道。•对于与运行良好的管道形状、条件等相同或基本相同的管道，或者与经过详细应力分析并且合格的管道形状、条件相同或基本相当的管道，可以不再进行详细应力分析。•弹簧支吊架分为可变弹簧支吊架(VariableSpringSupportsandHangers)和恒力弹簧支吊架(ConstantSpringSupportsandHangers)两类。•按照《石油化工企业管道支吊架设计规范》（SH3073-2004）的规定：管道在支承点处有垂直位移，且荷载变化率允许大于6%，应选用可变弹簧支吊架；当要求荷载变化率不大于6%时，应选用恒力弹簧支吊架。常用的弹簧支吊架标准•国家标准/机械行业标准弹簧GB10182-88•可变弹簧支吊架（化工部）HG/T20644-1998•火力发电厂汽水管道支吊架设计手册弹簧D-ZD83(1983)•现行常用的弹簧支吊架标准JB/T8130.1、JB/T8130.2可变弹簧支吊架简介•可变弹簧支吊架，又称变力支吊架，其荷重随管子垂直位移的变化而变化。管道在温度变化等原因发生位移时，会受到弹簧支吊架的附加力，垂直位移越大，支承力的变化也越大，弹簧支吊架适用于管道垂直位移不太大的地方•现在广泛应用的可变弹簧支吊架标准荷重是35~240627N；•行程是0~120mm范围内。•弹簧支吊架的荷载随着所支吊的管道的位移而变化。•管道在冷状态时，弹簧支吊架所承受的荷载称为冷态荷载Pc。•管道在热状态时，弹簧支吊架所承受的荷载称为热态荷载Ph。•弹簧支吊架在安装时所整定的荷载称为安装荷载或整定荷载Pzd。它总是与冷态荷载相一致。•弹簧支吊架冷态荷载Pc与热态荷载Ph之间的关系和管道的热位移ΔYt的大小和方向有关。Pc=Ph-ΔYtP’ΔYt:管道支吊点的垂直热位移(mm)当热位移向上时，ΔYt取正值；当热位移向下时，ΔYt取负值。P’:管道支吊点的垂直热位移(mm)可变弹簧支吊架按安装方式的不同可分为七种型式•A型：螺纹型中间连接吊架弹簧•B型：单吊板中间连接吊架弹簧•C型：双吊板中间连接吊架弹簧•D型：荷载吊杆调节型上下连接吊架弹簧•E型：松紧螺母调节型上下连接吊架弹簧•F型：支架弹簧•G型：横担并联吊架弹簧螺纹型中间连接吊架弹簧（A型）•它的顶部有一阴螺纹，可与上部的螺纹吊杆相连。它适用于安装地位比较宽裕的地方。由于它的顶部和底部都与螺纹拉杆相连，因此能安装在便于检查之处。在吊架密集地区的弹簧吊架，其弹簧组件可设置在相同的标高，使布置整齐美观。与其相连的上部吊杆在与根部机构连接处，应配置允许吊杆摆动的部件如吊环螺母或球面与锥面垫圈组件，以免管道水平位移时。吊杆受弯曲。在上下螺纹连接处应有足够的旋合长度并要配置锁紧用的薄螺母，在安装调整后将其锁紧。螺纹型中间连接吊架弹簧（A型）单吊板中间连接吊架弹簧（B型）B型吊架弹簧的顶部为一块单眼吊板，可与直接焊于根部结构的U型吊板相连，也可倒过来与水平管道单吊杆长管夹或垂直管道双吊杆长管夹相连。因此，它的布置比较紧凑且连接件较少，是较常用的结构型式，特别适用于安装地位不宽裕的地方。将它倒过来与长管夹直接相连的方式，不宜用于露天布置和有杂物容易落下弹簧壳体的地方。松紧螺母处螺纹连接的要求与A型相同。双吊板中间连接吊架弹簧（C型）•C型吊架弹簧的顶部为两块单眼吊板和圆柱销。它可与直接焊于根部结构的单眼吊板相连，也可倒过来与水平管道（或弯管）单吊架焊接吊板或垂直管道双吊杆焊接吊板直接相连。它的特点及适用范围与单吊板吊架弹簧基本相同。中间连接吊架弹簧（B、C型）中间连接吊架弹簧（B、C型）荷载吊杆调节型上下连接吊架弹簧（D型）•D型吊架弹簧的压盖上固定一根荷载管并伸出壳体顶板，螺纹吊杆穿过弹簧和荷载管，直接用螺母来调节荷载。由于它是直接搁置在梁的顶面或管部横担的底面，因此弹簧壳体是固定不动或随横担一起移动，当管道水平位移时螺纹吊杆发生偏斜，不再与吊架弹簧组件的中心线相吻合，吊杆荷载与弹簧荷载也产生差异。为适应吊杆偏斜（一般不超过4°）的要求，荷载管应有足够大的内径，在荷载管的顶端应装设推力关节轴或球面及锥面垫圈组件。D型弹簧吊架适用于支吊架根部与管部之间净空高度受限制，而根部上部或管部横担底部有足够空间的地方，但不宜用于露天布置和管道水平位移较大的地方。荷载吊杆调节型上下连接吊架弹簧（D型）松紧螺母调节型上下连接吊架弹簧（E型）•E型吊架弹簧的壳体顶板是封闭的，它的荷载吊杆长度比中间连接吊架弹簧的吊杆长，以便让松紧螺母能露出搁置吊架弹簧的钢梁。与D型吊架弹簧相同，为适应吊杆偏斜的要求，在弹簧压盖支承荷载吊杆处应装设推力关节轴承或球面及锥面垫圈组件。否则只能用于管道水平位移很小的地方。E型弹簧吊架适用范围与D型基本相同，但它可用于露天布置。松紧螺母调节型上下连接吊架弹簧（E型）支架弹簧（F型）•F型支架弹簧安装于支架管部的下方，从底部向上支承管道。它的底板应与支架根部结构固定，而它的荷载柱顶端通过普通荷载板，或带聚四氟乙烯的荷载板，或带滚轮的荷载板与支架管部的底面相接触。采用带聚四氟乙烯板或带滚轮的荷载板，是为了减少接触面的摩擦力。前者适应任何水平方向的位移，后者适应沿管道轴线方向的水平位移。F型支架弹簧适用于管道在承载面的上方，且距离适当的地方。因为管部底面与承载结构顶面之间距离就是支架弹簧荷载板的安装高度，而支架弹簧荷载板的高度与支架弹簧的规格型号有关。支架弹簧（F1型）支架弹簧（F2型）横担并联吊架弹簧（G型）•G型吊架弹簧是由两只弹簧特性相同的E型吊架弹簧倒置和横担连接而成。横担结构一般为双槽钢，小规格吊架也有使用T型钢的。横担与吊架弹簧壳体的连接方式大多采用焊接，也有螺栓连接。横担长度可随用户需要在一定范围内变化。G型吊架弹簧适用于水平管道双吊杆吊架。它可节省安装空间和缩短横担长度，还能保证两只吊架弹簧的弹簧特性相同。横担并联吊架弹簧（G型）支吊架弹簧的选用原则•荷重变化不应超过工作荷重的25%；•弹簧的安装荷重或工作荷重不应大于弹簧的最大允许荷重；•弹簧串联安装时，应选用最大允许荷重相同的弹簧，此时热位移值应按弹簧的最大允许荷重下的变形量比例分配；并联安装时，应选用相同的型号，其荷重由两侧弹簧平均承担。•在弹簧特性能承受支吊架的冷态荷载和热态荷载，而且荷载变化系数不超过规定值的前提下，力求选用较小规格的弹簧。支吊架弹簧的选用原则•根据生根部位的结构形式和管道的空间位置结合各种类型弹簧的特点，选定弹簧支吊架的形式；•如果所选弹簧的荷载变化率不能满足要求，可以考虑选用工作位移范围较大的弹簧。加大工作位移范围后还不能满足荷载变化率的限制要求时，可考虑选用恒力弹簧支吊架；支吊架类型的选择•A、B、C型吊架为悬吊型，吊架上端用吊杆生根，下端用松紧螺母和吊杆连接管道。•D、E型吊架为搁置型，底座搁置在梁或楼板上，下方用吊杆悬吊管道。•F型支架为支撑型，座于基础平面或钢结构上，顶部支撑管道。F型分为普通型和带滚轮型两类。当管道水平位移大于6mm时，建议采用带滚轮型或采用聚四氟乙烯板。•当管道上方不能直接悬挂弹簧吊架或没有足够的高度，且管道有水平位移以及荷载超出系列范围时，可采用G型吊架。使用G型吊架应以计算荷载的一半作为选择吊架编号的依据。典型安装图例典型安装图例典型安装图例可变弹簧支吊架型号的编制方法•按JB/T8130.2的规定：TDXXXXX支吊架编号支吊架型式工作位移范围可变弹簧支吊架代号可变弹簧支吊架型号的编制方法•例1：TD30A7表示允许工作位移范围30mm，上螺纹悬吊型，7号可变弹簧吊架。•例2：TD30F16表示允许工作位移范围30mm，支撑搁置型，16号可变弹簧支架。•例3：TD90B8表示允许工作位移范围90mm，单耳悬吊型，8号可变弹簧吊架。支吊架编号的确定•根据管道运行的计算工作载荷、工作位移量、位移方向，查表1（载荷位移选用表）来确定。•若管道位移方向向上，一般从表1内的中线和上粗线之间查得工作载荷，再按位移量往下查得安装载荷。•若管道位移方向向下，一般从表1内的中线和下粗线之间查得工作载荷，再按位移量往上查得安装载荷。•选用时，不论管道向上或向下，均要使工作载荷和安装载荷在表1的上下两粗线之间，并满足载荷变化率不超过25%的要求。载荷变化率的确定载荷变化率的大小由下式计算：载荷变化率=工作载荷-安装载荷工作载荷×100%≤25%式中：位移向上时，安装载荷=工作载荷+位移量×弹簧刚度位移向下时，安装载荷=工作载荷-位移量×弹簧刚度•经表1查得的安装载荷和工作载荷均应在上下两粗线之间，但在位移量较小时，可能出现在中线和某一粗线之间。安装载荷和工作载荷查得后，须按上式进行载荷变化率验算，当载荷变化率大于25时，可选用大一档的工作位移范围，查得安装载荷。在无法满足满足载荷变化率不大于25%之要求时，可选用恒力弹簧支吊架。•限制荷载变化率的原因是防止过大的荷载转移，即防止从安装状态变化到操作状态过程中弹簧荷载变化太大，这一部分变化的荷载将转移到相邻的设备和支吊架上去。变力弹簧支吊架计算选用示例•例题1：某一管道工作载荷为17832N，运行时位移向下，计算位移量为40mm，根据管线布置确定使用F型弹簧支架，试选用弹簧支架型号和安装荷载。变力弹簧支吊架计算选用示例•例题2：某一管道的工作载荷为16450N，运行时位移向上，计算位移量为10mm，根据管线布置决定采用G型弹簧吊架，试选用弹簧吊架型号和安装荷载。整定弹簧支吊架的锁定•弹簧支吊架在出厂前应按设计要求将荷载整定在冷态荷载位置。锁定装置在管道进行水压试验或其它需要时，将弹簧支吊架锁定成刚性支吊架来使用。通常，弹簧支吊架应有2倍于正常工作荷载的承载力。整定弹簧支吊架的锁定•以前通常使用销钉来锁定弹簧。为避免锁定销钉开孔对外壳筒体和弹簧压盖的削弱，并便于预先批量装配，现在通常使用定位片来代替锁定销。上定位片用于限制弹簧在冷态未承载时向上反弹；下定位片则是防止管道水压试验或清洗时弹簧过载。•当弹簧吊点位移较大，采用单个可变弹簧不能满足要求时，可采用可变弹簧串联。•可变弹簧串联只适用于弹簧吊架，不适用于弹簧支架。采用可变弹簧吊架串联时，应选用最大荷载相同的弹簧。•串联弹簧的特点是，每个弹簧中的荷载相同，选用最大荷载相同的弹簧可以充分利用每个弹簧的承载能力。•应注意的是，可变弹簧串联所需的安装空间较大，且稳定性较差。•在以下场合可考虑采用可变弹簧支吊架并联：•1）管道荷载超过一个可变弹簧所能承受的最大允许荷载；•2）管径较大，采用单个弹簧不够稳定；•3）采用可变弹簧支吊立管。•采用可变弹簧支吊架并联，应选用同一型号的弹簧。•可变弹簧支吊架在安装时应注意以下问题：•1）对于进行水压试验的管道，弹簧定位装置应在管道安装完毕和进行水压试验以后，管道投入运行之前取消；•2）与转动机器相连的管道，为使管道法兰与机器法兰之间的间距、平行度和同轴度满足有关施工验收标准规范的要求，在安装过程中，可以将管道上靠近机器管口的几组弹簧的定位装置取消，并对弹簧荷载进行调整。恒力弹簧支吊架简介•恒力弹簧支吊架的特点：•