管道与储罐强度-2地上管道

第2章地上管道主讲：帅健教授地上管道•使用场合：–长输管道跨越：山谷、河流，通过沼泽、沙漠及永久冻土带等地区时采用地面架设；–站场及厂区管道，常设置在地面管架（管墩）上或地下管沟中；•优点：–不影响土壤环境，且不受地下水位的影响，检修方便，发现和清除事故容易。•缺点：–限制了通道的高度，不美观；–管道直接设置在空气中，对于非常温管增加了热冷能量的损失。2-1地上管道的支承形式地上管道是由支架或管架支承，支承的形式种类繁多。按支架高低按管架的结构形式按支架对管道的约束形式管道的跨越形式支承形式•按支架高低分：–低支架敷设–中支架和高支架敷设–沿墙敷设低支架敷设•距地面的净空约0.5米，防止地面水的侵袭和节约材料。•施工、维护和检修方便，节约材料。•缺点：–线路规划不当，将严重影响交通。中支架和高支架敷设•在人行交通频繁的地方，采用中支架，支架净空高度约2.5~3.0米。•在跨越铁路或公路的地方采用高支架，高支架净空高度约4.5~6.5米，甚至更高。•缺点：–投资大，耗材多，维修困难。管道跨越铁路与道路净空高度类型净空高度（m）类型净空高度（m）人行道路3.5铁路6.5~7.0公路5.5电气化铁路11沿墙敷设•当管径不大、管数不多时可以采用悬臂托架，将管道敷设在建筑物的墙上。•不需另设支柱。•应校核墙体的稳定性，并应注意不要影响厂房的采光和窗扇的开启。按管架的结构形式分类•分独立式和组合式。•独立式管架：–管架之间没有任何联系结构，独立地支承管道；–T形和П形，它们又可做成单层和双层，根据安装管道的多少来选用，从结构上可分为单片平面管架、空间刚架和塔架等。•组合式管架–把各自独立的管架联接起来，形成管架系统。–常见形式：•纵梁式等：比较宏伟，刚度也大，一般用于多根小直径管道在一起平行敷设，或在管线上分支较多的情况下，如化工厂、炼油厂等工厂内的室外管线。•桁架式按支架对管道的约束形式固定支架和活动支架•通常每隔一定距离，就设置一个固定支架，在两个固定支架中间设置一个补偿器。•两个固定支架之间设活动支架，只作为管道支承，而不约束管道的热膨胀。管道跨越形式——长输管道•梁式管道跨越——以输送管道作为梁的跨越•“”形刚架管道跨越——以输送管道构成“”形刚架桁架式管道跨越——以输送管道和其它构件组成桁架结构轻型托架式管道跨越—以管道作为上弦杆、钢索作为下弦杆组成托架结构管道跨越形式——长输管道单管拱跨越——以单根输送管道作为拱形的跨越组合管拱跨越——以输送管道及其它构件组成拱形的跨越管道跨越形式——长输管道悬缆式管道跨越——输送管道以悬垂形式吊挂在承重主索上的跨越悬垂式管道跨越——输送管道以悬垂状构成自承式的跨越管道跨越形式——长输管道悬索式管道跨越——输送管道以平直形状吊挂在承重主索上的跨越管道跨越形式——长输管道斜拉索管道跨越—输送管道用多根斜向张拉钢索连结于塔架和锚固墩上的跨越管道跨越形式——长输管道2-1地上管道的支承形式地上管道是由支架或管架支承，支承的形式种类繁多。按支架高低按管架的结构形式按支架对管道的约束形式管道的跨越形式支承形式2-2架空管道的载荷计算•除管道输送介质的内压外，架空管道上还作用有多种形式的载荷。•根据管道施加的载荷，设计管架。•根据作用方向，分为–垂直载荷–水平载荷–轴向载荷1．垂直载荷•垂直载荷包括管道自重、保温结构重量、管内输送介质重量、管道附件重量等；•气体管道在某些情况下尚应考虑水压试验时的水重；•必要时考虑弹簧支吊架产生的作用载荷和位移；•低支架敷设时要考虑行人的重量；•明设管道要考虑冰雪载荷和积灰载荷等。总垂直载荷的计算lqlqqqvwz)(2.1载荷系数管道单位长度自重，N/m管道单位长度上保温层重量，N/m管道单位长度内所输送的液重，按充满管道截面计算，N/m管架间距，当管架两侧的间距不等时，取其平均值,m2．水平（横向）载荷——风载荷lDwKKTZW03.1载荷系数风载体型系数，架空管道风载体型系数风压高度变化系数基本风压值(又称标准风压值)，取决于管架所在地点，它是指空旷地区10m高处30年一遇的10分钟最大平均风压值N/m23．轴向载荷•轴向摩擦力•内压引起的不平衡轴向力（阀门、弯头等处）•补偿器的反弹力–为了适应管道热膨胀的要求，在架空管道中多设有补偿器，一般设置在两个固定管架之间，当管道受热膨胀时，补偿器被压缩变形，由于补偿器的刚度，将产生一个抵抗压缩的力量。对于拐弯或附近设有支管的固定管架，尚有拐弯管或支管传来的侧向水平推力2-3管道跨度计算•地上管道，隔—定的距离就要用管架（管墩）、吊架、托架来支承。•两支承间的距离称为管道跨度。•跨度计算是地上管道设计中的重要部分。•两种条件：–强度–刚度一、按强度条件•管道截面上产生的最大应力不得超过管材的许用应力。•连续梁模型——允许出现塑性变形最大弯矩和应力弹性122lqMZlqZMb122塑性Z.ZZ'2514ZqLZqLb15122'2qZLb][15中跨跨度设计公式跨长许用应力均布载荷截面系数焊缝系数中跨边跨LL82.0焊缝系数焊接情况焊缝系数η手工电弧焊0．70有垫环对焊焊接0．90无垫环对焊焊接0．70手动双面加强焊接0．95自动双面焊接1．00自动单面焊接0．80二、按刚度条件确定管道跨度•管道在一定的跨度下总有一定的挠度，根据对挠度的限制所确定的管道允许跨度，叫做按刚度条件确定的管道跨度•两种情况–不允许反坡–允许一定程度反坡•一般要求管道的坡度和挠度限制在一定范围内就可以，并不限制反坡。•如输送特别粘稠介质的管道或要求介质在管内能完全自流放空的管道，不允许出现反坡。允许反坡——限制管道的挠度Δmax≤0.1Dg10246753110242248.02234ggDqEIxxxlxDqEIxqEIxl中跨近端直跨43222424210l124l210ggDEIxEIxqqxDEIxxxq不允许反坡•通常只需要按强度条件决定跨度即可。•对于蒸汽管道或其它对挠度有特殊限制要求的管道，应同时按强度条件和刚度条件计算跨度，最后选用两者中数值较小者。35qEIlmax2-4管道热应力计算（弹性中心法）•地面敷设管道受到来自管架、连接设备等的约束，因此，当温度变化时，管道必然发生变形，管壁上由此产生热应力。例2-1：设油罐进出油管线为φ159×4.5钢管，管材为A3钢，操作温度为60℃，若安装温度为0℃，当管线在1点处固定时，求管线的热应力和对油罐的推力。解：管道材料的热胀系数和弹性模量C/110124202GPaE管子截面积为31017.2A温差：△T=60℃-0℃=60℃横截面上的温度应力：σ=1.2×10-5×202×109×60=145.4MPa管子对油罐的推力：P=316000N将进出油管在罐前的固定点由1点改至2点•角形平面管道；•管系有大的变形能力；•管道的热应力和对油罐的推力大为降低；•力法。平面管系热应力的计算•弹性中心法（力法）——分析法•图解法——查设计手册•计算程序法–计算机程序或商用有限元软件•简化计算方法–不作详细计算，直接判断管道有无足够补偿能力ASMEB31.1和B31.3的判别式08.2)(2uLDg管子的公称直径，m管道在温度变化时的自由位移，等于两个固定支座间的直线热伸长量，mm两个固定支座间管道的实际总长度，m两个固定支座间的直线长度，m例2-2：如图，在相距60m的固定支座的管道中，设计膨胀弯的尺寸h。假定直径D=406mm，管道的安装温度为15℃，而运行温度为80℃，管道材质的弹性模量E=210GPa，α=1.12×10-51/℃。解：管道安装与运行时的温度变化为：ΔT=80-15=65℃热伸长量为：△=α·U·ΔT=1.12×10-5×60×65=0.04368m=43.68mm设计膨胀弯后，应用简易校核公式，得：3.208)60260(68.434062h求解：h=4.6mm2-5管道热应力的补偿•在温度较高的管道系统中，一般设置一些可伸缩的装置或弯曲的管段，以增加管道的弹性，减小热胀应力。•这种能减小热应力的装置称为补偿器。–伸缩器–弯曲管段伸缩装置•波纹管式和填料函式弯曲管段：L形、Z形、Π形和Ω形补偿器。•Ω形补偿器用于小口径管道。2-6管道振动•振动是一种现象；•结构振动有巨大的危害性；•振动会引起管道和管架的疲劳损坏、建筑物诱发振动以及噪声等。管道产生振动的原因•流体（气体或液体）脉动–往复式机泵进出口；–弯头、异径管、控制阀、盲板等•共振–当激发频率与系统某阶固有频率相等时；–对管道组件，推荐的最低固有频率是30Hz；–工程上的共振区范围（0.8~1.2）fn•机泵本身的振动–动平衡性能差、安装不对中、基础设计不当等容许压力脉动值（API618-3.9.2.7）5.011255.1fdPPPp管道绝对压力平均值，kPa振动频率，Hz容许声学振动力5.030/7874fdFP要求的容器振动力，直到2000N最大峰值振动力频率，Hz（如果小于30Hz则使用30Hz）允许气流脉动引发的计量误差（ISO3313）1001215.0220QVE孔板流量计误差，%孔板流速，m3/s（峰值）流经孔板实际的平均流速，m3/s容许压力降RRPd167.1基于稳定流经振动抑制设备的最大压力降值，以在该仪器进口的绝对平均管道压力值的百分比表示，最低指导压力下降比率是0.25%在振动抑制仪器所处的管段，绝对排出压力与绝对吸入压力的比值本章小结•地上管道有多种支承形式；其分类方式有：支座高低、结构形式、约束形式和跨越形式。•地上管道的载荷：–垂直载荷（管道及其内容物、附属物的重量）；–水平载荷（风载荷）；–轴向载荷（摩擦力、不平衡力、反弹力）；•管道跨度设计理论基础——连续梁；•管道跨度设计条件——强度条件和刚度条件；强度条件中考虑了塑性；刚度条件中有允许反坡和不允许反坡两种情况；•平面管系的热应力计算——力法（弹性中心法），工程上还应用图解法、计算程序法、简化计算法等；•地上管线常常需要热应力补偿设计——热伸缩和弯曲管段；•地上管道还存在振动问题。