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中国石化洛阳石油化工工程公司公司标准管道柔性分析及应力分析技术规定40B201-1998代替:40B201-85第1页共62页谢泉付国防谢林章1998-05-251998-05-30编制校审标准化审核审定会签发布日期实施日期1范围本标准规定了：（1）管道在内压、持续外载作用下的一次应力和由于热胀、冷缩及其它位移受约束产生的热胀二次应力的验算方法，以判断所计算的管道是否安全、经济、合理；（2）管道由于热胀、冷缩及其它位移受约束和持续外载作用产生的对设备的推力和力矩核算方法，以判明是否在设备所能安全承受的范围内；（3）管道应力分析方法的选择依据；（4）支吊架的选用原则.执行本规定时，尚应符合现行有关标准规范的要求。本规定适用于石油化工企业承受静力载荷的碳素钢、合金钢及不锈钢管道的柔性设计2引用标准《石油化工企业管道柔性设计规范》SHJ41《石油化工企业管道设计器材选用通则》SH3059《石油化工钢制压力容器》SH3074《石油化工企业管道支吊架设计规范》SH3073《化工厂和炼油厂管道》ANSI/ASMEB31.3《API－610/NEMA－SM23》上述标准所包含的条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。在标准出版时，所示标准均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用上述标准最新版本的可能性。3一般规定3.1管道柔性设计应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移和管道支撑设置不当等原因造成的下列问题：一.管道应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏；二.管道连接处产生泄漏;三.管道推力和力矩过大,使与其相连接的设备产生过大的应力和变形,影响设备正常运行。3.2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：一.加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移;二.塔或其它立式设备产生热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；三.管壳式换热器及其它卧式设备滑动支座移动造成连接管道的附加位移；五.几台设备互为备用时，不操作管道对操作管道的影响；六.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；七.根据需要，应考虑固定架和限位架的刚度影响。3.3对于复杂管道可用固定架将其划分成几个较为简单的管段，如L形管段，U形管段、Z形管段等再进行分析计算。3.4确定管道固定点位置时,宜使两固定点间的管段能自然补偿。3.5管道应首先利用改变走向获得必要的柔性，但由于布置空间的限制或其它原因也可采用波形补偿器其它类型或其它类型补偿器获得柔性。第2页共62页40B201-19983.6在剧毒及易燃可燃介质管道中严禁采用填料函式补偿器。3.7选用U形补偿器时，宜将其设置在两固定点中部。3.8冷紧可降低管道操作时对连接设备或固定点的推力，但连接转动设备的管道不宜采用冷紧。3.9对于材料在蠕变温度下(碳素钢380℃以上，低合金钢420℃以上)工作的管道，冷紧比(即冷紧值与全补偿值的比值)宜取0.7。对于材料在非蠕变温度下工作的管道，冷紧比宜取0.5。冷紧有效系数：热态取2/3，冷态取1。3.10作用于管道中间固定点和机泵上的载荷，应考虑滑动支架的摩擦力影响，摩擦系数应按表1选取。3.11当管道用吊杆或弹簧吊架支撑时，可不考虑摩擦力的影响。3.12对与汽轮机、离心压缩机等设备连接的管道，布置支吊架时应使设备接管承受的载荷为最小。表1滑动摩擦系数接触面f钢对钢聚四氟乙烯对不锈钢0.30.13.13往复式压缩机和往复泵的进出口管道除应进行柔性设计外，还应考虑流体压力脉动的影响。4计算参数的确定4.1计算温度管道柔性分析和应力计算时应根据不同的环境和工艺条件采用不同的计算温度：4.1.1安装温度（环境温度)应取20℃。4.1.2对一般工艺管道和公用工程管道应取管道表中的介质温度;4.1.3对蒸汽伴热管道应取工艺介质温度;4.1.4对管道夹套应取工艺介质和伴热介质中温度较高者;4.1.5对需要蒸汽吹扫的管道,当工艺介质温度低于吹扫蒸汽温度时,应取吹扫蒸汽温度;4.1.6对不保温管道，当介质温度低于38℃时应取介质温度；当介质温度等于或高于38℃时，应取介质温度的95％；4.1.7对衬里管道,壁温应取150℃。4.1.8对于低温操作但又需蒸汽吹扫的管道，应分别按低温和吹扫温度进行计算。4.1.9对于无介质管道(如备用泵的连接管道)的温度取值:4.1.9.1保温管道取50%的操作温度。4.1.9.2非保温管道取安装温度。4.1.9.3蒸汽伴热管道取设计温度的70%。4.1.10备用的泵暖管道取设计温度的70％。4.2计算压力4.2.1管道柔性计算压力应取管道设计压力。4.2.2当管道在不同操作条件下运行时，应取其最苛刻的压力温度组合。4.3许用应力4.3.1对临时(或短时)条件下的许用应力应按规定增加。例如，当由于压力、重量和其它持续载荷所产生的一次应力，加上风载或地震载荷所产生的应力之和，可以达到许用应力的1.33倍.4.3.2对许用应力超过屈服强度2/3的管道材料(如奥氏体不锈钢18－8和某些镍合金)、铸铁或其它无延展性的管道材料，则不能增加许用应力。常用的许用应力值见附录A。4.4弹性模量4.4.1常用材料的弹性模量按附录C选取;4.5线膨胀系数常用材料的线膨胀系数按附录B选取。4.6基本许用应力修正系数第3页共62页40B201-1998ΔT常用材料的焊缝系数按附录F选取;4.7管道单位长度重量4.7.1管子重量按附录E选取;4.7.2管内输送介质重量在未提供数据的情况下，可按下述原则选用：一.对液体管道，按充满管道容积的介质重量计算。二.对气体管道，应考虑气体凝结在管道中的填充量，计算方法如下：DN100以下的管道，按充满管道截面的20％计算；DN100～500范围内，按充满管道截面的15％计算；DN500以上的管道，按充满管道截面的10％计算。4.8集中载荷4.8.1安全阀反力。4.8.2调节阀推力.4.8.3风载荷.4.8.4地震载荷.5柔性分析方法的确定5.1柔性分析方法的选择原则在确定柔性分析方法以前，应对所分析的管道进行分级，以便确定相应的分析方法。按照管道的操作条件和管径，进行柔性分析时一般分为三级：A级：凭工程经验进行判断。B级：用简化方法进行判断，简化方法确定为ANSIB31.3第319.4.1条式(19)的判断式。C级:用计算机进行详细分析，计算软件确定为CAESAR－II4.0下列管道宜进行详细分析：一.进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道;二.进出汽轮机的蒸汽管道;三.进出离心压缩机、透平鼓风机的工艺管道；四.进出高温反应器的管道;五.温度超过400℃的管道;六.贵重金属管道(如钛合金和哈氏合金等)；七.含有波纹管膨胀节的管道;八.夹套管。5.2管道热胀及其补偿5.2.1管道热胀量的计算设有一直管段，由常温20℃升到T℃时，该管段将沿轴向膨胀，其热胀量可按式(1)或式(2)进行计算：ΔttL=•α(1)(2)ΔtLe=•t式中—管段的热胀量，mm。Δt—管段的长度，mm。Lαt—管材的线膨胀系数，由20℃升至T℃的每mm温升1℃的平均线膨胀量，mm/mmy℃e—单位线膨胀量，由20℃升至T℃的每mm线膨胀量，mm/mm。(见附录B)tΔT—管段的温升，℃。当管道为空间任意走向时，管道受热膨胀后将沿着两固定点的连线方向膨胀，其计算公式为：＝UyΔtαtyΔT＝Uy(3)et式中U为两固定点间的距离。当计入两固定点的附加位移时，膨胀量计算公式为：＝Δt()()()ΔΔΔXYZtt22++t2(4)第4页共62页40B201-1998式中ΔXt=ΣLXy+Σ(ΔXetGA+ΔXGB)ΔYt=ΣLYye+Σ(ΔYtGA+ΔYGB)ΔZt=ΣLZye+Σ(ΔZtGA+ΔZGB)ΔXGA、ΔYGA、ΔZGA—A固定点的附加位移,mm。ΔXGB、ΔYGB、ΔZGB—B固定点的附加位移,mm。5.2.2管道的热补偿5.2.2.1自然补偿自然补偿是利用管道自然的弯曲形状所具有的柔性来补偿自身的热胀和端点位移，例如π型补偿器等。管系的弹性与管系的形状有密切管系，尤其与管系的展开长度增加成正比。下面从平面和空间典型管系布置说明自然补偿的原则：一.平面管系若要增加平面管系的弹性，必须增加远离固定点连线的管道长度，并且不能布置成锯齿型。现以L型管系为例说明平面管系的布置与柔性的关系：图1图中,假定(a)管系不能自然补偿，则：(b)、(c)两管系均能自然补偿。这是因为这两个管系增加了远离固定点连线的管子长度，且用增加ΔY的长度来吸收ΔX的热胀量；(d)、(e)两管系也可能满足自然补偿，但效果不如(b)、(c)两管系。这是因为它们未明显满足远离固定点连线的原则；(f)、(g)两管系的柔性相对(a)管系来说没有增加远离固定点的长度，所以补偿能力没有改变；(h)、(i)两管系补偿能力比(a)管系更差。这是因为虽然增加了一些远离固定点连线的长度，但管系在X、Y管段坐标方向上的投影长度差值较大，因而管系自然补偿能力下降较大。二。空间管系增加管系的柔性，应增加L/d的值（L为固定点之间的展开长度，d为固定点之间的距离),并且不能布置成锯齿型.一般是在远离端点连线的方向增加管子长度,并使图形接近正方体,如下图所示:图2第5页共62页40B201-1998图中，假设(a)管系不能满足自然补偿，则：(b)管系由于增加了远离固定点连线的距离，自然补偿能力有所增加；(c)管系由于增加了远离固定点连线的距离，并且比(b)管系更接近正方形，所以补偿能力更强；(e)管系由于在长轴方向增加了长度，补偿能力有所加强，但效果不如(b)、(c)两管系理想；(d)管系由于没有增加远离固定点连线的距离，并且管系沿各坐标轴方向的管段长度的差值更大，所以补偿能力比(a)管系还差。5.2.2.2波纹管补偿器利这种补偿方式是用波纹管补偿器的柔性来吸收管系的线位移和角位移.常见的波纹管补偿器有单式、复式、铰链型和压力平衡型等。当自然补偿不能满足要求时，需采用这种补偿方法，其具体的布置方案和计算方法详见《波纹管补偿器的结构形式及计算方法》。5.2.2.3冷紧冷紧也是自然补偿的方法之一。冷紧(预拉伸)是指在安装时使管系产生一个初始位移和初应力的一种方法,其目的是改善和平衡冷热态时管道的受力状况,降低管道对设备嘴子和支架的推力.冷紧一般用冷紧量与全位移量的百分比来表示(也称为冷紧比),如100%冷紧,50%冷紧等.由于安装时预拉伸不易与设计量完全一致,故规定有效预拉伸量只考虑实际拉伸量的2/3.冷紧后虽然应力降低了,但是应力范围并没有改变.冷紧口的位置选择应注意冷紧后的效果，使热胀的应力和推力都降低。最终闭合口应选择在便于施工的地方，以及管系弯矩较小处。闭合口的就位不得使接口产生额外的扭转或偏移。对于多分支管道，各分支管道的冷紧值，应根据节点的位移和各分支的柔度而定。冷紧口可以分散各分支管内，也可以集中在部分分支管段内。对于垂直管段上的冷紧口，在管道设计时应按照管系柔性计算的结果，分别在图上注明向上、向下和左右前后的方向及冷紧值，以免在施工中造成方向性的错误。对于向下的冷紧值，可采用放长支吊架拉杆的办法。为此，支吊架拉杆的长度和丝扣的加工长度，都应考虑冷紧位移的可调幅度。对于水平管段上的冷紧口，由于局部水平位移比较大，设计、安装时应使支吊架拉杆长度在冷热态的偏斜度均不超过允许值，以免对管系造成过大的水平分力。在任何情况下，都应该是在冷紧之后才能使弹簧支吊架受力。对于中间无约束的两固定端的管道，考虑冷紧后产生的推力计算式为：(5)RRCEEmma=−()123式中Rm—在最高或最低设计温度下的瞬时最大推力；R—按全补偿值及Ea为计算基础的推力；C—冷紧比。无冷紧时C＝0，100％冷紧时C＝1；Em—最高或最低设计温度下的管材弹性模量，MPa;Ea—安装温度下管材的弹性模量。5.3ANSI简单判断法在装置设计过程中，所有的应力问题若都用计算机处理是很不经济的，实际上装置中大部分的一般管道已具有较好的柔性，同时在现场施工时未必有良好