工业管道材料设计与应力分析技术高级培训

管道应力分析专题主讲：李中央中国寰球工程公司联系电话：[phone]主办：中国石油和石油化工设备工业协会一、管道应力分析的目的1、使管道应力在规范的许用范围内，保证管道系统的整体安全2、使动（静）设备管口载荷符合制造商或公认的标准—使其能长周期、平稳运转3、给结构及各种支撑提供设计载荷4、确定管道热位移及各种冲击载荷所导致的管道位移5、解决管道动力学问题：机械振动、脉动、安全阀排放等6、优化配管设计二、管道应力分析基础知识2.1、应力、应变及应力状态2.2、材料的机械性能2.3、强度理论2.4、管道变形的基本形式2.5、管道中的应力状态2.6、管道应力分类2.6.1、应力分类校核遵循的原则2.6.2、管道应力分析中的应力分类2.6.3、管道应力分析中一次和二次应力超标原因2.7、管道应力分析所遵循的标准三、管道的柔性设计3.1、柔性定义及柔性设计的方法和目的a)定义b)目的c)设计方法d)端点位移考虑3.2、是否进行详细柔性设计的判别方法a)应进行详细柔性设计的管道b)可以不进行详细柔性设计的管道c)判别式的使用方法与注意事项3.3、管道的热补偿三、管道的柔性设计3.4、应力增大因子3.5、柔性分析方程3.6、弹性模量随温度变化效应3.7、柔性分析的另一规则四、管道应力分析的职责4.1、应力分析（静力分析、动力分析）;4.2、对重要管线的壁厚进行计算，包括特殊管件的应力分析；4.3、对动设备（机泵、空冷器、透平等）管口受力进行校核计算；4.4、管架设计；4.5、审核供货商文件；4.6、编制、修改相关规定；4.7、编制应力分析及管架设计工程规定；4.8、本专业人员培训；4.9、进度、质量及人工时控制；4.10、参加现场技术服务；五、管道机械专业（应力分析）常用的标准规范1、GB50316-2000《工业金属管道设计规范》2、HG/T20645-1998《化工装置管道机械设计规定》3、SH/T3041-2002《石油化工企业管道柔性设计规范》4、GB150《钢制压力容器》5、JB/T8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》6、JB/T8130.2-1999《可变弹簧支吊架》7、GB50251-2003《输气管道工程设计规范》8、GB50253-2003《输油管道工程设计规范》9、ASME/ANSIB31.1--PowerPiping10、ASME/ANSIB31.3ProcessPiping11、ASME/ANSIB31.4LiquidTransmissionandDistributionpipingsystems12、ASME/ANSIB31.8GasTransmissionandDistributionpipingsystems13、API610--离心泵14、NEMASM23--透平15、API617--离心式压缩机16、API618--往复式压缩机17、API661--空冷器18、ANSI/B31.1、APIRP520--安全阀、爆破膜六、工程设计阶段管机专业的任务6.1、初步设计、基础设计阶段⑴编制工程设计规定(应力分析、管架设计)(四级签署)；(2)参加设备布置工作；(3)对主要管线的走向进行应力分析和评定。6.2、详细设计阶段⑴修订工程设计规定(应力分析、管架设计)(四级签署)；⑵重要管线的壁厚计算，特殊管件的应力分析；⑶编制临界管线表(三级签署)—应力分析管线表静力分析⑷应力分析(三、四级)；动力分析⑸卧式容器固定端确定，立式设备支耳标高确定；⑹支管补强计算；⑺动设备许用荷载校核(四级)⑻夹套管(蒸汽、热油、热水)计算(端部强度计算、内部导向翼板位置确定、同时包括任何应力分析管道的所有内容)；⑼往复式压缩机、往复泵动力分析(四级)；⑽安全阀、爆破膜泄放反力计算；⑾结构、建筑荷载条件；⑿设备管口荷载、预焊件条件；⒀编制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据表；⒁编制柔性件(膨胀节、软管等)采购MR文件及技术数据表；6.3、各文件应包含的内容：⑴工程规定内容A、适用范围；B、概述；C、设计中采用的标准规范；D、计算程序(软件)；E、设计温度、压力、安装温度(环境温度)、压力；F、设计荷载—风压值；—地震烈度；—雪荷载；—土壤的力学性质；G、临界管线表的确定准则（哪些管线该做哪类的应力分析）；H、计算及安全性评定准则；I、应力分析工作流程。J、其它⑵壁厚计算A、当B、当t的确定应根据断裂理论、疲劳、热应力及材料特性等因素综合考虑确定。C、外压直管的壁厚，应根据GB150规定的方法确定。D、其它的管件(如Y型三通、孔板等)依据相应的规范(GB50316-2000)公式进行计算。YP22PDt385.0P6Dtt0t0时且时或385.0P6Dtt0⑶临界管线表公式法：D0—管外径(mm)Y—管段总位移(mm)Y=(ΔX2+ΔY2+ΔZ2)1/2L—管段两个固定点的展开长度(m)(AB+BC+CD)U—管段两个固定点的直线距离(m)(AD间的直线距离)(依据ASME/ANSIB31.1及B31.3)3.208)UL(YD20管线应力分析计算机计算(BYCOMPUTER）（350°C)简单手算(公式法、图表法)(BYFORMULA)目测法(BYVISUAL)非应力分析ABCD(固定)(固定)公式的适用范围A、静力分析包含的内容a)一次应力计算及评定—防止管道塑性变形破坏.b)二次应力计算及评定—防止疲劳破坏。c)设备管口受力计算(及评定)—防止作用力太大，保证设备正常运行。d)支承点受力计算—为支吊架设计提供依据。e)管道上法兰受力计算—防止法兰泄漏。f)两相流及液击冲击载荷计算—为支吊架和结构设计提供依据。(4)应力分析静力分析(含疲劳分析、风载荷及地震载荷分析)动力分析B、动力分析包含的内容a)管道固有频率分析—防止共振。b)管道强迫振动响应分析—控制管道振动及应力。c)往复式压缩机(泵)气(液)柱频率分析—防止气柱共振。d)往复式压缩机(泵)压力脉动分析—控制压力脉动值(δ值)。C、动力分析要点b)机器动平衡差——修改基础设计a)振源机器动平衡差—基础设计不当气流脉动—气柱共振阻力、流速、流向变化—异径管、弯头、阀门、孔板等附近产生激振力共振—激振力频率等于或接近管线固有频率c)减少脉动和气柱共振的方法：1)加大缓冲罐—依据API618计算缓冲罐的体积，一般为气缸容积的10倍以上，使缓冲罐尽量靠近进出口，但不能放在共振管长位置。2)两台或三台压缩机的汇集总管截面积至少为进口管截面积的三倍，且应使柱塞流的冲击力不增加。3)孔板消振—在缓冲罐的出口加一块孔板。孔径大小：孔板厚度=3～5mm孔板位置—在较大缓冲罐的进出口均可介质内的声速气体流速VVU,UDd45.0~3.0Ddd)减少激振力——减少弯头、三通、异径管等管件。改90。为弯头45。弯头。e)改变（提高）管线的固有频率，使其远离激振力频率。(1)共振区域β—放大因子W1—固有频率（角频）W0—激振频率（角频）通常W1应避开0.8W0~1.2W0的区域，在工程中最好避开0.5W0~1.5W0的范围，这样振幅较小。(2)通常W1应在W0（压缩机的吸入或吸出频率）的1.2倍以上，设计时最好控制在1.5倍以上。(3)激振力频率n=转/分—压缩机转数)/1()(60nW0秒作用数双单缸数振幅(4)控制压力脉动注：此为原苏联标准(5)卧式容器固定端及立式设备支耳标高确定—提高管道柔性，减小位移量，防止对设备管口的推力过大。⑹支管补强计算—降低局部应力—等面积补强—WRC329P压力脉动值δ≤5Kg/cm22～8％≤5～100Kg/cm22～6％≤100～200Kg/cm22～5％≤200～500Kg/cm22～4％支耳标高确定⑺动设备管口许用荷载校核—API610;API617;NEMASM23;API661。⑼往复式机泵动力分析⑽安全阀，爆破膜泄放反力计算(见标准计算程序)ANSI/B31.1(气体)；APIRP520(气体、气混)⑾结构，荷载条件：F≥1000Kgf，M≥750Kgf×BfBf—梁翼缘宽度。需提条件给土建：沉降量的考虑；储罐抗震措施。(8)夹套管a）管道计算b）端部强度计算c）内部导向翼板位置确定管端结构安全阀与爆破片⑿设备管口荷载及预焊件条件—供设备专业校核局部应力和设计用⒀编制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据表—选型、荷载、位移串联—按最大荷载选弹簧位移按最大位移量分配并联—选同型号弹簧、荷载平均分配荷载变化率—国标≤25％（可改变）⒁编制柔性件（膨胀节、软管等）采购MR文件及柔性件技术数据表插图设备管口承载能力表七、管道应力分析中的特殊问题7.1、夹套管应力分析7.2、埋地管应力分析7.3、高压管道应力分析八、有限元法在管道应力分析中的应用九、管道应力分析程序9.1、CAESARII软件的应用9.2、AUTOPIPE软件的应用十、管道支架设计10.1、管道支架的分类及定义按支架的作用分为三大类：承重架、限制性支架和减振架。1）承重架:用来承受管道的重力及其它垂直向下载荷的支架(含可调支架)。a）滑动架：在支承点的下方支撑的托架，除垂直方向支撑力及水平方向摩擦力以外，没有其他任何阻力。b）弹簧架：包括恒力弹簧架和可变弹簧架。c）刚性吊架：在支承点的上方以悬吊的方式承受管道的重力及其他垂直向下的荷载，吊杆处于受拉状态。d）滚动支架：采用滚筒支承，摩擦力较小。吊架2）限制性支架：用来阻止、限制或控制管道系统位移的支架(含可调限位架)。a）导向架：使管道只能沿轴向移动的支架，并阻止因弯矩或扭矩引起的旋转。b）限位架：限位架的作用是限制线位移。在所限制的轴线上，至少有一个方向被限制。c）定值限位架：在任何一个轴线上限制管道的位移至所要求的数值，称为定值限位架。d）固定架：限制管道的全部位移。3）减振架：用来控制或减小除重力和热膨胀作用以外的任何力(如物料冲击、机械振动、风力及地震等外部荷载)的作用所产生的管道振动的支架。减振架有弹簧及油压和机械三种类型。序号大分类小分类用途1承重管架(1)刚性支吊架(2)可调刚性支吊架(3)可变弹簧支吊架(4)恒力弹簧架用于无垂直位移的场合；用于无垂直位移，但安装误差要求严格的场合；用于有少量垂直位移的场合；用于垂直位移较大或要求支吊点的荷载变化率不能太大的场合；2限制性管架(5)固定架(6)限位架(7)轴向限位架(8)导向架用于固定点处，不允许有线位移和角位移的场合；用于限制任一方向线位移的场合；用于限制管道轴向线位移的场合；用于允许有管道轴向位移，但不允许有横向位移的场合3减振支架(9)减振器用于限制或缓和管道振动10.2、管道跨距及导向间距1）管道跨距—强度及刚度两项控制a)力学模型强度条件：连续敷设水平直管允许跨距强度条件是管道中最大纵向应力不得大于设计温度下的材料的许用应力。b)管道跨距计算c)不考虑内压最大允许跨距d)考虑内压最大允许跨距e)大直径薄壁管道10.2、管道跨距及导向间距2）导向间距：a）水平管b）垂直垂直管道的最大导向支架间距大致可按不保温管充水的水平管道支架间距进行圆整。DN（INCH）HMAX.SPAN（m）WATERWATER+INSUL14311/24.53.525.54.536.55.547.56.058.06.569.07.0810.08.01011.09.01212.010.01412.510.0161310.01813.511.02014.012.02415.013.010.3、确定管道支架位置的要点10.3.1承重架距离应不大于支架的最大间距。10.3.2尽量利用已有的土建结构的构件支承，及在管廊的梁柱上支承。10.3.3在垂直管段弯头附近，或在垂直段重心以上做承重架，垂直段长时，可在下部增设导向架（当载荷大时，可采用弹簧架分载荷）。10.3.4在集中荷载大的管道组成件附近设承重架。10.3.5尽量使设备接管的受力减小。如支架靠近接管，对接管不会产生较大的热胀弯矩。10.3.6考虑维修方便，使拆卸管段时最好不需做