管道应力分析基础知识

管道应力分析基础知识2009-04-09 13:551. 进行应力分析的目的是1) 使管道应力在规范的许用范围内；2) 使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准；3) 计算出作用在管道支吊架上的荷载；4) 解决管道动力学问题；5) 帮助配管优化设计。

2. 管道应力分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？答：管道应力分析分为静力分析和动力分析。

1) 静力分析包括：(l)压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算――防止塑性变形破坏；(2)管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算――防止疲劳破坏；(3)管道对设备作用力的计算――防止作用力太大，保证设备正常运行；(4)管道支吊架的受力计算――为支吊架设计提供依据；(5)管道上法兰的受力计算――防止法兰泄漏；(6)管系位移计算――防止管道碰撞和支吊点位移过大。

2) 动力分析包括：(l)管道自振频率分析――防止管道系统共振；(2)管道强迫振动响应分析――控制管道振动及应力；(3)往复压缩机气柱频率分析――防止气柱共振；(4)往复压缩机压力脉动分析――控制压力脉动值。

3. 管道应力分析的方法管道应力分析的方法有：目测法、图表法、公式法、和计算机分析方法。

选用什么分析方法，应根据管道输送的介质、管道操作温度、操作压力、公称直径和所连接的设备类型等设计条件确定。

4. 对管系进行分析计算1) 建立计算模型（编节点号），进行计算机应力分析时，管道轴测图上需要提供给计算机软件数据的部位和需要计算机软件输出数据的部位称作节点：(1)管道端点(2)管道约束点、支撑点、给定位移点(3)管道方向改变点、分支点(4)管径、壁厚改变点(5)存在条件变化点（温度、压力变化处）(6)定义边界条件（约束和附加位移）(7)管道材料改变处（包括刚度改变处，如刚性元件）(8)定义节点的荷载条件（保温材料重量、附加力、风载、雪载等）(9)需了解分析结果处(如跨距较长的跨中心点)(10) 动力分析需增设点2) 初步计算（输入数据符合要求即可进行计算）(1) 利用计算机推荐工况（用CASWARII计算，集中荷载、均布荷载特别加入）(2) 弹簧可由程序自动选取(3) 计算结果分析(4) 查看一次应力、二次应力的核算结果(5) 查看冷态、热态位移(6) 查看机器设备受力(7) 查看支吊架受力（垂直荷载、水平荷载）(8) 查看弹簧表3) 反复修改直至计算结果满足标准规范要求（计算结果不满足要求可能存在的问题）(1) 一次应力超标，缺少支架(2) 二次应力超标，管道柔性不够或三通需加强(3) 冷态位移过大，缺少支架(4) 热态水平位移过大，缺少固定点或Π型(5) 机器设备受力过大，管道柔性不够(6) 固定、限位支架水平受力过大，固定、限位支架位置不当或管道柔性不够(7) 支吊点垂直力过大，可考虑采用弹簧支吊架(8) 弹簧荷载、位移范围选择不当，人为进行调整5. 编制计算书，向相关专业提交分析计算结果1) 计算书内容(1) 一次应力校核内容(2) 二次应力校核内容(3) 约束点包括固定点、支吊点、限位导向点和位移点冷态、热态受力(4) 各节点的冷态、热态位移(5) 弹簧支吊架和膨胀节的型号等有关信息(6) 离心泵、压缩机和汽轮机的受力校核结果(7) 经分析最终确定的管道三维立体图，包括支吊架位置、形式、膨胀节位置等信息2) 向相关专业提交分析计算结果(1) 向配管专业提交管道应力分析计算书，计算书不提供给甲方(2) 向设备专业提交设备需确认的设备受力(3) 如果支撑点、限位点、导向点的荷载较大，应向结构专业提交荷载数据(4) 将往复压缩机管道布置及支架设置提交压缩机制造厂确认6. 何谓一次应力，何谓二次应力？分别有哪些荷载产生？这两种应力各有何特点？答：一次应力是指由于外加荷载，如压力或重力等的作用产生的应力。

一次应力的特点是：它满足与外加荷载的平衡关系，随外加荷载的增加而增加，且无自限性，当其值超过材料的屈服极限时，管道将产生塑性变形而破坏。

二次应力是由于管道变形受到约束而产生的应力，它不直接与外力平衡，二次应力的特点是具有自限性，当管道局部屈服和产生小量变形时应力就能降低下来。

二次应力过大时，将使管道产生疲劳破坏。

在管道中，二次应力一般由热胀、冷缩和端点位移引起。

7. 一般来说，管道上哪些点的应力比较大？为什么？答：一般来说，管道上三通和弯管处的应力比较大。

因为，与直管相比，三通和弯管处的应力增强系数比较大。

8. 根据NEMA SM23的要求，汽轮机管口受力应满足什么要求？答：NEMA SM23对汽轮机管口受力的限制如下：定义机轴方向为X方向，铅垂向上方向为+Y，汽轮机各管口受力必须满足下列各项要求；(l)作用于任一管口上的合力及合力矩应满足以下要求：0.9144FR＋MR≤26.689De式中De――当量直径，mm；当管口公称直径不大于200时，De=管口公称直径；当管口公称直径大于200时，De=(管口公称直径+400)/3；FR――单个管口上的合力，当接管采用无约束膨胀节时应包括压力产生的作用力(凝汽式汽轮机垂直向下出口可不考虑膨胀节内压推力)，N；MR――单个管口上的合力矩，N·m。

FR= (Fx2＋Fy2＋Fz2)1/2MR= (Mx2＋My2＋Mz2)1/2式中Fx、Fy、Fz――单个管口上X、Y、Z方向的作用力，N；Mx、My、Mz――单个管口上X、Y、Z方向的力矩，N·m。

(2)进汽口、抽汽口和排汽口上的力和力矩合成到排汽口中心处的合力及合力矩应满足以下两个条件：1)合力和合力矩应满足以下条件：0.6096 Fc＋MC≤13.345DC其中：Fc――进汽口、抽汽口和排汽口的合力，N；Mc――进汽口、抽汽口和排汽口的力与力矩合成到排汽口中心处的合力矩，N·m；Dc――按公称直径计算得到的各管口面积之和的当量直径，mm。

当各管口面积之和折合成圆形的折算直径不大于230mm时，Dc =折算直径；当各管口面积之和折合成圆形的折算直径大于230mm时，Dc =(折算直径+460)/3。

2) FC和MC在X、Y、Z三个方向的分力和分力矩应满足以下条件：|Fcx|≤8.756Dc |Fcx|≤13.345Dc|Fcy|≤21.891Dc |Fcy|≤6.672Dc|Fcz|≤17.513Dc |Fcz|≤6.672Dc式中Fcx、Fcy、Fcz――Fc在X、Y、Z方向上的分力，N；Mcx、MCy、Mcz――MC在X、Y、Z方向上的分力矩，N·m。

(3)对于具有向下排汽口的凝汽式汽轮机，其排气口安装元约束膨胀节时，允许存在由压力引起的附加力(此附加力垂直于排出口法兰面并作用于中心)。

对于此种汽轮机，在进行(1)、(2)两项校核过程中，计算排汽口上的垂直分力时不包括压力荷载。

对于具有向下排汽口的凝汽式汽轮机，还应进行如下校核：同时考虑压力荷载和其它荷载时，如果作用于排汽口的垂直分力不超出排汽口面积的0.1069倍，则认为压力荷载在排汽口引起的作用力是允许的。

力的单位为N，面积单位为mm2。

9. 对高温管道，用较厚的管子代替较薄的管子时，应注意什么问题？答：管子壁厚的增加提高了管道的刚度，增加了管壁截面积和自重，因而必须对管道的柔性进行分析，以校核固定点、设备管口和各支吊架的载荷，还应校核弹簧支吊架的型号是否合适。

10.塔顶部管口的热膨胀量(初位移)应如何确定？答：塔顶部管口可分三类处理，即封头中心管口、封头斜插管口和上部简体径向管口，管口的热膨胀量分别按下列方法确定：(1)封头中心管口热膨胀量的计算封头中心管口只有一个方向的热膨胀，即垂直方向，考虑到从塔固定点至封头中心管口之间可能存在操作温度和材质的变化，故总膨胀量按下式计算：ΔY =Llαl(tl－t0)＋L2α2(t2－t0)＋……＋Liαi(ti－t0) ――（5－1）式中ΔY――塔顶管口总的热膨胀量，cm；Li――塔固定点至封头中心管口之间因温度和材质变化的分段长度，m；Αi――线膨胀系数，由20℃至ti℃的每米温升1℃时的平均线膨胀量，cm/m·℃；Ti――各段的操作温度，℃；To――安装温度，一般取20℃。

(2)封头斜插管口热膨胀量的计算封头斜插管口有两个方向的热膨胀，即垂直方向和水平方向的热膨胀，垂直方向的热膨胀量计算同（5－1）式，水平方向的热膨胀量按下式计算：ΔX = Lαl(t－to) ――（5－2）式中ΔX――封头斜插管口水平方向的热膨胀量，cm；L――塔中心线距封头斜插管口法兰密封面中心的水平距离，m；α1――线膨胀系数，由20℃至t℃的每米温升1℃时的平均线膨胀量，cm/m·℃；t――塔顶部的操作温度，℃；to――安装温度，一般取20℃。

(3)上部简体径向管口热膨胀量的计算上部简体径向管口有两个方向的热膨胀，即垂直方向和水平方向的热膨胀，垂直方向的热膨胀量计算同式(5－1)，水平方向的热膨胀量按下式计算；ΔX = Lαl(t－to) (5－3)式中ΔX――上部筒体径向管口水平方向的热膨胀量，cm；L――分馏塔中心线距上部简体径向管口法兰密封面的距离，m；α1――线膨胀系数，由20℃至t℃的每米温升l℃时的平均线膨胀量，cm/m·℃；t――塔上部的操作温度，℃；t0――安装温度，一般取20℃。

11.在管道柔性设计中，计算温度取正常操作温度，是否总是偏于安全？答：在管道柔性设计中，计算温度取正常操作温度，并非总是偏于安全的。

因为，在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、再生等情况。

12.在石油化工管道设计中可能遇到哪些振动？答：在石油化工管道设计中常见的振动有：(1)往复式压缩机及往复泵进出口管道的振动；(2)两相流管道呈柱塞流时的振动；(3)水锤；(4)安全阀排气系统产生的振动；(5)风载荷、地震载荷引起的振动。

13.往复压缩机、往复泵的管道振动分析应包括哪些内容？答：振动分析应包括：1) 气(液)柱固有频率分析，使其避开激振力的频率；2) 压力脉动不均匀度分析，采用设置缓冲器或孔板等脉动抑制措施，将压力不均匀度控制在允许范围内；3) 管系结构振动固有频率、振动及各节点的振幅及动应力分析，通过设置防振支架，优化管道布置，消除过大管道振动。

14.何谓共振？在往复式机泵管道设计中可能引发共振的因素有哪些？可采用哪些措施避免发生共振？答：当作用在系统上的激振力频率等于或接近系统的固有频率时，振动系统的振幅会急剧增大，这种现象称为共振。

在往复机泵管道设计中可能引发共振的因素有：管道布置出现共振管长；缓冲器和管径设计不当造成流体固有频率与激振频率重叠导致气(液)柱共振；支承形式设置或管道布置不当等造成管系机械振动固有频率与激振动频率重叠。