管道应力设计基础

管道应力设计基础1 适用范围1.0.1适用于管道机械专业对非埋地碳素钢、合金钢及不锈钢管道的柔性设计。

1.0.2不适用于长输管道、加热炉炉管及设备内部管道的柔性设计。

2 相关标准2.0.1 《石油化工管道柔性设计规范》SH3041-2001《石油化工企业非埋地管道抗震设计通则》SH3039-1991《石油化工企业管道支吊架设计规范》SH3073-95《石油化工企业管道设计器材选用通则》SH3059-94《金属波纹管膨胀节通用技术条件》GB/T12777-1999《工业金属管道设计规范》GB50316-2000《钢制压力容器》GB150-19983 设计原则3.0.1 管道柔性设计包括简化分析方法和详细分析方法。

简化分析采用直观经验判断、经验公式和图表法等；详细分析采用计算机程序进行。

3.0.2 以下两种情况的管道，宜采用详细分析方法进行柔性设计：(1)DN≥100且 t≥150℃的管道；(2)DN≥100且t ≤-45℃的管道；(3)t ≥315℃或t ≤-140℃的所有管道；(4)DN≥650的管道；(5)DN≥100的与空冷器连接的管道，t≥120℃的与空冷器连接的管道；(6)DN≥600受外压的薄壁管道；(7)与放在称量设备上的容器相连接的管道；(8)夹套管道；(9)进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道；(10)进出汽轮机的蒸汽管道；(11)进出往复压缩机、透平鼓风机的工艺管道；(12)进出反应器的高温管道；(13)与离心泵连接的管道，可根据设计要求或按图3.0.1确定柔性设计方法；(14) 连接易碎设备（如：石墨换热器、搪瓷设备等）的管道；(15) 需要设置弹簧支吊架或特殊管架的管道及配管设计人员要求提供支承点详细 受力状况的管道(16) 与下沉量较大的设备（塔、罐、槽等）相连接的管道；(17) 利用简化分析方法分析后，表明需要进一步详细分析的管道。

3.0.3 计算机分析采用美国COADE 公司的CAESAR II 软件。

3.0.4 下列管道可不再进行柔性设计：图3.0.1 离心泵柔性设计方法的选择图(1) 温度在 -45℃至100℃之间的管道,但管道在两固定点间不能直线相连（软连接除外）。

(2) 对运行良好的管道进行复制的管道，或在系统中未作重大改动且有完整满意的操作记录的更换管道。

(3) 与已分析并合格的管道相比较，能作出肯定的判断，认为具有足够的柔性的管道。

(4) 对具有同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无中间约束并能满足下式要求的非极度危害或非高度危害介质管道: D Y L U 02083()2.-≤ (3.0.3-1) Y = (△X 2+△Y 2+△Z 2)1/2 (3.0.3-2)式中 D 0──管道外径(mm)；Y ──管道总变形量(mm)；△X、△Y、△Z ──分别为管道沿座标轴在X、Y、Z轴方向的变形量(mm);U──管道两固定点间的直线距离(m)；L──管道在两固定点间的展开长度(m)。

式(3.0.3-1)不适用于下列管道:(1)在剧烈循环条件下运行，有疲劳危险的管道；(2)大直径薄壁管道(管件应力增强系数 i≥5)；(3)不在连接固定点方向的端点附加位移量占总位移量大部分的管道；(4)L/U > 2.5的不等腿U形弯管，或近似直线的锯齿状管道。

4 一般规定4.0.1 管道柔性设计应保证管道在各种工况下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移、管道支承设置不当等原因造成的下列问题：(1) 管道应力过大或金属疲劳引起管道破坏；(2) 管道连接处产生泄漏；(3) 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或变形，影响设备正常运行；(4) 管道推力和力矩过大引起管道支架破坏。

4.0.2 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：(1)静止设备产生热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；(2) 转动设备热胀冷缩在连接管口处产生的附加位移；(3) 加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移；(4) 储罐等设备基础沉降在连接管口处产生的附加位移；(5) 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。

4.0.3 对于复杂管道可用固定点将其划分成几个形状较为简单的管段，如L形、Π形、Z形等管段，再进行分析计算。

4.0.4 确定管道固定点位置时，宜使两固定点间的管段能够自然补偿。

4.0.5 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补偿器获得柔性。

4.0.6 在有毒及可燃介质管道中严禁采用填料函式补偿器。

4.0.7 采用∏型管段补偿器时，宜将其设置在两固定点中部。

4.0.8 冷紧可降低操作时管道对连接设备或固定点的推力和力矩，但连接转动设备的管道不应采用冷紧。

4.0.9 管道采用冷紧时，冷紧有效系数热态取2/3, 冷态取1。

4.0.10 在管道柔性设计中，应考虑支架摩擦力的影响，摩擦系数μ如下表所示：4.0.11 当采用吊杆或弹簧吊架承受管道荷载时，可不考虑摩擦力的影响。

4.0.12 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。

4.0.13 管道运行中可能出现各种工况时,应按各工况的条件分别计算。

4.0.14 计算中的任何假设与简化，不应对计算结果的作用力、应力等产生不利或不安全的影响。

4.0.15 支吊架生根在有位移的设备上时，计算时应计入此项热位移值。

5 计算参数的确定5.0.1 管道计算温度应根据工艺设计条件及下列要求确定：(1) 对于无隔热层管道：介质温度低于65℃时，取介质温度为计算温度；介质温度等于或高于65℃时，取介质温度的95％为设计温度。

(2) 对于有外隔热层管道,除另有计算或经验数据外，应取介质温度为计算温度；对外伴热管道应根据具体条件确定计算温度。

(3) 对于夹套管道，介质温度高于伴热介质温度时，取介质温度作为计算温度；介质温度低于伴热介质温度时，取伴热介质温度作为计算温度。

(4) 对于衬里管道应根据计算或经验数据确定计算温度。

(5) 对于安全泄压管道，应取排放时可能出现的最高或最低温度作为计算温度。

(6) 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、再生及蒸汽吹扫等工况。

5.0.2 管道计算压力应取计算温度下对应的操作压力。

5.0.3 除另有规定外，管道安装温度宜取20℃。

5.0.4 当管道端点无附加角位移时,管道线位移全补偿值应按下列公式计算：△X=△X B-△X A-△X t AB△Y=△Y B-△Y A-△Y t AB (5.0.4-1)△Z =△Z B-△Z A -△Z t AB式中△X、△Y、△Z ──分别为管道沿座标轴X、Y、Z的线位移全补偿值(mm)；△X A、△Y A、△Z A─分别为管道始端A沿座标轴X、Y、Z的附加线位移(mm)；△X B、△Y B、△Z B─分别为管道末端B沿座标轴X、Y、Z的附加线位移(mm)；△X t A B、△Y t A B、△Z A B─分别为管道AB沿座标轴X、Y、Z的热伸长值(mm)；△X t AB =αt (X B－X A)(T－T0)△Y t AB =αt (Y B－Y A)(T－T0) (5.0.4-2)△Z t AB =αt (Z B－Z A)(T－T0)式中αt─管道材料在安装温度与计算温度间的平均线膨胀系数(mm/mm℃);X、Y A、Z A─管道始端A的座标值(mm)；AX、Y B、Z B─管道末端B的座标值(mm)；BT─管道计算温度(℃)；T─管道安装温度(℃)；5.0.5 当管道沿座标轴X、Y、Z方向的冷紧比不同时，每个方向的冷紧值应根据该方向的冷紧比进行计算。

当管道上有几个冷紧口时，沿座标轴X、Y、Z方向的冷紧值分别为各冷紧口在相应座标轴方向冷紧值的代数和。

5.0.6 管材的平均线膨胀系数应按《工业金属管道设计规范》(GB50316-2000)表B.0.2选取。

5.0.7 管材的弹性模量应按《工业金属管道设计规范》(GB50316-2000)表B.0.1选取。

5.0.8 计算二次应力范围时，管材的弹性模量应取安装温度下的弹性模量。

6 安全评定标准6.0.1 常用钢管材料的许用应力应按《工业金属管道设计规范》(GB50316-2000)表A.0.1取值。

6.0.2 管道由于热胀冷缩和其他位移受约束而产生的二次应力范围不得大于按下式计算的许用应力范围。

〕t＝f (1.25〔σ〕t0+0.25 〔σ〕t ) (6.0.2-1)〔σr〕t──管道材料的许用应力范围(MPa)；式中〔σr〔σ〕t0──管道材料在安装温度下的许用应力(MPa)；〔σ〕t──管道材料在计算温度下的许用应力(MPa)；f──在预计寿命内，考虑循环总次数影响的许用应力范围的减小系数，按下表取值。

D D G G F M P eq 23416ππ+=6.0.3 当计算的应力范围不能满足第 6.0.2条的要求，且内压和外部持续荷载产生一次纵向应力σL 低于〔σ〕t 时，允许将〔σ〕t 与σL 的差值加在许用应力范围中，以扩大二次应力的许用范围。

在此情况下，许用应力范围应按下式计算。

〔σr 〕t ＝ f [1.25(〔σ〕t0 +〔σ〕t ) －σL ] (6.0.3-1)式中 σL ──由内压及持续外荷载产生的纵向应力(MPa)。

6.0.4 对于开停车、放空、蒸汽吹扫、除焦、再生等短时操作情况，可按下列规定提高管道的许用应力：(1) 当一次超载持续时间不超过10h ，每年累计不超过100h 时，许用应力可提高33％；(2) 当一次超载持续时间不超过50h ，每年累计不超过500h 时，许用应力可提高20％。

6.0.5 对弯头、三通等连接处应考虑柔度系数和应力增强系数,并按《工业金属管道设计规范》(GB50316-2000)表E.0.1计算。

三通的柔度特性与其肩部结构有关，选用三通时应予以考虑。

6.0.6 为了保证法兰连接的可靠性，法兰设计压力不应小于按下式确定的值。

P FD ＝P + P eq (6.0.6-1)(6.0.6-2)式中 P FD ──法兰设计压力(MPa)；P ──管道设计压力(MPa)；P eq ──管道操作时，作用在法兰连接处的弯矩和轴向力的当量压力(MPa)；M ──管道操作时作用在法兰连接处的弯矩(N ·mm)；D G ──垫片压紧力作用中心圆直径(mm)；F ──管道操作时作用在法兰连接处的轴向力(N)。

在计算中只考虑使管道受拉伸时的轴向力，当轴向力使管道受压缩时， 取F ＝0。

6.0.7 管道作用在设备或固定点上的推力和力矩应按下列原则计算：(1) 按热胀、冷缩、端点附加位移、有效冷紧、自重和支吊架反力等条件计算管道工作状态下的推力和力矩；(2) 按冷紧、自重和支吊架反力等条件计算冷态下的推力和力矩；(3) 对于无中间约束的两端固定管道，其推力和力矩的瞬时最大值可按下列公式计算：R m ＝R （1-2C/3）(Em/Ea ） (6.0.7-1)R a ＝CR 或R a ＝C 1R (取其中较大值) (6.0.7-2)式中 R m ──在最高或最低设计温度下的瞬时最大推力(N)或力矩(N ·m )；R ──按全补偿值及E a 为基础计算的推力(N)或力矩(N ·m )；C ──冷紧比，无冷紧时C=0，100％冷紧时C=1.0；E a ──安装温度下管道材料的弹性模量(MPa);E m ──最高或最低计算温度下管道材料的弹性模量（MPa ）;R a ──安装温度下的估计瞬时推力(N)或力矩(N ·m)；C 1──估计的自均衡系数，按下式计算:(6.0.7-3) 式中 σr ──管道由于热胀冷缩和其他位移产生的二次应力(MPa)。