管道应力与设计

4、动力载荷 • 在管道设计中常见的动力载荷有： • （1）往复式压缩机及往复泵进出口管道的 振动； • （2）两相流管道的振动； • （3）水锤、气锤； • （4）流体排放的反力（安全阀排气系统产 生的振动）； • （5）风荷载、地震荷载引起的振动。 • 除上述动力载荷外，其他的就是静力载荷 或称为静载荷。
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表16
材料 碳素体钢
t<D/6时的Y值
温度℃ ≤482 0.4 510 0.5 538 0.7 566 0.7 593 0.7 ≥621 0.7
奥氏体钢
其他延性材料 铸铁
0.4
0.4 0.0
0.4
0
0.4
0.5
0.4
0.7
0.4
应用式（1）式计算时的限定条件：
• a. 应是薄壁管子：t≤D/6 • 或p/SΦ ≤0.385 • b. 直管段：所谓直管段管子长度L≥5D • 若壁厚t＞D/6或p/SΦ ＞0.385，属于厚壁 • 管，计算时还应考虑失效机理、疲劳影响 • 和温差应力影响等等。
• 注：计算二次应力时，管材的弹性模量应取安装温度下钢 材的弹性模量
3.峰值应力[F] • 峰值应力[F]，它是由于载荷、结构的局部 突变引起的应力增量。 • 峰值应力的特点：同时具有自限性与局部 性，它不会引起明显的变形。也就是说， 峰值应力对整个构件而言，是不会产生任 何显著的变形，但它却是疲劳破坏或脆性 断裂的根源。如转弯半径小或焊缝咬边等 等。只能用改变载荷大小、或使结构变为 连续办法来克服。
五、应力分类
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应力分为：一次应力[P]、二次应力[Q]、 峰值应力[F]。 1.一次应力[P] 一次应力[P] 的产生与特点 一次应力[P]—是由于压力、重力与其他外力载荷 的作用所产生的应力。 • 一次应力的特点—是没有自限性。
一次应力[P]又可以分为： • 一次总体薄膜应力[Pm] • —---是沿管道截面是均匀分布，它的屈服将引起 管道截面整体屈服。 • 一次弯曲应力[Pb] • —---它是在很大区域内，在管道截面沿厚度变化 呈线性分布，它的屈服只是局部屈服；它是由机 械载荷或压力载荷引起的。 • 一次局部薄膜应力[PL] • —---它是在局部范围内由机械载荷或压力载荷引 起的薄膜应力，它达到屈服时也只是在局部范围 内屈服，它要发生速变时，却受到周围弹性材料 的约束，所以这种局部屈服是被认为可允许的。
（3）、《压力容器压力管道设计许可规则》 将压力管道划分为四个类别：
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长输管道（GA）、 公用管道（GB） 工业管道（GC） 、动力管道（GD）
公用管道（GB）（公用或民用） 城市或乡镇范围内的用于公用事业或民 用的燃气管道和热力管道,划分为GB1级和 GB2级。 • 燃气管道GB1、热力管道GB2
2.二次应力
• 二次应力[Q] 的产生与特点 • 二次应力是由于管道变形受到约束而产生的正应 力或剪应力，它不直接与外力平衡。 • 二次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小 量变形就可以用位移约束条件或自身变形的特性， 将应力限制在一定的范围内，从而变形不再继续 增大。 • 二次应力引起的破坏是疲劳破坏。在管道中，二 次应力一般由热胀、冷缩和端点位移引起。
2、设计温度—管道组成件压力设计是所用的温度
• 设计温度，不应低于正常操作时，可能遇到的最 • 苛刻的压力和温度组合工况的温度；同一管道中 • 的不同管道组成件的设计温度可以不同。
设计温度的确定原则： a)介质温度小于65℃时，无隔热层管道组成件的设 计温度取介质温度； • 若介质温度≥65℃时，无隔热层管道组成件的设 计温度按以下规定选取： • ①对于阀门、管子、翻边端部和焊接管件取介质 温度的95%； • ②对于松套法兰以外的法兰，取介质温度的90%； • ③对于松套法兰，取介质温度的85%； • ④螺栓，取介质温度的80%； • ⑤也可以通过传热计算来确定。 • b)外部隔热管道的设计温度一般取介质温度； • c)内部隔热管道的设计温度应按传热计算或试验 确定。
工业管道（GC）:（企业、事业单位用）
• 工业管道是指企业、事业单位所属的用于输送工业介质的 工艺管道、公用工程管道及其他辅助管道，划分为GC1级、 GC2级和GC3级。 • GC1级由划分为3个品种；GC1-（1）只强调介质类别 （甲、乙、丙类等），却无压力、温度的限定。GC1-（2） 对于火灾危险性为甲、乙类可燃气体（注1），无压力、 温度的限定；而对于甲类可燃液体（包括液化烃）（注2） 只限定压力，即（ p≥4.0Mp a ），无温度的限定。GC1(3)是指输送p大于或等于10.0Mpa（无温度的限定）或输 送p≥4.0Mp a且设计温度t≥400℃的甲类可燃液体介质的 管道。 • 注 1. 可燃气体——以一定比例与空气混合后形成的爆炸性气体混合
管道设计与应力分析
陈 桦
2014年11月
一、压力管道定义 （1）、《特种设备安全法》对压力管道定义：
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压力管道：利用一定的压力，用于输送气体或者液体的 管状设备。 其范围规定为 ：最高工作压力大于或者等于0.1Mpa G （表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、 有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的 液体介质，且公称直径大于25mm。这三者应同时具备。 压力管道的基本概念 我们可以这样来理解：由管子（钢材或其他材料）和 管道组成件构成的，用来输送、分配、混合、排液、计量、 控制流体流动的，其长径比较大的设备。 如果同时具备 a. 最高工作压力大于或者等于0.1Mpa（表压）; b.介质为气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有 毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液 体介质; c. 公称直径大于25mm。这三个条件的属于压力管道。
六、管道设计 设计主要参数的确定： 1、设计压力—管道系统中每个组成件的设计压力 应不小于在操作中可能遇到的最苛刻的压力和温度 组合工况的压力。应加上液柱的静压力。 • 所谓最苛刻—是指压力源（如泵、压缩机等）的 压力脉动，不稳定流体的分解、静压头、控制装 置或阀门的失效或操作失误、环境影响等可能产 生的运行条件。 • 设计压力确定原则： • ①装有安全泄放装置，其设计压力应不小于安 全装置的设定压力（或最大标定爆破压力） • ②当管道是与设备直接连接作为一个压力系统时， 管道的设计压力应不小于设备的设计压力；
3
按材料标准或本部 0.85 分规定不作RT 部分（10%）RT 0.9
100%RT
1.0
注1：对于无缝钢管，Φ=1 • S--材料许用应力,见GB/T20801.2,表 A.1材料许用应力表 ，应根据材料 （牌号）、标准、工作温度（最低使 用温度） 、板厚尺寸来选择。
Y—设计系数，当t<D/6时，按GB/T 20801.3表16选取。 注：铁素体钢：碳素钢、低合金高强度钢、珠光体耐热钢、铁素体不锈 钢钢的总称。
物的气体。 • 2. 可燃液体——在可预见的使用条件下能产生可燃蒸气或薄雾，其 闪点大于或等于45℃，而低于120℃的液体。
二、管道应力分析常用规范、标准
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1） GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》； 2） SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》； 3） SH/T 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》； 4） SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》； 5） SH 3073-1995《石油化工企业管道支吊架设计规范》； 6） JB/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》； 7） JB/T 8130.2-1999《可变弹簧支吊架》； 8） GB 50251-2003 《输气管道工程设计规范》 9） GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》； 10）GB 50253-2003 《输油管道工程设计规范》； 11）DL/T 5054-1996 《火力发电厂汽水管道设计技术规定》； 12）SDGJ 6-90 《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》； 13） HG/T 20645-1998《化工装置管道机械设计规范》。
（2）、TSG D0001-2009《压力管道安全技 术监察规程－工业管道》
• 它定义压力管道是同时具备以下三个条件： ①pw≥0.1MP a，且<42 MPa • ②DN>25mm • ③输送介质为气体、蒸汽、液化气体、最 高工作温度高于或等于其标准沸点的液体 或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性的液体 的金属管道。
TSG D0001-2009《管规》适用的管道范围如下： （a） 管道元件，包括管道组成件（管子、管件、 法兰、密封件、紧固件、阀门、安全保护装置
以及膨胀节、挠性接头、耐压软管、过滤器、管 路中的节流装置（孔板）和分离器等）和管道支 承件（吊杆、支吊架、斜拉杆、平衡锤、松紧螺 栓、支撑杆、链条、管吊、管夹、导轨、鞍座、 托座、滚柱、底座、滑动支座、吊耳、卡环、U 形夹和夹板等） • （b）管道元件间的连接头、管道与设备连接的 第一道连接接头（焊缝、法兰、密封件及紧固件 等）、管道与非受压元件的连接接头； • （c）管道所用的安全阀、爆破片装置、阻火器、 紧急切断阀等保护装置。
七、管道设计计算
• 管道的设计计算内容包括： • 1、管道组成件的壁厚确定（又称为压力设 计） • 2、管道系统的柔性计算 • 3、管道组成件的选用等方面。
(一)管道组成件的压力设计： （除输气、输油管道以外）
• ①受内压的直管段管子壁厚确定： • 以外径为基准的 t=pcD/(（2SΦ+ Ypc ）) （1） • 式中：t—计算厚度 mm • D—管子外径 mm • pc—计算压力 MPa(p+液柱静压) • S—设计温度下的许用应力MPa； • Φ—纵向焊接接头系数 （注1） • Y—设计系数 （注2）
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