CAESAR II 教程之应力分析概述
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管道应力分析专业的职责及任务
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 其他
⑵壁厚计算 A 当
DO P 且 t 0.385时 6 PDo t t 2 2YP twk.baidu.com
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管道应力分析专业的职责及任务
(3)管线的设计温度和压力高于ASME/ANSI B16.5中的 定义的2500磅等级； (4)在下列温度值下长期工作的管道
碳钢 合金钢 不锈钢 380° C 480° C 540° C
(5)大直径管线（DN1200即48”及以上）； (6)薄壁管线（t/D≤0.02 t:壁厚 D：管径）； (7)管线的设计循环次数高于22000次； (8)根据应力分析工程师的意见，上述管线外要求做其 它附加的应力分析的管线。
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专业（配管、设备、工艺）优化设计方案，节约材料，减 少设计成本。
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管道应力分析专业的职责及任务
• • • • • • • • • A 职责 应力分析（静力分析、动力分析） 对重要管线的壁厚进行计算，包括特殊管件的应力分析 对动设备（机泵、空冷器、透平等）管口受力进行校核计算 管架标准的制定及非标管架设计 审核供货商文件 编制、修改相关工程规定 编制应力分析及管架设计工程规定 对相关设计人员进行专业培训 进度、质量及人工时控制 参加现场技术服务
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管道应力分析专业的职责及任务
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）
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管道应力分析专业的职责及任务
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（4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（4级） ⑽安全阀、爆破膜泄放反力计算 ⑾结构、建筑荷载条件
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管道应力分析专业的职责及任务
B当
t Do 或 P 6
t
0.385时
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。 （高压管道的计算）
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）或公式进行计算。 E 高压管的应力分析 F 大口径薄壁管的应力分析
W1 W0 β 管道固有频率（角频) 激振频率（角频） 放大因子
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。
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管道应力分析专业的职责及任务
⑵ 通常W1应在W0（压缩机的吸入或吸出频率）的1.2倍
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管道应力分析专业的职责及任务
B 工作任务 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） ⑵参加设备布置工作 ⑶对主要管线的走向进行应力分析和评定 2. 详细设计阶段 ⑴编制工程设计规定（应力分析、管架设计）（四级签署） ⑵重要管线的壁厚计算，特殊管件的应力分析，高压管， 大口径薄壁管 ⑶编制临界管线表（三级签署）------应力分析管线表
以上。设计时最好控制在1.5倍以上。
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管道应力分析专业的职责及任务
⑶ 激振力频率W0= n/60 ×缸数×单（双）作用数（1/秒） n=转/分---压缩机转数 ⑷ 控制压力脉动
P 压力脉动值δ
≤76Kg/cm2
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二、管道应力分析专业常用的标准规范
GB50316-2000《工业金属管道设计规范》 GB/T 20801-2006 《压力管道规范》 HG/T20645-1998《化工装置管道机械设计规定》 SH/T3041-2002《石油化工企业管道柔性设计规范》 GB150《钢制压力容器》 JB/T8130.1-1999 《恒力弹簧支吊架》 JB/T8130.2-1999 《可变弹簧支吊架》 GB 50251-2003 《输气管道工程设计规范》 GB 50253-2003 《输油管道工程设计规范》 ASME/ANSI B31.1 Power Piping ASME/ANSI B31.3 Process Piping
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3. 各文件应包含的内容和工作内容： 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 风载荷(风压值),形状系数 地震烈度,水平加速度因子 雪荷载 土壤的化学、力学性质 水（汽）锤荷载
76~176Kg/cm2 176Kg/cm2
4%
3% 2%
n：为压缩机并联数
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⑸ 卧式容器固定端及立式设备支耳标高确定 —提高管道柔 性，减小位移差值，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—WRC329 ⑺ 动设备管口许用荷载校核——API610，API617，NEMA 23，API661。 ⑻ a) 管道计算 夹套管计算 b) 端部强度计算 c) 内部导向翼板位置确定 ⑼往复式机泵动力分析（见⑷） 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） API RP520（气体、气混）
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⒃ 编制弹簧架表――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） ⒄ 编制柔性件技术特性表
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管道应力分析专业的职责及任务
⑾ 结构，荷载条件 F≥1000Kgf,M≥750Kgf×Bf Bf 梁翼缘宽度。 需提条件给土建； 沉降量的考虑； 储罐抗震措施。 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~⒁⒂⒅略
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⑿设备管口荷载、预焊件条件 ⒀编制管架表 * ⒁绘制非标管架图 * ⒂编制管架综合材料表 * ⒃编制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据表 ⒄编制柔性件(膨胀节、软管等) 采购MR文件及技术数据表 ⒅管架施工安装说明 *
我们为什么要进行管道应力分析
随着国民经济的发展，化工装置规模越来越大，工况 越来越复杂。人们对安全的重视程度越来越高。应力分析 管线，一般为高温高压，介质易燃易爆的管线。如果管道 发生泄漏或者破坏，将造成严重的生命财产损失，同时污 染环境，并会对企业造成严重的负面影响。 所以，我们要通过管道的应力分析，确保工厂运行的 安全。在设计的过程中，通过计算，我们还可以帮助其它
管道应力分析专业的职责及任务
⑷ 应力分析分为静力分析(含疲劳分析，风载荷及 地震载荷 分析) 和 动力分析。 A. 静力分析包含的内容(何为应力,强度理论) 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
b).机器动平衡差---修改基础设计
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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为进口管面积之和的三倍。 3）孔板消振---在缓冲罐的出口加一块孔板。.
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C. 动力分析要点: a).振源
①机器动平衡差---基础设计不当 ②气流脉动---气柱共振 ③阻力、流速、流向变化异径管、弯头、阀门、孔板等附近产生激 力 ④共振---激振力频率等于或接近管线固有频率
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管道应力分析专业常用的标准规范
ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution piping systems ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systems API610 —— 离心泵 NEMA SM23 —— 透平 API617 —— 离心式压缩机 API618 —— 往复式压缩机 API661 —— 空冷器 ANSI/B31.1、APIRP520 —— 安全阀、爆破膜
孔径大小：
d 4 V气体流速 U ,U D V介质内的声速
d 0.3 ~ 0.5 D
孔板厚度=3-5mm 孔板位置――在较大缓冲罐的进出口均可
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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。 ⑴共振区域
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⑶ 临界管线表
一般来说，参考SH/T 3041、GB 50316和ASME B31.3，以下范围的管 道需要进行详细的应力分析： (1)与具有对载荷敏感的转动机械相连的管线，它包括以下几类： 与泵相连的管线,由于泵口载荷校核依据操作工况下的载荷进行， 故当管线操作条件为以下条件时，应做详细应力分析。 温度≥150° C （或≤-140° C）， 公称直径大于或等于 DN450(18”) 的管线； 应力分析工程师认为应作应力分析的与泵连接的管线。 NPS≥20”与离心式压缩机进出口相连接的管线，由于设备管口载 荷校核依据操作工况下的载荷进行，应做详细应力分析。 冷热火炬总管。 (2)其它的用图表法或公式法分析后，属于应力、柔性不能满足要求 的管道。
管道应力分析专业的职责及任务
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 其他
⑵壁厚计算 A 当
DO P 且 t 0.385时 6 PDo t t 2 2YP twk.baidu.com
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管道应力分析专业的职责及任务
(3)管线的设计温度和压力高于ASME/ANSI B16.5中的 定义的2500磅等级； (4)在下列温度值下长期工作的管道
碳钢 合金钢 不锈钢 380° C 480° C 540° C
(5)大直径管线（DN1200即48”及以上）； (6)薄壁管线（t/D≤0.02 t:壁厚 D：管径）； (7)管线的设计循环次数高于22000次； (8)根据应力分析工程师的意见，上述管线外要求做其 它附加的应力分析的管线。
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专业（配管、设备、工艺）优化设计方案，节约材料，减 少设计成本。
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• • • • • • • • • A 职责 应力分析（静力分析、动力分析） 对重要管线的壁厚进行计算，包括特殊管件的应力分析 对动设备（机泵、空冷器、透平等）管口受力进行校核计算 管架标准的制定及非标管架设计 审核供货商文件 编制、修改相关工程规定 编制应力分析及管架设计工程规定 对相关设计人员进行专业培训 进度、质量及人工时控制 参加现场技术服务
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管道应力分析专业的职责及任务
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）
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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（4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（4级） ⑽安全阀、爆破膜泄放反力计算 ⑾结构、建筑荷载条件
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B当
t Do 或 P 6
t
0.385时
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。 （高压管道的计算）
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）或公式进行计算。 E 高压管的应力分析 F 大口径薄壁管的应力分析
W1 W0 β 管道固有频率（角频) 激振频率（角频） 放大因子
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。
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⑵ 通常W1应在W0（压缩机的吸入或吸出频率）的1.2倍
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B 工作任务 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） ⑵参加设备布置工作 ⑶对主要管线的走向进行应力分析和评定 2. 详细设计阶段 ⑴编制工程设计规定（应力分析、管架设计）（四级签署） ⑵重要管线的壁厚计算，特殊管件的应力分析，高压管， 大口径薄壁管 ⑶编制临界管线表（三级签署）------应力分析管线表
以上。设计时最好控制在1.5倍以上。
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⑶ 激振力频率W0= n/60 ×缸数×单（双）作用数（1/秒） n=转/分---压缩机转数 ⑷ 控制压力脉动
P 压力脉动值δ
≤76Kg/cm2
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二、管道应力分析专业常用的标准规范
GB50316-2000《工业金属管道设计规范》 GB/T 20801-2006 《压力管道规范》 HG/T20645-1998《化工装置管道机械设计规定》 SH/T3041-2002《石油化工企业管道柔性设计规范》 GB150《钢制压力容器》 JB/T8130.1-1999 《恒力弹簧支吊架》 JB/T8130.2-1999 《可变弹簧支吊架》 GB 50251-2003 《输气管道工程设计规范》 GB 50253-2003 《输油管道工程设计规范》 ASME/ANSI B31.1 Power Piping ASME/ANSI B31.3 Process Piping
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3. 各文件应包含的内容和工作内容： 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 风载荷(风压值),形状系数 地震烈度,水平加速度因子 雪荷载 土壤的化学、力学性质 水（汽）锤荷载
76~176Kg/cm2 176Kg/cm2
4%
3% 2%
n：为压缩机并联数
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⑸ 卧式容器固定端及立式设备支耳标高确定 —提高管道柔 性，减小位移差值，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—WRC329 ⑺ 动设备管口许用荷载校核——API610，API617，NEMA 23，API661。 ⑻ a) 管道计算 夹套管计算 b) 端部强度计算 c) 内部导向翼板位置确定 ⑼往复式机泵动力分析（见⑷） 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） API RP520（气体、气混）
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管道应力分析专业的职责及任务
⒃ 编制弹簧架表――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） ⒄ 编制柔性件技术特性表
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管道应力分析专业的职责及任务
⑾ 结构，荷载条件 F≥1000Kgf,M≥750Kgf×Bf Bf 梁翼缘宽度。 需提条件给土建； 沉降量的考虑； 储罐抗震措施。 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~⒁⒂⒅略
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⑿设备管口荷载、预焊件条件 ⒀编制管架表 * ⒁绘制非标管架图 * ⒂编制管架综合材料表 * ⒃编制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据表 ⒄编制柔性件(膨胀节、软管等) 采购MR文件及技术数据表 ⒅管架施工安装说明 *
我们为什么要进行管道应力分析
随着国民经济的发展，化工装置规模越来越大，工况 越来越复杂。人们对安全的重视程度越来越高。应力分析 管线，一般为高温高压，介质易燃易爆的管线。如果管道 发生泄漏或者破坏，将造成严重的生命财产损失，同时污 染环境，并会对企业造成严重的负面影响。 所以，我们要通过管道的应力分析，确保工厂运行的 安全。在设计的过程中，通过计算，我们还可以帮助其它
管道应力分析专业的职责及任务
⑷ 应力分析分为静力分析(含疲劳分析，风载荷及 地震载荷 分析) 和 动力分析。 A. 静力分析包含的内容(何为应力,强度理论) 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
b).机器动平衡差---修改基础设计
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管道应力分析专业的职责及任务
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为进口管面积之和的三倍。 3）孔板消振---在缓冲罐的出口加一块孔板。.
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管道应力分析专业的职责及任务
C. 动力分析要点: a).振源
①机器动平衡差---基础设计不当 ②气流脉动---气柱共振 ③阻力、流速、流向变化异径管、弯头、阀门、孔板等附近产生激 力 ④共振---激振力频率等于或接近管线固有频率
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管道应力分析专业常用的标准规范
ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution piping systems ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systems API610 —— 离心泵 NEMA SM23 —— 透平 API617 —— 离心式压缩机 API618 —— 往复式压缩机 API661 —— 空冷器 ANSI/B31.1、APIRP520 —— 安全阀、爆破膜
孔径大小：
d 4 V气体流速 U ,U D V介质内的声速
d 0.3 ~ 0.5 D
孔板厚度=3-5mm 孔板位置――在较大缓冲罐的进出口均可
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管道应力分析专业的职责及任务
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。 ⑴共振区域
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管道应力分析专业的职责及任务
⑶ 临界管线表
一般来说，参考SH/T 3041、GB 50316和ASME B31.3，以下范围的管 道需要进行详细的应力分析： (1)与具有对载荷敏感的转动机械相连的管线，它包括以下几类： 与泵相连的管线,由于泵口载荷校核依据操作工况下的载荷进行， 故当管线操作条件为以下条件时，应做详细应力分析。 温度≥150° C （或≤-140° C）， 公称直径大于或等于 DN450(18”) 的管线； 应力分析工程师认为应作应力分析的与泵连接的管线。 NPS≥20”与离心式压缩机进出口相连接的管线，由于设备管口载 荷校核依据操作工况下的载荷进行，应做详细应力分析。 冷热火炬总管。 (2)其它的用图表法或公式法分析后，属于应力、柔性不能满足要求 的管道。