管道应力分析及计算

序号 大 分 类
小分类 (1)刚性支吊架
用 途 用于无垂直位移的场合；
1
承重管架
(2)可调刚性支吊架 用于无垂直位移，但安装误差要求 严格的场合；
(3)可变弹簧支吊架 用于有少量垂直位移的场合；
(4)恒力弹簧架 (5)固定架 (6)限位架 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； 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；
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；
注：此为原苏联标准
压力脉动值δ 2～ 8 ％ 2～ 6 ％ 2～ 5 ％ 2～ 4 ％
支耳标高确定
(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 — WRC329
⑺ 动设备管口许用荷载校核 — API 610;API 617; NEMA SM 23; API 661。 a）管道计算 (8)夹套管 b）端部强度计算
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。
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
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
(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。
振幅
(3)激振力频率 W n 缸数 单( 双 )作用数(1 / 秒 ) 0 60 n = 转/分 — 压缩机转数
(4)控制压力脉动
P ≤5Kg/cm2 ≤5 ～100 Kg/cm2 ≤100 ～ 200Kg/cm2 ≤200 ～ 500Kg/cm2
Process Piping Liquid Transmission and Distribution piping systems Gas Transmission and Distribution piping systems
12、ASME/ANSI B31.8 13、API610 15、API617 16、API618 17、API661 -----
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
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。
C、动力分析要点
a)
机器动平衡差 — 基础设计不当 气流脉动 — 气柱共振
振源
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
b) 机器动平衡差——修改基础设计
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： d 4 V气体流速 U, U D V介质内的声速
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》
2
限制性管架
(7)轴向限位架
(8)导向架
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 用于限制或缓和管道振动
3
减振支架 (9)减振器
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。
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；
⑵ 壁厚计算 D0 A、当
t 6 t
且
P

t
0.385时
2 t 2YP
D0 或 P
PD 0
B、当
t 6

0.385时 t
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。
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、CAESAR II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)。
离心泵
14、NEMA SM23
--
透平
离心式压缩机 往复式压缩机 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。
⑶ 临界管线表
应力分析
管线 非应力分析 公式法：
D0 Y
计算机计算(BY COMPUTER） （350°C) 简单手算(公式法、图表法) (BY FORMULA) 目测法(BY VISUAL)
C
D(固定)
B D0 — 管外径(mm) Y — 管段总位移(mm) A(固定) Y=(Δ X2+Δ Y2 +Δ Z2)1/2 L — 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/ANSI B31.1及B31.3) 公式的适用范围
管端结构
c）内部导向翼板位置确定 ⑼ 往复式机泵动力分析
安全阀与爆破片
⑽ 安全阀，爆破膜泄放反力计算(见标准计算程序) ANSI/B 31.1(气体)；API RP 520(气体、气混) 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。
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。
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、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
6、JB/T8130.2-1999 《可变弹簧支吊架》
7、GB 50251-2003 8、GB 50253-2003 《输气管道工程设计规范》 《输油管道工程设计规范》
9、ASME/ANSI B31.1 -- Power Piping
10、ASME/ANSI B31.3 11、ASME/ANSI B31.4
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、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) 。
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 设备管口承载能力表
插图
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
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。吊架 d）滚动支架：采用滚筒支承，摩擦力较小。
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。
(L U )2
208.3
(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
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。
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 动力分析 (三、四级)；
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)
管道应力分析专题
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