管道应力分析设计规定

主编部室：管道室参编部室：
参编人员：
参校人员：
说明：
1．文件版号为A、B、C......。

2．每版号中局部修改版次为1/A、2/A……，1/B、2/B……，1/C、2/C……。

本规定（HQB-B06-05.306PP-2003）自2003年月实施。

目录
1. 总则 (1)
2. 应力分析管线的分类及应力分析方法 (2)
3. 管道应力分析设计输入和设计输出 (6)
4. 管道应力分析条件的确定 (9)
5. 管道应力分析评定准则 (11)
附件1 管线应力分析分类表 (14)
附件2 设备管口承载能力表 (15)
附件3 柔性系数k和应力增强系数i (16)
附件4 API 610《一般炼厂用离心泵》(摘录) (17)
附件5 NEMA SM23 (摘录) (22)
附件6 API 661 《一般厂用空冷器》(摘录) (23)
1. 总则
1.1 适用范围
1.1.1 本规定适用于石油化工生产装置及辅助设施中的碳钢、合金钢及不锈钢管道的应力分析设计工作。

本规定所列内容为管道应力分析设计工作的最低要求。

1.1.2 管道应力分析设计应保证管道在设计和工作条件下，具有足够的强度和合适的刚度，防止管道因热胀冷缩、支承或端点的附加位移及其它的荷载（如压力、自重、风、地震、雪等）造成下列问题：
1)管道的应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏。

2)管道连接处泄漏。

3)管道作用在与其相联的设备上的载荷过大，或在设备上产生大的变形或应
力，而影响了设备的正常运行。

4)管架因强度或刚度不够而造成管架破坏。

5)管道的位移量过大而引起的管道自身或其它管道的非正常运行或破坏。

6)机械振动、声频振动、流体锤、压力脉动、安全阀泄放等动荷载造成的管
道振动及破坏。

1.2 应力分析设计工作相关的标准、规范：
1) GB150-1999 《钢制压力容器》
2) GB50316-2000 《工业金属管道设计规范》
3) HG/T20645-1998 《化工装置管道机械设计规定》
4) JB/T8130.2－95 《可变弹簧支吊架》
5) JB/T8130.1－95 《恒力弹簧支吊架》
6) HQB-B06-05.203PP-2003《简化柔性计算的规定》
7) ASME/ANSI B31.3 Process Piping
8) ASME/ANSI B31.1 Power Piping
9) ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution piping
systems
10)ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping
systems
11)API 610 Centrifugal Pumps for General Refinery Services
12)API 617 Liquid Transportation System for Hydrocarbone,
Liquid ,Petroleum Gve, Anhydrone Ammonis , and Alcohols
13) NEMA SM-23 Steam Turbine
14) API 661 Air-Cooled Heat Exchangers for General Refinery
Service
15) HQB-B06-05.105PP-2003 《管道配管设计规定》
16) HQB-B06-04.301PP- 《管架设计工程规定》
17) SHJ.41-91 《石油化工企业管道柔性设计规范》
18) GB 50316-2000 《工业金属管道设计规范》
2. 应力分析管线的分类及应力分析方法
2.1 应力分析管线的分类
原则上，所有的管线均应做应力分析，并根据管线的类别（温度、压力、口径、壁厚、所连接的设备的荷载要求等）确定应力分析的方法和详细程度。

如果项目中没有具体规定，可按以下方法对应力分析管线进行分类。

2.1.1 Ⅰ类管线（见附录1）
此类管线采用目测检验或简化分析方法。

2.1.2 Ⅱ类管线（见附录1）
此类管线要求进行分析，并可采用公认的简化计算方法（或图表）进行分析计算。

（详见附录1）
此种分析计算应有分析计算报告，分析报告适用于：
1) 高压管线
2) 锅炉水管线
3) 工艺管线
4) 天然气及液化天然气管线
2.1.3 Ⅲ类管线（见附录1）
此类管线应严格进行计算机辅助计算分析，下列管线均属于此类管线范畴：2.1.3.1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：
1)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。

a)温度≥150°C （或≤-140°C），公称直径大于或等于
DN100(4”)的管线；
b)温度≥120°C （或≤-90°C），公称直径大于或等于DN300(12”)
的管线；
c)温度≥150°C（或≤-140°C），且管线公称直径大于管口公称直
径的管线。

2)与往复式、离心式压缩机、透平相连接的管线，由于设备管口载荷校核依据
操作工况下的载荷进行，故当管线操作温度高于120°C，公称直径大于或等于DN80(3”)的管线，应做详细应力分析。

3)与空冷器相连的管线，当其管径大于或等于DN150(6”)或设计温度大于或等于
120°C时，应做详细应力分析。

2.1.
3.2与对应力敏感的设备相连的管道，应进行应力分析。

它包含以下几
类：
1)与按照ASME第Ⅷ卷第二章部分设计的设备相连的管道；
2)与加热器相连的管道；
3)与铝制设备相连的管道；
4)进出加热炉及蒸汽发生器的工艺管道，以及再生及除焦管道；
5)进出汽轮机的蒸汽管道；
6)与衬里设备相连的管道。

2.1.
3.3夹套管道。

2.1.
3.4附录1中所有的Ⅲ类管道。

2.1.
3.5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。

2.1.4 Ⅳ类管线（见附件1）
应力分析工程师对此类管线应特别注意，应采用特别的应力分析方法,因为在得到设备和结构的布置之前去做这些管线的分析是没用的。

这
类管线有下列几类：
1)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；
2)在下列温度值下长期工作的管道
3)
4)薄壁管线（t/D≤0.02 t:壁厚 D：管径）；
5)管线的设计循环次数高于22000次；
6)根据应力分析工程师的意见，上述第Ⅲ类管线中要求做其它附加的应
力分析的管线。

2.2 应力分析的方法
通常在设计中根据以下条件确定应力分析方法：
1)介质的危险性（有毒、易燃、易爆等）；
2)管线操作工况（温度、压力、脉动、工作循环强度等）；
3)地震烈度；
4)工厂类型（化工、石油、电力、核工业等）。

2.2.1 目测方法
根据以往的经验或与已分析过的管线的比较相类似，则采用目测的方法已经足够，不需要进行更详细的应力分析。

此时，需目测者具有相当
的工程经验。

2.2.2 简单分析（图表法、公式法）
简单分析将确保管线有足够的柔性，以吸收位移（热膨胀）。

尽管简单分析不能提供准确的载荷和应力，但这种分析简单而快速，甚至可以由非专职应力分析工程师来完成。

下面给出两种简单分析方法：
2.2.2.1第一种方法是采用公司标准《简化柔性计算的规定》（HQB-B06-
05.203PP-2002）的快速管道应力分析方法。

它基于一种简单的（可靠的）计算方法，更多的是考虑管线的位移在允许的范围内——即管线有足够的柔性，能够吸收管线由于受热荷载等产生的位移。

需要注意的是，此种方法不适合于下列管线：
1) DN>600 （24”）；
2) 设计温度超出-20°C ～350°C 范围；
3) 薄壁管（t/D ≤0.02 t:壁厚 D ：管径）； 4) 需准确知道约束（端点）反力的管线； 5) 夹套管； 6) 非金属管 。

2.2.2.2
第二种简单计算方法依据ASME/ANSI B31.3标准，它包含一个标准的计算过程；它要求管线具有同一直径，两端固定，无中间约束。

3.208)
(2
≤-•U L Y
D 式中：D —管子外径，mm
Y —管子吸收的总位移， mm L —两固定点间管子总长度，m U —两固定点间的直线距离，m
需注意的是，此种分析方法不适用于下列管线
1) 管线的约束多于两个； 2) 需准确知道约束反力的管线； 3) 夹套管；
4) 管线的工作循环次数大于7000次； 5) 两固定点间的管径或壁厚有改变； 6) 非金属管道；
7) 大直径薄壁管（t/D ≤0.02）；
8) 端点附加位移量占总位移量大部分管道；
9) L/U>2.5的不等腿U 型管道或近似直线的锯齿状管道。

2.2.3 计算机辅助应力分析
使用专门的管道应力分析软件（CAESARⅡ）对管道进行详细的应力计算和结果分析。

计算并分析评定管道各分支点的应力、约束点和端点（设备管口）的力和力矩等。

管道应力分析分为静力分析和动力分析。

对一般管道，通常只做静力分析即可。

但对一些特殊工况的管线则应做动力分析（如往复泵、往复式压缩机的进出口管线）。

2.2.
3.1静力分析包括：
1)管道在持续外载（压力、自重、集中力等）作用下的一次应力计算及评
定；
2)管道在温度荷载及端点附加位移载荷作用下的二次应力计算及评定；
3)管道对设备管口的作用力计算；
4)管道支吊架的受力计算；
5)管道上的法兰和分支点受力计算。

2.2.
3.2动力分析包括：
1)管道固有频率分析；
2)管道强迫振动响应分析；
3)往复式压缩机（泵）气柱频率分析；
4)往复式压缩机（泵）压力脉动分析。

3.管道应力分析设计输入和设计输出
3.1 设计输入
管道应力分析设计输入包括以下条件：
1)工艺流程图（P﹠ID）
2)工艺管线表
3)设备数据表
4)结构图
5)建筑图
6)总图
7)机泵条件
8)设备总装配图
9)设备布置图
10)配管图（平、立面）
11)管道轴测图（如果需要）
12)管道等级规定
3.2 设计输出
1)应力分析工程规定
2)临界管线表
3)应力分析报告（包括首页、计算内容页、应力分析轴测图、输入数据、
各工况下的位移、应力、约束反力、弹簧架表、有许用载荷要求的动
设备管口校核报告等）
4)设备管口荷载条件
5)设备预焊件条件
6)结构荷载条件
7)柔性件数据表
8)弹簧架数据表
典型的管道应力分析输出报告见附件3
3.2 应力分析报告标准格式
应力分析报告的标准格式参见标准《管机专业入库文件标准格式及规定》(XXX-XX)。

3.3 计算机辅助应力分析工作程序图
3.3.1管道计算机辅助应力分析工作程序如下图所示。

3.4管道应力分析适用的软件美国COADE公司的CAESARⅡ。

3.5管道应力分析的校审依据《压力管道设计文件校审与签暑制度》
及《校审细则》的规定执行。

4. 管道应力分析条件的确定
4.1 计算压力
4.1.1 管道计算压力应根据工艺管线表中设计压力确定。

4.1.2管道计算压力应不低于正常操作中预计的最高压力或在最苛刻温度下同时发生的内压或外压，取其最危险工况。

对工艺有特殊要求的工况（指温度与压力的耦合）也应予以考虑。

4.2 计算温度
4.2.1 管道计算温度应根据工艺管线表中的设计温度确定。

4.2.2管道计算温度应不低于正常操作中预计的最高温度或在其它工况下的最苛刻温度，取其最高值，或二者均应考虑计算。

对工艺有特殊要求的工况（指温度与压力的耦合）也应予以考虑。

4.2.3蒸汽伴热管道、蒸汽夹套管道和需蒸汽吹扫的管道，取介质设计温度和蒸汽温度的高者为计算温度。

4.2.4带内衬里的管道应利用计算值或经验数据并根据工艺管线表确定计算温度。

4.2.5安全阀排泄管道，应取排放时可能出现的最高或最低温度作为计算温度，同时，还应考虑正常操作时，排出管线处于常温下的工况。

4.2.6进行管道应力分析时，不仅要考虑正常操作条件下的温度，还要考虑短时超温工况（如开车、停车、除焦、再生等）。

4.2.7当管道的操作工况复杂，难以确定计算工况时，可选几种工况进行分析比较。

4.3 管道安装温度
4.3.1 管道应力分析的安装温度，应依据建设项目所在地的气象环境和安装时间及业主的特殊要求来确定。

4.3.2 如无特殊规定，则管道安装温度取21°C。

4.4 摩擦系数的确定
4.4.1 除非另有规定，在进行管道应力分析时，摩擦系数按下表确定。

4.5 腐蚀裕量
腐蚀裕量依据管道等级规定确定。

通常，碳钢及合金钢的腐蚀裕量一般为1.0～1.5mm，不锈钢一般不考虑腐蚀裕量。

4.6 附加载荷
除上述4.1，4.2所定义的温度、压力载荷外，尚应考虑以下载荷：
4.6.1地震载荷
取0.08g作为地震时的水平加速度，此时应作为偶然载荷工况来计算，同时将相应的许用应力提高1/3。

4.6.2风载荷
按基本风压值乘以管线的迎风面积再乘以管线的形状系数为作用力，即
μ
q
f
=A
⨯
⨯
式中：f为力（单位N）
mm）
q为基本风压（单位N/2
A为迎风面积（单位2
mm）
μ形状系数，对管子为0.6
此时，计算的工况为偶然载荷工况，同时将相应的许用应力提高1/3。

4.6.3安全阀泄放载荷
依据ASME/ANSI B31.1和API RP520标准来计算泄放载荷。

把此载荷作为静荷载加入到被计算的管系中。

（需考虑此载荷引起的系统振动时，则应做动力分析），此时计算的工况为偶然载荷工况，同时将许用应力提高1/3。

4.6.4有效冷紧
通常不建议采用冷紧，特别是与转动设备相连的管线，不允许使用冷紧的方法。

有效冷紧是指冷紧量的有效值，通常取冷紧量的2/3。

在应力分析中，对于在非蠕变温度下工作的管线，其冷紧量（如果需要），取全补偿量的50%。

对于在蠕变温度下工作的管线，即
碳钢： 370°C (375°C)
合金钢：450°C (482°C)
不锈钢：520°C (538°C)
其冷紧量（如果需要），取全补偿量的70%。

(注：括号内的温度
是针对国外材料。

)
5. 管道应力分析评定准则
5.1 应力评定
所有被分析的管系的应力评定准则依据ASME/ANSI B31.3（工艺管道），ASME/ANSI B31.1(动力管道)，ASME/ANSI B31.4和ASME/ANSI B31.8（长输管道），以及GB50316-2000等标准执行。

5.1.1 许用应力
许用应力的取值依据设计所采用的规范的不同，而分别依据ASME B31.1, ASME B31.3, ASME B31.4, ASME B31.8和GB50316-2000。

5.1.2 柔性系数和应力增强系数
管件的柔性系数和应力增强系数的计算方法见附件4，对于不同于附件4中的管件，应参照GB50316-2000规范采用相应的方法计算。

5.2 位移评定
各种载荷在管系中各点产生位移应控制在“GB50316-2000”规范允许的范围内，且应满足工艺、安装、操作等诸方面要求。

5.3设备管口载荷评定
5.3.1泵
与泵相连的管线，除其应力需满足相关规范的要求外，泵口所承受的载荷应满足制造商和API610(针对离心泵)标准的要求，且对于往复泵应做动力分析。

API 610《一般炼厂用离心泵》管口许用载荷见附件4。

5.3.2压缩机
与压缩机相连的管线，除其应力需满足相关规范的要求外，压缩机管口所承受的载荷应满足制造商和API617（针对离心式压缩机）标准的要求，且对于往复式压缩机应做动力分析。

对于离心式压缩机，其管口处承受的载荷应不大于NEMA SM23规范中规定值的1.85倍，或依据API617第2.4.2节进行计算，计算的限定值由供货商提供。

5.3.3 蒸汽透平和汽轮机
与蒸汽透平或汽轮机相连的管线，除其应力需满足相关规范的要求外，透平和汽轮机管口所承受的载荷应满足制造商和NEMA SM23标准的要求。

NEMASM23标准的管口许用载荷见附件5。

5.3.4 空冷器
与空冷器相连的管线，除其应力需满足相关规范的要求外，空冷器管口所承受的载荷应满足制造商和API661标准的要求，API661的管口许用载荷见附件6。

5.3.5 容器
作用于容器管口的载荷，通常应低于附件2中的值。

当超出时，且在管道自身无法解决的情况下，应向设备专业提出管口载荷条件，供设备专业校核计算。

5.3.6 其它设备
作用于其它设备管口的载荷，依据设备制造厂或相关标准规范评定。

5.4
补偿器的评定
在管线中安装补偿器（金属波纹式，填函式）时，管线的应力应满足相应规范的要求，同时，应考虑变形及内压推力对结构的作用，而且，波纹补偿器的各向变形应满足以下要求：
0.1≤∆+∆+∆a
a a y y
X X θθ 或 a X L y D D X ≤∆+∆+∆/300872665.0θ 其中：X ∆--膨胀节的实际轴向位移。

(单位：mm) θ∆--膨胀节的实际弯曲角度。

(单位:度) y ∆--膨胀节的际横向位移。

(单位:mm) a X --膨胀节的许用轴向位移。

(单位:mm) a θ--膨胀节的许用弯曲角度。

(单位:度)
y--膨胀节的许用轴向位移。

(单位:mm)
a
D--膨胀节的有效直径。

(单位:mm)
L--膨胀节的柔性长度。

(单位:mm)
5.5弹簧支吊架（恒力，可变弹簧）
对于装有弹簧支吊架的管系，其应力评定应满足相应规范的要求，且通常要求可变弹簧的荷载变化率不得大于25%，弹簧的刚度偏差不得大于5%。

对于敏感设备（如转动设备），管口附近的弹簧支吊架的荷载变化率不得大于10%。

对于在蠕变温度下长期工作的管线，即
碳钢： 370°C (375°C)
合金钢：450°C (482°C)
不锈钢：520°C (538°C)
弹簧支吊架荷载变化率不得大于5%。

HQB-B06-05.306PP-2003 第14页共 24 页。