管道应力分析

管道应力分析

应力分析

1. 进行应力分析的目的是

1) 使管道应力在规范的许用范围内；

2) 使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准；

3) 计算出作用在管道支吊架上的荷载；

4) 解决管道动力学问题；

5) 帮助配管优化设计。

2. 管道应力分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？

答：管道应力分析分为静力分析和动力分析。

1) 静力分析包括：

(l)压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算――防止塑性变形破坏；

(2)管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算――防止疲劳破坏；

(3)管道对设备作用力的计算――防止作用力太大，保证设备正常运行；

(4)管道支吊架的受力计算――为支吊架设计提供依据；

(5)管道上法兰的受力计算――防止法兰泄漏；

(6)管系位移计算――防止管道碰撞和支吊点位移过大。

2) 动力分析包括：

(l)管道自振频率分析――防止管道系统共振；

(2)管道强迫振动响应分析――控制管道振动及应力；

(3)往复压缩机气柱频率分析――防止气柱共振；

(4)往复压缩机压力脉动分析――控制压力脉动值。

3. 管道应力分析的方法

管道应力分析的方法有：目测法、图表法、公式法、和计算机分析方法。选用什么分析方法，应根据管道输送的介质、管道操作温度、操作压力、公称直径和所连接的设备类型等设计条件确定。

4. 对管系进行分析计算

1) 建立计算模型（编节点号），进行计算机应力分析时，管道轴测图上需要提供给计算机软件数据的部位和需要计算机软件输出数据的部位称作节点：

(1) 管道端点

(2) 管道约束点、支撑点、给定位移点

(3) 管道方向改变点、分支点

(4) 管径、壁厚改变点

(5) 存在条件变化点（温度、压力变化处）

(6) 定义边界条件（约束和附加位移）

(7) 管道材料改变处（包括刚度改变处，如刚性元件）

(8) 定义节点的荷载条件（保温材料重量、附加力、风载、雪载等）

(9) 需了解分析结果处(如跨距较长的跨中心点)

(10) 动力分析需增设点

2) 初步计算（输入数据符合要求即可进行计算）

(1) 利用计算机推荐工况（用CASWARII计算，集中荷载、均布荷载特别加入）

(2) 弹簧可由程序自动选取

(3) 计算结果分析

(4) 查看一次应力、二次应力的核算结果

(5) 查看冷态、热态位移

(6) 查看机器设备受力

(7) 查看支吊架受力（垂直荷载、水平荷载）

(8) 查看弹簧表

3) 反复修改直至计算结果满足标准规范要求（计算结果不满足要求可能存在的问题）

(1) 一次应力超标，缺少支架

(2) 二次应力超标，管道柔性不够或三通需加强

(3) 冷态位移过大，缺少支架

(4) 热态水平位移过大，缺少固定点或Π型

(5) 机器设备受力过大，管道柔性不够

(6) 固定、限位支架水平受力过大，固定、限位支架位置不当或管道柔性不够

(7) 支吊点垂直力过大，可考虑采用弹簧支吊架

(8) 弹簧荷载、位移范围选择不当，人为进行调整

5. 编制计算书，向相关专业提交分析计算结果

1) 计算书内容

(1) 一次应力校核内容

(2) 二次应力校核内容

(3) 约束点包括固定点、支吊点、限位导向点和位移点冷态、热态受力

(4) 各节点的冷态、热态位移

(5) 弹簧支吊架和膨胀节的型号等有关信息

(6) 离心泵、压缩机和汽轮机的受力校核结果

(7) 经分析最终确定的管道三维立体图，包括支吊架位置、形式、膨胀节位置等信息

2) 向相关专业提交分析计算结果

(1) 向配管专业提交管道应力分析计算书，计算书不提供给甲方

(2) 向设备专业提交设备需确认的设备受力

(3) 如果支撑点、限位点、导向点的荷载较大，应向结构专业提交荷载数据

(4) 将往复压缩机管道布置及支架设置提交压缩机制造厂确认

6. 何谓一次应力，何谓二次应力？分别有哪些荷载产生？这两种应力各有何特点？

答：一次应力是指由于外加荷载，如压力或重力等的作用产生的应力。

一次应力的特点是：它满足与外加荷载的平衡关系，随外加荷载的增加而增加，且无自限性，当其值超过材料的屈服极限时，管道将产生塑性变形而破坏。

二次应力是由于管道变形受到约束而产生的应力，它不直接与外力平衡，二次应力的特点是具有自限性，当管道局部屈服和产生小量变形时应力就能降低下来。二次应力过大时，将使管道产生疲劳破坏。在管道中，二次应力一般由热胀、冷缩和端点位移引起。

7. 一般来说，管道上哪些点的应力比较大？为什么？

答：一般来说，管道上三通和弯管处的应力比较大。因为，与直管相比，三通和弯管处的应力增强系数比较大。

8. 根据NEMA SM23的要求，汽轮机管口受力应满足什么要求？

答：NEMA SM23对汽轮机管口受力的限制如下：

定义机轴方向为X方向，铅垂向上方向为+Y，汽轮机各管口受力必须满足下列各项要求；

(l)作用于任一管口上的合力及合力矩应满足以下要求：

0.9144F R＋M R≤26.689De

式中

De――当量直径，mm；当管口公称直径不大于200时，De=管口公称直径；当管口公称直径大于200时，De=(管口公称直径+400)/3；

F R――单个管口上的合力，当接管采用无约束膨胀节时应包括压力产生的作用力(凝汽式汽轮机垂直向下出口可不考虑膨胀节内压推力)，N；

M R――单个管口上的合力矩，N·m。

F R = (Fx2＋Fy2＋Fz2)1/2