管道應力分析技術,主講：中國寰球工程公司,主辦：中國石油和化學工業(yè)協(xié)會培訓中心2011年03月,張世忱,電話1,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,A職責應力分析（靜力分析、動力分析）對重要管線的壁厚進行計算，包括特殊管件的應力分析對動設備（機泵、空冷器、透平等）管口受力進行校核計算管架標準的制定及非標管架設計審核供貨商文件編制、修改相關工程規(guī)定編制應力分析及管架設計工程規(guī)定對相關設計人員進行專業(yè)培訓進度、質(zhì)量及人工時控制參加現(xiàn)場技術服務,2,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,B工作任務初步設計、基礎設計階段(1)編制工程設計規(guī)定(應力分析,管架設計)（四級簽署）(2)參加設備布置工作(3)對主要管線的走向進行應力分析和評定詳細設計階段編制工程設計規(guī)定（應力分析、管架設計）（四級簽署）重要管線的壁厚計算，特殊管件的應力分析，高壓管，大口徑薄壁管編制臨界管線表（三級簽署）-應力分析管線表,3,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,靜力分析應力分析（三、四級）動力分析臥式容器固定端確定，立式設備支耳標高確定支管補強計算動設備許用荷載校核（4級）夾套管（蒸汽、熱油、熱水）計算（端部強度計算、內(nèi)部導向翼板位置確定、同時包括任何應力分析管道的所有內(nèi)容）往復式壓縮機、往復泵動力分析（4級）安全閥、爆破膜泄放反力計算結構、建筑荷載條件,4,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,設備管口荷載、預焊件條件編制管架表*繪制非標管架圖*編制管架綜合材料表*編制彈簧架采購MR文件及彈簧架技術數(shù)據(jù)表編制柔性件(膨脹節(jié)、軟管等)采購MR文件及技術數(shù)據(jù)表管架施工安裝說明*,5,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,各文件應包含的內(nèi)容和工作內(nèi)容：工程規(guī)定內(nèi)容A適用范圍B概述C設計中采用的標準規(guī)范D計算程序（軟件）E設計溫度、壓力、安裝溫度(環(huán)境溫度)、壓力F設計荷載風載荷(風壓值),形狀系數(shù)地震烈度,水平加速度因子雪荷載土壤的化學、力學性質(zhì)水（汽）錘荷載,6,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,G臨界管線表的確定準則（哪些管線該做哪類的應力分析）H計算及安全性評定準則I應力分析工作流程J其他壁厚計算A當,7,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,B當t的確定應根據(jù)斷裂理論、疲勞、熱應力及材料特性等因素綜合考慮確定。（高壓管道的計算）C外壓直管的壁厚，應根據(jù)GB150規(guī)定的方法確定。D其它的管件（如Y型三通、孔板等）依據(jù)相應的規(guī)范（GB50316-2000）或公式進行計算。E高壓管的應力分析F大口徑薄壁管的應力分析,8,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,臨界管線表,9,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,公式法:D管外徑（mm）Y總位移（mm）Y=（X2+Y2+Z2）1/2L管線總長（mm）U管線的直線距離（mm）（依據(jù)ASME/ANSIB31.1及B31.3）,10,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,11,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,應力分析分為靜力分析(含疲勞分析，風載荷及地震載荷分析)和動力分析。A.靜力分析包含的內(nèi)容(何為應力,強度理論)a)一次應力計算及評定-防止管道塑性變形破壞b)二次應力計算及評定-防止疲勞破壞c)設備管口受力計算（及評定）-防止作用力太大，保證設備正常運行d)支承點受力計算-為支吊架設計提供依據(jù)e)管道上法蘭受力計算-防止法蘭泄漏f)兩相流及液擊沖擊載荷計算-為支吊架和結構設計提供依據(jù),12,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,B.動力分析包含的內(nèi)容a)管道固有頻率分析-防止共振b)管道強迫振動響應分析-控制管道振動及應力c)往復式壓縮機（泵）氣（液）柱頻率分析-防止氣柱共振d)往復式壓縮機（泵）壓力脈動分析-控制壓力脈動值（值）,13,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,C.動力分析要點:a).振源機器動平衡差-基礎設計不當氣流脈動-氣柱共振阻力、流速、流向變化異徑管、彎頭、閥門、孔板等附近產(chǎn)生激力共振-激振力頻率等于或接近管線固有頻率b).機器動平衡差-修改基礎設計,14,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,c).減少脈動和氣柱共振的方法：1）加大緩沖罐-依據(jù)API618計算緩沖罐的體積,一般為氣缸容積的10倍以上;使緩沖罐盡量靠近進出口;但不能放在共振管長位置2）兩臺或三臺壓縮機的匯集總管為進口管面積之和的三倍。3）孔板消振-在緩沖罐的出口加一塊孔板。.孔徑大?。?孔板厚度=3-5mm孔板位置在較大緩沖罐的進出口均可,15,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,d).減少激振力減少彎頭、三通、異徑管等管件改90。為彎頭45。彎頭。e).改變（提高）管線的固有頻率，使其遠離激振力頻率。共振區(qū)域,W1管道固有頻率（角頻)W0激振頻率（角頻）放大因子通常W1應避開0.8W01.2W0的區(qū)域，在工程中最好避開0.5W01.5W0的范圍，這樣振幅較小。,16,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,通常W1應在W0（壓縮機的吸入或吸出頻率）的1.2倍以上。設計時最好控制在1.5倍以上。,17,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,激振力頻率W0=缸數(shù)單（雙）作用數(shù)（1/秒）n=轉/分-壓縮機轉數(shù)控制壓力脈動n：為壓縮機并聯(lián)數(shù),18,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,臥式容器固定端及立式設備支耳標高確定提高管道柔性，減小位移差值，防止對設備管口的推力過大。支管補強計算降低局部應力等面積補強WRC329動設備管口許用荷載校核API610，API617，NEMASM23，API661。a)管道計算夾套管計算b)端部強度計算c)內(nèi)部導向翼板位置確定往復式機泵動力分析（見）安全閥，爆破膜泄放反力計算(見標準計算程序)-ANSI/B31.1（氣體）APIRP520（氣體、氣混）,19,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,結構，荷載條件F1000Kgf,M750Kgf.BfBf梁翼緣寬度。需提條件給土建；沉降量的考慮；儲罐抗震措施。設備管口荷載及預焊件條件供設備專業(yè)校核局部應力和設計用略,20,一、管道應力分析專業(yè)的職責及任務,編制彈簧架表選型、荷載、位移串聯(lián)按最大荷載選彈簧位移按最大位移量分配并聯(lián)選同型號彈簧、荷載平均分配荷載變化率國標25（可改變）編制柔性件技術特性表,21,二、管道應力分析專業(yè)常用的標準規(guī)范,GB50316-2000工業(yè)金屬管道設計規(guī)范GB/T20801-2006壓力管道規(guī)范HG/T20645-1998化工裝置管道機械設計規(guī)定SH/T3041-2002石油化工企業(yè)管道柔性設計規(guī)范GB150鋼制壓力容器JB/T8130.1-1999恒力彈簧支吊架JB/T8130.2-1999可變彈簧支吊架GB50251-2003輸氣管道工程設計規(guī)范GB50253-2003輸油管道工程設計規(guī)范ASME/ANSIB31.1PowerPipingASME/ANSIB31.3ProcessPiping,22,二、管道應力分析專業(yè)常用的標準規(guī)范,ASME/ANSIB31.4LiquidTransmissionandDistributionpipingsystemsASME/ANSIB31.8GasTransmissionandDistributionpipingsystemsAPI610離心泵NEMASM23透平API617離心式壓縮機API618往復式壓縮機API661空冷器ANSI/B31.1、APIRP520安全閥、爆破膜,23,三、管道應力分析專業(yè)與其它專業(yè)的分工及來往條件；,1、管道應力分析與工藝2、管道應力分析與設備（靜設備，動設備，設備管口承載能力）3、管道應力分析與結構4、管道應力分析與工業(yè)爐5、管道應力分析與管道材料6、管道應力分析與配管（設備布置及管道布置）,24,四、管道支架設計,1.管道支架的分類及定義按支架的作用分為三大類；承重架、限制性支架和減振架。1.1承重架：用來承受管道的重力及其它垂直向下荷載的支吊架(含可調(diào)支架)。a.滑動架：在支承點的下方支撐的托架，除垂直方向支撐力及水平方向摩擦力以外，沒有其他任何阻力。b.彈簧架：包括恒力彈簧架和可變彈簧架。c.剛性吊架：在支承點的上方以懸吊的方式承受管道的重力及其他垂直向下的荷載，吊桿處于受拉狀態(tài)。d.滾動支架：采用滾筒支承，摩擦力較小。,25,四、管道支架設計,1.2限制性支架：用來阻止、限制或控制管道系統(tǒng)位移的支架(含可調(diào)限位架)。a.導向架：使管道只能沿軸向移動的支架，并阻止因彎矩或扭矩引起的旋轉。b.限位架：限位架的作用是限制線位移。在所限制的軸線上，至少有一個方向被限制。c.定值限位架：在任何一個軸線上限制管道的位移至所要求的數(shù)值，稱為定值限位架。d.固定架：限制管道的全部位移。,26,四、管道支架設計,1.3減振架：用來控制或減小除重力和熱膨脹作用以外的任何力(如物料沖擊、機械振動、風力及地震等外部荷載)的作用所產(chǎn)生的管道振動的支架。減振架有彈簧及油壓和機械三種類型。,27,四、管道支架設計,28,四、管道支架設計,2、管道跨距及導向間距1）管道跨距強度及剛度兩項控制強度控制略剛度控制裝置內(nèi)13mm，裝置外25mm2）導向間距：a)水平管b)垂直管垂直管道的最大導向支架間距大致可按不保溫管充水的水平管道支架間距進行圓整。,29,附表一：垂直管線導向間距表,30,四、管道支架設計,3.確定管道支架位置的要點：3.1承重架距離應不大于支架的最大間距。3.2盡量利用已有的土建結構的構件支承，及在管廊的梁柱上支承。3.3在垂直管段彎頭附近，或在垂直段重心以上做承重架，垂直段長時，可在下部增設導向架（當載荷大時，可采用彈簧架分載荷）。3.4在集中荷載大的管道組成件附近設承重架。3.5盡量使設備接管的受力減小。如支架靠近接管，對接管不會產(chǎn)生較大的熱脹彎矩。3.6考慮維修方便，使拆卸管段時最好不需做臨時支架。3.7支架的位置及類型應盡量減小作用力對被生根部件的不良影響,31,四、管道支架設計,3.8管道支吊架應設在彎管和大直徑三通式分支管附近3.9對于需要作詳細應力計算的管道，應根據(jù)應力計算結果設計管架3.10在敏感的設備(泵、壓縮機)附近，應設置彈簧支架，以防止設備口承受過大的管道荷載3.11往復式壓縮機的吸入或排出管道以及其它有強烈振動的管道，宜單獨設置有獨立基礎的支架，(支架生根于地面的管墩或管架上)，以避免將振動傳遞到建筑物上3.12除振動管道外，應盡可能利用建筑物、構筑物的梁柱作為支架的生根點，且應考慮生根點所能承受的荷載，生根點的構造應能滿足生根件的要求3.13管道支吊架應設在不妨礙管道與設備的連接和檢修的部位,32,四、管道支架設計,4.管道布置過程中對支架位置的考慮4.1管道走向首先要滿足安全生產(chǎn)、工藝要求，操作方便，安裝維修方便；4.2管道盡量集中布置，如成排布置，便于做聯(lián)合支架，盡量減少分散獨立設置的柱式架。同時達到整齊美觀。4.3管道布置應靠近可能作支架的點，如靠近為其它目的的做的構筑物，沿建筑物的墻、柱?；蜓仄脚_下敷設，以便利用梁和柱來支承。4.4管道成組布置時，各管道的被支承面應取齊，即水平管管托底面和不保溫管的管底應取齊，豎直管管托底面和不保溫管的管底應側齊,以便設計支架。4.5采用彈簧支座或吊架時，管道與生根構件之間應有足夠的空間。,33,四、管道支架設計,5管道支吊架選用的原則：5.1在選用管道支吊架時，應按照支承點所承受的荷載大小和方向、管道的位移情況、工作溫度、是否保溫或保冷、管道的材質(zhì)等條件選用適合的支吊架；對于冷管,在管架設計時,應該有防止冷橋產(chǎn)生的措施;5.2設計管道支吊架時，應盡可能選用標準管卡、管托和管吊；,34,四、管道支架設計,5.3下列情況，不得采用焊接型的管托和管吊：管內(nèi)介質(zhì)溫度等于或大于400的碳素鋼材質(zhì)的管道；低溫管道；合金鋼材質(zhì)的管道；生產(chǎn)中需要經(jīng)常拆卸檢修的管道；架空敷設且不易施工焊接的管道；非金屬襯里管道；需熱處理的管道（消除應力）,35,四、管道支架設計,5.4為防止管道過大的橫向位移和可能承受的沖擊荷載，一般在下列位置設置導向管托，以保證管道只沿著軸向位移：可能產(chǎn)生振動的兩相流管道；橫向位移過大可能影響鄰近管道時；固定支架之間的距離過長，可能產(chǎn)生橫向不穩(wěn)定時；（柱失穩(wěn)）為防止法蘭和活接頭泄漏要求管道不宜有過大的橫向位移時；,36,四、管道支架設計,5.5當架空敷設的管道熱脹量超過100mm時，應選用加長管托，以免管托滑到管架梁下；5.6凡支架生根在需整體熱處理的設備上時，應向設備專業(yè)提出所用預焊件的條件；5.7對于荷載較大的支架位置要事先與有關專業(yè)設計人聯(lián)系，并提出支架位置、標高和載荷情況；5.8凡需要限制管道位移量時，應考慮設置限位架。5.9安全閥出口管線的支架要高度重視，應足以抵抗泄放時沖擊荷載的作用,37,四、管道支架設計,6管道固定點的設置應滿足下列要求：6.1對于復雜管道可用固定點將其劃分成幾個形狀較為簡單的管段，如L形管段、U形管段、Z形管段等以便進行分析計算；6.2確定管道固定點位置時，使其有利于兩固定點間管段的自然補償；6.3選用形補償器時，宜將其設置在兩固定點的中部；6.4固定點宜靠近需要限制分支管位移的地方；6.5固定點應設置在需要承受管道振動、沖擊荷載或需要限制管道多方向位移的地方；6.6作用于管道中固定點的荷載，應考慮其兩側各滑動支架的摩擦反力；6.7進出裝置的工藝管道和非常溫的公用工程管道，宜在裝置分界處設固定點。,38,四、管道支架設計,7管道支架生根的結構型式7.1在設備（VESSEL）上生根：在設計從設備上生根的支架時，要求在設備上預焊生根件。如果現(xiàn)場安裝支架在設備壁上直接焊接，許多設備需要重新檢驗，且拖延施工進度。焊后殘余應力會影響設備的防腐能力和機械