管道设计关键技术 材料 应力

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1、管道材料与应力分析 主讲：李中央 中国寰球工程公司 联系电话：010-58676304 010-58676333(Fax) 主办：中国特种设备检测研究院,全国压力管道设计关键技术高级研修班,1、管道材料工程规定 2、隔热工程规定 3、防腐、涂漆工程规定 4、管道等级索引表 5、管道材料等级 6、管道壁厚表 7、管道分支表 8、管道与仪表材料分界规定,管道材料设计基本内容,9、隔热、涂漆材料一览表 10、综合材料表 11、隔热结构图 12、非标管件图 13、阀门数据表 14、管道材料控制请购文件 15、材料汇总表编制说明 管道材料选用及等级规定,管道材料设计基本内容,等级表范例,1）管子分类 2

2、）管子种类 3）钢管尺寸系列 4）钢管选择(满足经济性和安全性） A) 腐蚀环境与金属材料 B) 工程中防腐措施 C) 选材应注意的问题,管道材料设计基本内容 1.1钢制管道材料选用,3）钢管尺寸系列,管道材料设计基本内容 1.1.3.钢管尺寸系列,1.1.3.1 公称直径系列,美标体系 欧州体系,表1,1.1.3.2 外径 1.1.3.2英制管和公制管,英制管(國际通用系列) ASME B36.10 ,36.19 ISO4200 HG20553 系列 SH3405 GB17395 JIS,公制管(國内沿用系列 淘汰系列) HG20553 系列,表3,英制管公制管,DN150以下 英制管 大外

3、径 公制管 小外径 DN200300 英制管=公制管 相同外径,英制管公制管,DN350以上 英制管外径=NPS25.4 公制管外径英制管外径 DN+30mm DN+20mm,表3,1.1.3.3 选用外径系列时应注意的问题,公制管 管子 , 管件(对焊 , 承插 ) , 法兰 , 阀门 (对焊 , 承插 ) 的配套 管子 , 管件(对焊 , 承插 ) , 法兰 , 阀门 (对焊 , 承插 ) 的标识 , B 提供相关尺寸 不能采用管螺纹和螺纹管件,选用外径系列时应注意的问题,英制管 承插管件 ,阀门承插口内径与钢管外径的 配合 螺纹管件 ,阀门的螺纹型式( NPT , R , Rc , Rp

4、 )与钢管外径的 配合 SH3405大口径英制管外径的问题,表4,表2,表3,1.1.3.4 壁厚 壁厚系列 , 壁厚等级,Sch.5 160 ( 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160 ) Sch.5S 80S ( 5S , 10S , 40S , 80S , 20S ) 重量等级 Std. XS , XXS,1.1.3.5 國内目前应用的壁厚系列,ASME B 36.10 , B36.19 (表13 ) HG20553 系列 (表14 ) SH3405 (表 15 ) (HG20553 系列 ),表5,表13,表14,表15,1,1.1.

5、3.6管表号 Sch. 的含义,式中: t 壁厚(mm) ; P 内压(MPa) 许用应力(MPa)； 焊缝系数 C 腐蚀余量 (2.54mm ; 0.875壁厚负偏差),1.1.3.6管表号 Sch. 的含义,設Sch. =1000P Sch. 的数值相当于钢管为100MPa 的承压能力Bar. t=(Sch. D1750)+2.54,1.1.3.7为什么要采用管表号 Sch.,管表号 Sch.适用于表达一定范围內多个公称直径管子的壁厚 管表号 Sch.的数值代表许用应力为100MPa时钢管的承压能力 ( Bar ) 减少钢管壁厚规格数量 , 便于组织批量生差 , 庫存销售,1.4設計选用,

6、1.4.1按质量等级选用 GC1 A GC2 B或A GC3 C或B GC2,无毒,非可燃,且PN20以下 C或B,1.4設計选用,1.4.2按材料选用 Q235,195 ERW GB3091 SAW GB3091 螺旋 SAW SY5037 20 无缝 GB8163,3087,9948,6479 20G 无缝 GB5310 L245 无缝 GB9711 DSAW GB9711 ERW GB9711,1.4設計选用 1.4.2按材料选用,20R,20g,16MnD,15CrMoR,A516等板 DSAW板焊管 A671,672,694 15CrMo等CrMo合金管 无缝 GB5310,6479

7、,9948 LTCS,3.5Ni等低温钢,无缝, GB18984 304等不锈钢 无缝 GB14976 304等不锈钢 板焊管 HG20537.4 ASTM A358,1.4設計选用 1.4.3按规格选用,Q235,195 ERW DN15500 Q235,195 SAW DN450 L245 ERW DN15400 L245 DSAW DN450 20 ,15CrMo等 无缝 DN400 20G,15CrMo等高温高压厚壁锻造管 DN3001000 低温钢 无缝 DN400,1.4設計选用 1.4.3按规格选用,20R,16MnDR,15CrMoR等DSAW管 DN450 304等不锈钢 无

8、缝 DN300 304等不锈钢 板焊 DN150,1.4設計选用 1.4.4考慮经济性,检查项目增加,价格依次提高 C2C1B2B1A2A1 ERWSAW气体保护焊热轧冷拔冷轧锻造 Q235A Q235B 20 L245 20G LTCS CrMo钢3.5Ni 304304L321347316316L,1.4.5考慮采购与成套,标准与非标 通用与特殊,专用 材件和规格的合併与分散 批量大与小 庫存与订单生産,非表列材料的使用 数据的使用性和可靠性（特别是温度范围两个极点的数据） 全温度范围内，材料抵抗流体工况和环境有害作用的能力 许用应力的确定 责任在设计者 对管道组成件压力温度额定值进行扩展

9、是业主的责任,管道材料设计基本内容,低温用材料 金属低温能试验要求 （表列材料和非列表材料）,管道材料设计基本内容,低温用钢,低温界线与低温用钢 0 Q235B,A 19 20,16Mn 29 L245,A105,WPB,WCB, 40 16MnD 46 10MnD,A333Gr6,WPL6,LF2,LCB 101 3.5Ni 253奥氏体不锈钢,Al,Cu,规范附录A的许用应力表的使用。,管道材料设计基本内容,许用应力表,管道应力（机械）,一、管机专业的职责 1、应力分析（静力分析、动力分析）; 2、对重要管线的壁厚进行计算，包括特殊管件的应力分析； 3、对动设备（机泵、空冷器、透平等）管口

10、受力进行校核计算； 4、管架设计； 5、审核供货商文件； 6、编制、修改相关规定； 7、编制应力分析及管架设计工程规定； 8、本专业人员培训； 9、进度、质量及人工时控制 ； 10、参加现场技术服务；,二、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 6、JB/T8130.2-1999 可变弹簧支吊架 7、GB 50251-2003 输气管道工程设计规范

11、8、GB 50253-2003 输油管道工程设计规范 9、ASME/ANSI B31.1 - Power Piping,10、ASME/ANSI B31.3 Process Piping 11、ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution piping systems 12、ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systems 13、API610 - 离心泵 14、NEMA SM23 - 透平 15、API617 - 离心式压缩机 16、API618 - 往复

12、式压缩机 17、API661 - 空冷器 18、ANSI/B31.1、APIRP520 - 安全阀、爆破膜,三、工程设计阶段管机专业的任务 1、初步设计、基础设计阶段 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。,2、详细设计阶段 修订工程设计规定(应力分析、管架设计) (四级签署)； 重要管线的壁厚计算，特殊管件的应力分析； 编制临界管线表(三级签署) 应力分析管线表 静力分析 应力分析 (三、四级)； 动力分析 卧式容器固定端确定，立式设备支耳标高确定； 支管补强计算； 动设备许用荷载校核(四级), 夹套管

13、(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)； 往复式压缩机、往复泵动力分析(四级)； 安全阀、爆破膜泄放反力计算； 结构、建筑荷载条件； 设备管口荷载、预焊件条件； 编制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据表； 编制柔性件(膨胀节、软管等)采购MR文件及技术数据表；,3、各文件应包含的内容： 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

14、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, 壁厚计算 A、当 B、当 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。, 临界管线表 公式法： D0 管外径(mm) Y 管段总位移(mm) Y=(X2+Y2 +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

15、适用范围,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。 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(值)。,C、动力分析要点 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