管道应力分析讲座

《管道应力分析讲座》由会员分享，可在线阅读，更多相关《管道应力分析讲座（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、管道应力分析 讲座 李玉国 1.1 管道应力分析的内容 n管道应力分析包括静力分析和动力分析 两部分。 管道应力分析 1.1.1 静力分析 n1）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（ W+P）； n 一次应力：是指由于外加荷载，如压力，重力和内压等的作用而产生 的应力。 n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。 n 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（T）； n 二次应力：是由于管道受温度影响变形受到约束而产生的应力，它不 直接与外

2、力平衡。二次应力的特点是具有自限制性，当管道局部屈服和 产生小量变形时应力就能降低下来。 n 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 ； n 4）管道支吊架的受力计算为支吊架设计提供依据； n 5）管道上法兰的受力计算防止法兰汇漏。 管道应力分析 1.1.2 动力分析 n化工管道的振动，经常会引起管系和管架的疲劳破坏，建筑物诱 发振动和噪音等，严重的影响整个装置的正常运行。化工管道中 经常遇到的振动有往复式压缩机及往复泵进出口管道的振动，两 相流管道呈柱塞流时的振动，水锤，安全阀排气系统产生振动， 风载荷、地震载荷引起振动等，管系设计时要考虑防止或控制管 道发生振动和共振。

3、振动分析主要包括以下内容： n l）管道自振频率分析防止管道系统共振； n 2）管道强迫振动响应分析控制管道振动及应力； n 3）往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析防止气柱共振； n 4）往复压缩机（泵）压力脉动分析控制压力脉动值。 n总结：我们分析出来要得到的结果重点就是一次应力、二次应力 、设备管口的受力和管道支吊架的受力。 管道应力分析 1.2 管道应力分析的目的 n管道应力分析应保证管道在设计下具有足够的 柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移、 管道支承设置不当等原因造成的下列问题： n管道应力过大或者金属疲劳引起的管道或者 支架破坏； n管道连接处产生泄漏； n管道推力和力矩过大，

4、使与其连接的设备产 生过大的应力或变形，影响设备正常运行。 管道应力分析 1.3 管道应力分析合格的标准 n管道上各点的一次应力和二次应力值 应小于许用应力范围； n管道对设备管口的推力和力矩应在允 许的范围内； n管道支吊架受力应能满足支吊架本身 结构强度和与之生根的土建结构强度； n管道的最大位移量应能满足管道布置 的要求。 管道应力分析 2.1 材料特性 n在应力计算中总是需要考虑的是材料的 许用应力、弹性模量、平均线膨胀系数 等。 管道应力分析 2.1.1 许用应力(钢管) n见工业金属管道设计规范(2008年版) n-附录 A 金属管道材料的许用应力 n-表A.0.1 常用钢管许用应

5、力 管道应力分析 2.1.2 金属材料物理性质 n见工业金属管道设计规范(2008年版) n-附录 B 金属管道物理性质 n-表B.0.1 金属材料的弹性模量 n-表B.0.2 金属材料的平均线膨胀系数值 管道应力分析 3.1 管系内应力的评定 n管道上各点的一次应力值和二次应力值 应小于许用应力范围；即： n(一次) t； n(二次) f(1.25c+1.25t(一次 )。 n从公式中可以知道一次应力值和二次应 力值与钢管许用应力直接相关，对于焊 接管道一定要计入焊接接头系数Ej。 管道应力分析 3.2 附加位移 nY =H（T-20） mm n应力分析计算不仅要考虑设备管口的位 移量，还要

6、考虑生根在设备上的支吊架 的位移量。 管道应力分析 3.3 弹簧支吊架 n3.3.1 弹簧支吊架在管道设计中的应用 n3.3.2 CAESAR应力计算软件选用弹簧 的原则 n3.3.3 弹簧在CAESAR进行管道应力分 析时的合理使用 n3.3.4 热态吊零与冷态吊零的合理使用 管道应力分析 3.3.1 弹簧支吊架在管道设计中的应用 n对于有弹簧作为管道支吊架的管系，管道在运行过程中(冷态或热态)，会受到弹簧支吊 架与其重量不平衡的附加力,而且管道垂直位移愈大，其荷载变化率也愈大，为此，通常 选用时均把弹簧荷载变化率控制在25%以内。 n管道设计中，当管道支承点处有较大垂直位移时，该点产生脱空

7、或过大推力, 使支架失 去其承载功能，该荷载转移将造成管道一次应力增大或邻近支架(或设备)超载；或将使 管道产生较大的二次应力, 对管道和支吊架都不利。这时管道支承点处就需要采用弹簧 支吊架。另外，在与敏感机械设备相连接的管道处, 也常常采用弹簧支吊架。总之，弹 簧支吊架主要解决管道有垂直位移时的支撑问题和减小敏感设备的受力问题，对管系能 否正常运行起着重要作用。不过，需要强调的是，由于弹簧支吊架的刚度远低于刚性支 吊架，如果设置太多，则会造成管系不稳，产生偏斜和振动。 n弹簧支吊架必须严格按照设计要求定位和装配，在施工安装过程中，定位装置应保持不 动，直到整个管系安装完毕且试压完成后，管系升

8、温之前将定位装置取出，使弹簧正常 工作。否则，会出现弹簧卡死、绕中心轴歪斜等现象，造成弹簧支吊架失效。管系运行 前，必须仔细检查定位装置是否取出，使弹簧正常发挥作用。此外，在管系处于冷态(非 操作工况) 时，如果弹簧支吊点处荷载过大，也会使弹簧装置变形，甚至毁坏，因而往 往要增加保护装置，如弹簧箱，加厚壳体钢板等措施。在实际工程中，因为设计弹簧支 吊架元件时，采用较大的安全系数，所以发生失效的情况并不多见。 管道应力分析 3.3.2 CAESAR应力计算软件选用弹簧的原则 n管道系统是一个超静定结构，其自重荷载在各支吊架间分配。常用的管 道荷重分配方法有三种：吊零分配法； 静力平衡法； 简支梁

9、法。 当用CAESAR计算管系时，就是用吊零分配法，另外两种方法是手算时 常用的，但比较复杂。吊零分配法就是按每个支吊点处管道自重产生的 垂直位移为零的条件来分配荷重。它是一种按变形条件分配的原则。有 时侯，我们希望垂直管道或水平管道的重量尽量由弹簧支吊架来承担， 就采用对某些支吊点给定荷载，而对一般(多数) 的支吊架按支吊点处垂 直位移为零的变形条件分配荷重。在计算程序中，计算机以虚拟的大刚 度支吊架代替吊零处的弹簧支吊架，即此点垂直位移为零，进行吊零分 配荷载。当我们把整个管系的有关数据输入CAESAR 计算程序后，即 可得知管系支吊点处的工作载荷、热位移方向及大小。在CAESAR计算 中

10、，支吊架弹簧的选用原则是：在弹簧特性能承受冷态荷载和热态荷载 ，而且荷载变化率不超过规定值的前提下，力求选用较小规格的弹簧。 当所选用的弹簧其荷载变化率25%时，应减小弹簧刚度，另选位移范 围大一级的弹簧。 管道应力分析 3.3.3 弹簧在CAESAR进行管道应力分析时的合理使用 nCAESARII作为管道应力计算软件，正在被越来越多的工程公司和应力分析工作 者所采用，对于弹簧支吊架的各种建模方法，可参考CASESARII软件应用指南进 行。在工程设计中经常会遇到多工况的应力计算，如泵的一开一备、分子筛的再 生与吸附等，此外对于液体管线，CAESARII软件报告中默认给出理论安装载荷 ，而与实

11、际安装载荷有偏差的情况经常出现，在管道未投入使用前，而弹簧定位 销已被去掉，弹簧不平衡力就会对管道产生过多的应力，特别是在管线管径 DN500时，管内流体的重量要已大于管道本身的重量，表现尤为明显。为此， 作为应力分析者应在分析报告中给出此工况的应力情况，在CAESARII软件中， 以一开一备，介质为液体管线为例，可按下列步骤进行工况的组合设计，首先在 Model菜单中打开Hanger Design Control Data，见图1，对“No. of Hanger Design Operating Cases”选项，选择2，即按照两种工况对弹簧进行选用，勾选 “Calculate Actual

12、 Cold Loads”选项，允许报告中给出弹簧实际安装载荷，对 “Multiple Load Case Design Options”选项，可根据实际运行工况，在13种工况 中选择一项，例如选择11-Maximum Travel；其次按照图2进行载荷工况编辑； 最后按照图3进行载荷工况选项选择，即可在报告表中得到WNC + H(SUS)工况 中的管道的应力情况和实际安装载荷，为管道分析分析设计者提供所需数据。 管道应力分析 图1 弹簧设计控制数据 图2 载荷工况编辑 图3 载荷工况选项 管道应力分析 3.3.4 热态吊零与冷态吊零的合理使用 n工程界对热态吊零和冷态吊零的作 用有不同看法，有

13、的认为热态吊零 对管道运行状态比较有利，有的认 为冷态吊零便于安装，具体的优缺 点在CAESARII技术参考手册中有详 细的介绍。CAESARII中默认为热态 吊零选择弹簧，在运用软件时可通 过选择调用不同的设计选项，并且 一个文件中可以使用任意弹簧表的 组合。具体为： nExtended Range（得到扩展的载荷 范围） nCold Load Design（得到弹簧的冷 态吊零设计） nget the Hot load centered if possible（如可能可得到居中的热 载荷） 管道应力分析 4.1 波纹补偿器类型 约束类型产品类型吸收位移形式 无约束型 通用型(TB型)波纹补

14、偿 器 轴向 串式通用型(TCB型)波纹补偿 器 通用型(TA型)波纹补偿 器 复式轴向型(ZA型)波纹补偿 器 外压轴 向型(WDB型)波纹补偿 器 小拉杆三向型(XHB型)波纹补偿 器横向、轴向、角向 约束型 直管压力平衡型(ZPB型)波纹补偿 器轴向 旁通轴向压力平衡型(ZPP型)波纹补偿 器轴向 曲管压力平衡型(QPHB型)波纹补偿 器横向、轴向 大拉杆横向型(DHB型)波纹补偿 器横向 铰链 横向型(JHB型)波纹补偿 器横向 万向角横向型(WJHB型)波纹补偿 器横向 角向型(JB型)波纹补偿 器角向 万向角型(WJB型)波纹补偿 器角向 管道应力分析 万向角型(WJB型)波纹补偿

15、器 管道应力分析 串式通用型(TCB型)波纹补偿器 管道应力分析 曲管压力平衡型(QPHB型)波纹补偿器 管道应力分析 大拉杆横向型(DHB型)波纹补偿器 管道应力分析 4.2 波纹补偿器选用注意事项 n应根据介质特性判断是否适合使用波纹补 偿器 n根据现有管道布置确定选用什么形式的波 纹补偿器(补偿轴向、横向还是角向位移) n选用无约束型时，应该核算轴向力(盲板力) 对设备管口、固定支架及管系的应力影响 n膨胀节补偿能力通常参照厂家样本 管道应力分析 4.3 波纹补偿器订货须知 n波纹波补偿位号、型式、公称压力等级 n需要提供介质的操作及设计参数 n波纹波补器端面连接型式及安装型式 n波纹补

16、偿器设计补偿能力 n波纹补偿器所执行的标准 n特殊要求 管道应力分析 膨胀节数据表 5.1 管道支吊架的合理使用 n为保证管口受力在合适的范围内，通常使用特殊管架(导向 架、限位支架等)，以保证与设备管口相连接的工艺管道不 把过多的水平推力转移到设备上；对于限位架、导向架均应 具有足够的刚度，以保证其发挥应有的作用，一般情况下， 管道与限位架生根所在的梁、柱之间有一段距离，若中间连 接件结构形式不当或生根部位强度不够，均会导致总体限位 刚度不足，使限位架起不到应起的作用，单股悬臂的情况应 当避免，对于所生根梁柱也应注意对其局部加固 (比如加肋 板对钢梁梁翼进行加固) ；此外对于敏感动设备(离心式压缩 机、汽轮机)，靠近设备管口第一个管架建议使用可变弹簧 架，对于选用的可变弹簧尽量使荷载变化率控制在10%以内 ，以便弹簧荷载变化引起的不平衡力尽量偏小，从而保证管 口受力在合理的范围内。 管道应力分析 6.1 CAESARII基于的力学模型-3D梁单