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1、AutoPIPE管道应力分析讲座（一）AutoPIPE, 应力分析, 讲座, 管道ASME B31压力管道规范由几个单独出版的卷所组成，每卷均为美国国家标准。它们是子ASME B31压力管道规范委员会领导下的编制的。每一卷的规则表明了管道装置的类型，这些类型是在其发展过程中经考虑而确定下来的，如下所列：B31.1 压力管道：主要为发电站、工业设备和公共机构的电厂、地热系统以及集中和分区的供热和供冷系统中的管道。B31.3 工艺管道：主要为炼油、化工、制药、纺织、造纸、半导体和制冷工厂，以及相关的工艺流程装置和终端设备中的管道。B31.4 液态烃和其他液体的输送管线系统;工厂与终端设备剑以及终端
2、设备、泵站、调节站和计量站内输送主要为液体产品的管道。B31.5 冷冻管道：冷冻和二次冷却器的管道B31.8 气体输送和配气管道系统：生产厂与终端设备（包括压气机、调节站和计量器）间输送主要为气体产品的管道以及集汽管道。B31.9 房屋建筑用户管道：主要为工业设备、公共结构、商业和市政建筑以及多单元住宅内的管道，但部包括B31.1所覆盖的尺寸、压力和温度范围。B31.11 稀浆输送管道系统：工厂与终端设备间以及终端设备、泵站和调节站内输送含水稀浆的管道。许用应力的确定：管道材料的许用应力是管材的基本强度特性除以安全系数。钢材的基本强度特性应由钢铁生产部门提供，在国内可取自有关国家标准或冶金部门
3、标准。在温度较低时的许用应力以材料的抗拉强度和屈服点为基础。产期处于400度以上高温时，许用应力以1000000h1%蠕变极限和1000000h断裂的持久强度为基础。对于安全系数，不同规范有不同的规定。设备的允许推力和力矩：为了防止管道对设备的推力过大，造成设备损坏、转动设备不能正常运行、或阀门泄漏，应将推力限制在允许范围内。许多公司根据多年的经验采用经验数据。例如对转动设备的管嘴不计内压，由外部荷载产生的应力不大于3542MPa；对压力容器和带阀门的法兰，由外部荷载产生的应力不大于70MPa。这些数据沿用多年，但理论依据是不严格的。1. 离心泵的允许推力（API610）美国石油学会标准API
4、610(炼油厂用离心泵)对离心泵受力有所规定，但这些规定都是推荐性的，是泵的制造厂必须达到的最低要求。在国外定货，制造厂均以此标准满足用户的要求。此标准要求的受力和力矩较小，有时在设计管道时较为困难，需要增加管长和转弯以增加管道的柔性。而实际调查已运行的泵，验算其受力情况大于此标准也运行良好。所以对于重型的泵此标准是比较保守的。2. 汽轮机的允许推力（NEMA）汽轮机对管道推力最敏感的设备。一般汽轮机的外壳（定子）均设有十字滑销系统，相互垂直的十字交点为外壳的固定点。外壳上的管嘴和“猫爪”均由固定点算起向四周膨胀。因此“猫爪”是有位移的，并不是完全固定在基础上，固定螺栓的螺母与“猫爪”有一定的
5、间隙。有的汽轮机外壳和转子分别支撑在基础上，如果外壳受到管道推力产生位移或变形，外壳和转子之间的间隙可能改变或消失而引起设备的振动。有的汽轮机的转子制成在汽轮机的外壳上，比支撑在基础上好，但如果外壳变形太大，仍可能引起振动。汽轮机的轴中心和被其拖动的从动机的轴中心应该对中，近来许多设备采用有一定弹性的联轴器，允许有一定的偏差。不同生产厂家生产的汽轮机的结构不同，可以承受的推力也不相同，但生产厂家又难于准确说明。所以如果生产拖动机泵汽轮机的制造厂没有提出汽轮机的推力和力矩的允许值，一般按照美国电机制造协会（NEMA）的推荐方法（SM-23-1973）计算。但对于重型气轮机可能还是比较保守。3.
6、离心式和轴流式压缩机管嘴的允许推力（API617）4. 加热炉的允许推力（API560）所有以上设备管嘴允许推力标准，都是推荐的操作情况下的最下值。一般情况是可以根据买卖双方讨论，允许推力是可以增加的。AutoPIPE管道应力分析讲座（二）一：管道承受荷载及其应力状态。1：压力荷载: 内压和外压： 内压：管壁上产生环向拉应力和纵向拉应力。其环向拉应力约为纵向拉应力的一半。 外压：管壁上产生环向压应力和纵向压应力。（外压出现的情况比较少）2：持续外荷载: 包括：管道的基本荷载（管子及其附件的重量，管内介质的重量和管外保温的重量）、支吊架的反作用力、以及其他集中和均布的持续荷载。 持续外荷载可使管
7、道产生弯曲应力，扭转应力，纵向应力和剪应力。 压力荷载和持续外荷载宰管道上产生一次应力，其特征是非自限性的。即应力随着荷载的增加而增加，当管道产生塑性变形时，荷载并不减少。3：热胀和端点位移： 管道由安装状态过渡到运行状态，由于管内介质的温度变化，管道产生热胀或冷缩使之变形。与设备相连的管道，由于设备的温度变化而出现端点位移，端点位移也使管道变形。 这种变形使管道承受弯曲、扭转、拉伸和剪切等应力。属于二次应力，其特征是自限性的。当局部超过屈服极限而产生塑性变形时，可时应力不再成比例的增加，而限定在某个范围内。当温度恢复到原始状态时，则产生反方向的应力。4：偶然性荷载 包括风雪荷载、地震荷载、水
8、冲击以及安全阀动作而产生的冲击荷载。这些荷载都是偶然发生的临时荷载，而且不致同时发生。而一般静力分析中，不考虑这些荷载。 对于大口径，高温，高压，剧毒，可燃、易爆介质的管道应加以核算。 偶然荷载与压力荷载、持续外荷载组合后，允许达到许用应力的1.33倍。作用在管道上荷载一览表:荷载种类荷载特点荷载来源备注产生一次应力的荷载：为非自限性荷载，荷载过大，管道会被破坏。内压力或外压力在装置运行时产生，属长期静荷载装置运行时在操作温度下，管内流体的内压或外压因为在运行条件下管内压力和温度有种种变化，所以取最不利的压力温度组合作为设计条件重力长期静荷载其中包括管道、阀门、管件、隔热材料和流动介质的重量应
9、区分均布荷载和集中荷载环境影响短期静荷载管内气体或蒸汽，在停工时由于大气的冷却，管内形成负压。由于气温升高或太阳直射使管内压力升高通常在应力分析中不考虑，必要时设真空破坏器或安全阀防止管道破坏试验荷载短期静荷载管道安装完毕后，进行水压试验或气压试验的荷载一般试验压力根据有关压力规范确定积雪荷载短期静荷载降雪地区的室外管道按气象资料确定风荷载短期动荷载作用于室外管道一般根据气象资料按静力计算地震荷载短期静荷载由地震引起的振动一般根据气象资料按静力计算压力冲击（水锤）短期动荷载机泵启动或关闭，阀门快速启闭时和蒸汽管道暖管时等在运行规程中设定机泵启动和关闭的规定，蒸汽管暖管的规定。对大口径的水泵出口
10、设缓闭的逆止阀，以减少冲击荷载产生二次应力的荷载为非自限性荷载，管道变形后何在减轻热膨胀变形在管道上产生交变应力，每运行周期变化一次因管道热胀或冷缩，管道变形而产生的交变应力用计算机程序或有关图表计算安装时冷紧冷紧可减少管道对设备和固定支架的力施工过程中产生对二次应力无影响管道端点位移在管道上产生交变应力与管道连接的设备膨胀用计算机程序或有关图表计算管道振动长期振动荷载管道受往复式机泵的压力脉动、两相流的压力脉动和机泵喘振而引起的振动往复式机泵的进出口设置缓冲罐或增加管道的刚度设备或支架基础下沉可能引起管道对设备或支架的作用力改变或法兰泄漏基础较差如果在设计时能预知可能的下沉量，应在设计中予以
11、考虑AutoPIPE里面各种工况的代表符号： GR重力T1 - T20温度(操作)工况1到20P1 - P20压力工况1到20E1 - E10地震荷载1到10W1 - W10风荷载1到10U1 - U20自定义荷载1到20S1 - S10地震时支座位移引起荷载1到 10AutoPIPE管道应力分析讲座（三）1管道支吊架的功能管道支吊架的功能主要可概括为：承受管道荷载、限制管道位移和控制管道振动三个方面。其中以承受管道荷载为支吊架最主要、最普遍的功能。1.1承受管道荷载作用于管道上的荷载通常包括介质运行压力、自重、风、雪、地震、流动瞬变引起的冲击或振动等机械荷载，还包括管道热胀冷缩和管道端点附加
12、位移等位移荷载及由于温度梯度或热冲击引起的热荷载，它们都可能以使管道产生内力和变形。上述荷载按其作用的性质，还可分为静荷载和动荷载两类。静荷载是缓慢地、毫无振动地作用于管道上的荷载。它可分为永久荷载（恒荷载）和变化荷载（活荷载）两种。永久荷载的大小和位置与时间无关，或者是极为缓慢地变化，因而其变化值可忽略不计。变化荷载则随时间变化，且变化值与平均值相比不可忽略。动荷载是指随时间有迅速变化的荷载，例如由于外部或内部条件引起的冲击力、地震以及热冲击等。这类荷载在管道运行期间不一定出现，也可能偶尔发生，故又可称为偶然荷载。上述管道荷载的主要类型如表 11所示。表 11管道荷载的主要类型荷载性质荷载类
13、型引起荷载的原因静荷载机械荷载管道自重(包括阀门、管件及绝热层)管内介质重力内压(或外压)其他持续外载热荷载热膨胀受约束稳定的温度梯度动荷载机械荷载压力波动或冲击受激扰(地震、管道破裂及流体排放等)热荷载不稳定和类稳定的温度梯度、或热冲击管道荷载均可能传递给管道支吊架承受。1.2限制管道位移管道在各种荷载作用下,都会产生不同程度的变形和位移。其中,有些荷载(如外力荷载),其大小与变形受约束与否有关,这类荷载属于非自限性能荷载；另一些荷载(如热胀荷载),则是由于结构变形受约束所引起的荷载,这类荷属于自限性荷载。对于非自限性荷载作用下产生的管道变形位移,大都需要通过设置支吊装置加以约束限制,以防止
14、管道因受非自限性荷载作用而被破坏。为减小自限性荷载,防止管道因疲劳而破坏,要求管道能自由位移而不被约束限制。然而,要求管道完全不受约束,是不可能的,也是不必要的。事实上,管道在自限性荷载作用下产生的二次应力,只要控制在一定范围内,就可以保证管道的安全。对于复杂的管系，各管段的二次应力水平是各不相同的，有时其差异会相当大。此时,为了使整个管系的应力水平都在安全范围内,有必要对管道位移给以适当的约束和限制,以降低应力水平超限的管段的二次应力。综上所述,在管系中的适当位置设置限位装置,不仅是可能的,而且是必要的。关键在于正确选定设置限位装置的位置和采用限位装置的型式(主要是约束模型)。1.3控制管道
15、振动管道在动荷载作用下,会产生程度不同的摆动、振动。由于管系中支吊架的设置,在一定程度上提高了管系的刚度,增加了管系的阻尼,一般说来,支吊架都或多或少地起到减小管道振动效应的作用。但当支吊架设置不当,也可能加剧管道的振动,而且以承重为主要目的的支吊架，其减振效果往往不太明显。因此,对于在运行期间伴随发生有强迫振动和(或)冲击振动的地方,仍需增加合适的拉撑杆、支架、减振器或阻尼器等装置,以维护管道振动安全。核电厂的管道设计还必须考虑冲击防护装置,以承受管道破裂而喷出蒸汽或汽水混合物所产生的反作用力,从而防止事故扩大和损坏附近的重要设备或构筑物。尤其是主冷却介质管道、主蒸汽管道、给水管道、停堆和事故冷却水管道系统以及快速停机系统的主要管道应装设冲击防护装置。这类防护装置所承受的冲击力可能高达2000kN,因此,必须精确地计算其荷载,并细致地考虑其荷载的传递方式和冲击防护装置的结构。这类防护装置的制
