管道载荷类型及组合荷载作用下的应力分析

三.
组合载荷下的算例分析及结果评定 ..................................................................... 4 3.1 模型分析 ................................................................................................................. 4 3.1.1 SYSPIPE 介绍 .............................................................................................. 4 3.1.2 管道模型参数 ............................................................................................. 5 3.1.3 管道加载后的算例模拟 ............................................................................. 5 3.2 依据载荷分析对管道及支撑布置调整 ................................................................. 6 3.2.1 应力评定及接口参数 ................................................................................. 6 3.2.2 布置人员需考虑的管道布置规则 ............................................................. 6 3.2.3 管道力学分析比率过大的常见类型及解决方法 ..................................... 6

内容摘要：
本文通过对管道在设计工况下的各种载荷分析，说明了管道的载荷规则，并考虑 冷却对压力的影响、 液体膨胀的影响、 以及动载荷和重力的影响。 总结归纳管道自重、 内压、热膨胀等恒载的影响因素，利用 SYSPIPE 软件对管道和支架布置、管道系统评 定和接口参数进行建模，对管道承受的自重、内压、热膨胀、地震等载荷进行计算输 出，根据 RCC-M 规范进行应力分析和评定 ，通过算例总结出合理地布置管道和支撑 件以防止组合荷载作用下而导致管线变形和支撑件破坏的经验， 从力学角度来完善管 线布置的合理性。
刘羽涵：管道载荷类型及组合荷载作用下的应力分析
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应规定一个准则级别，所采用的级别至少应与 C3150 中所规定的级别一样严格。每一 准则级别均与本章节关于机械完整性的要求而规定的一组应力限值相对应。 为了实现各种载荷工况下适用的最低准则级别的等效性， 在确定材料最小厚度规 则的 C3220 的公式中引入了最不利的载荷——应力强度组合 KSm， 它反映了遵守 O、 A、 B、C、和 D 各级准则的不同要求。 下表给出了在以相应准则级别表征的各类工况下载荷组合中所需适用的 K 值及 需验算的载荷和对应公式。 对应的载 荷工况 设计工况 准则 K 值 级别 系数 O 1.0 (6) 公式编号 允许应力
(9)
iM D 3S C Z
3S C
异常工况
B
1.1
(10) Pmax M MB DO 0.75i A 1.1S H Z 4t n
1.1S H
紧急工况
C
1.2
(10) Pmax M MB DO 0.75i A 1 .2 S H Z 4t n
1 .2 S H
事故工况
D
2.0
(10) Pmax M MB DO 0.75i A 2 .0 S H Z 4t n
2 .0 S H
基本许用应力强度值 Sm 见 RCC-M 附录 ZI 表 ZI1.1、ZI1.2 和表 ZI1.3。
2.2 载荷分析
2.2.1 管道载荷规则 考虑管道的载荷规则时，需考虑冷却、流体膨胀、动载、重力的影响，还要考虑 热膨胀和收缩引起的载荷。
二.
工况描述及载荷分析
2.1 运行工况
2.1.1 运行工况的分类 设备在运行中可处于不同工况。工况共分正常工况、扰动工况、紧急工况和事故 工况四类，另加一种常规的基准工况，还有设备在规定的水压试验过程中所处的试验 工况。 基准工况是以设计载荷为特征的一种状况，是设计设备与管线的基本参数。 正常工况是指设备在正常运行期间可能遇到的工况，即带稳态功率运行状况 和正常运行中的过渡状态。 扰动工况是指设备在正常运行事件过程中所处的工况。 紧急工况是指设备在稀有事件情况下才可能经受但必须予以考虑的工况。 事故工况是指发生概率极低但其后果对设备安全性的影响必须予以研究的工 况。在这类工况中不必考虑概率过低以致于实际上不可能发生的状态。 试验工况是指设备在规定的水压试验过程中所处的工况，水压试验外的其他 试验，不作为试验工况，而应分属于上述定义的各类工况中的一类。 2.1.2 不同工况运行规则及相互关系 根据 RCC-M 规范 C3000 设计篇章， 对于一种工况或一类工况有关的每一载荷组合
目
录
一. 二.
引言 ......................................................................................................................... 1 工况描述及载荷分析 ............................................................................................. 1 2.1 运行工况 ................................................................................................................. 1 2.1.1 运行工况的分类 .......................................................................................... 1 2.1.2 不同工况运行规则及相互关系 .................................................................. 1 2.2 载荷分析 ................................................................................................................. 2 2.2.1 管道载荷规则 .............................................................................................. 2 2.2.2 管道自重载荷影响 ...................................................................................... 3 2.2.3 管道冷却、膨胀等动载荷的影响与组合 .................................................. 3
SH SA SH S A
载荷类型 设计压力 自重 热膨胀及 位移 (7)+(6)L OADS 非循环 锚固 位移 最大压力 自重 半地震 位移 其他的主 荷载 最大压力 自重 其他的主 荷载 最大压力 自重 全地震 位移 其他的主 荷载
正常工况
A
1.0
PDO 0.75iM A SH 2t Z iM (7) C S A Z (8) PDO 0.75iM A iM C SH S A 4t n Z Z
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2.2.2 管道自重载荷影响 管道系统及其支承设计应能承受净重（由管道自身重量、保温层的重量和加在管 道上的其它永久性载荷所组成）和输送的介质重量，它们的布置和约束要适当，以防 止设备受到过度的载荷。要考虑的介质重量是在运行、试验或清洗时所承受的最大重 量。根据质点系的动量定理在管道设计时需重点考虑自重引起的附加动约束力。 2.2.3 管道冷却、膨胀等动载荷的影响与组合 2.2.3.1 冷却及液体膨胀的影响 当流体的冷却可能把管道中压力降低到低于管道外部压力时， 管道应按照能承受 此外压进行设计。 对于一般的管道， 其外部压力就是大气压 （大气压为 0.101325MP） ， 而对于套管而言，套管的设计压力即是内管的外压。总的来说，我们进行设计时应考 虑到管道在运行过程中的最不利情况，将压力按管子内外压中较大的压力值进行设 计。 由于管道的密封性能要求较高， 当没有释放阀或设备开口端等释放超压的措施时， 液体的膨胀可能使压力增加，则管道系统设计时需按照这一增大的压力设计。 综上所述，对管道进行应力分析时，应考虑管道运行的最不利情况，对由冷却和 液体膨胀引起的压力变化，设计时需取最大值进行分析。具体应用分析参见 C3640 及 C3650 篇管道制品的分析中 P 的取值。 2.2.3.2 动载荷的影响 动载荷是指随时间急剧变化，且使系统产生惯性力的载荷。管道设计的动载荷主 要包括管道内部或外部载荷产生的冲击力， 地震和振动以及压力和流量瞬变使释放阀 和安全阀产生的推力。管道的冲击载荷主要是指流体在管道变化处对管道的冲击，当 管径发生变化或管道走向变化时会产生很大的冲击力。 2.2.3.3 热膨胀和收缩的影响 热膨胀和收缩会导致管道有一定的位移，这样在支承的位置处会产生二次应力， 设计时可以通过正确设计几何尺寸来限制。膨胀节作用于解决管道热胀冷缩，位移及 振动与管道之间的柔性联接， 其设计时应按管道系统所能承受的最大压力和温度来设 计。 2.2.3.4 地震力等其他动载荷的影响 在管道、 支承件和固定件的设计中， 还应考虑地震力的影响， 分析中采用的荷载、 地震固定点的位移和循环次数应在设备规格书中给予规定。具体应用分析参见 C3650 中公式 10 的计算。 管道的布置和支承应使振动减到最小， 管道设计时应通过支架的布置减小两支架 间管道的最大位移范围，以保证管道系统的振动处在允许的范围内。另外压力和流量 瞬变会使释放阀和安全阀产生很大的推力，在管道、支承件及固定点的设计中也应予 以考虑。 2.2.3.5 RCC-M 中 C3650 篇公式 10 对以上影响因素的分析描述 由于压力、重量、偶然荷载，在指定为适用 B 级准则的工况下，所产生的应力总