应力分析设计规定

目次

1 总则 (1)

1.1 范围 (1)

1.2 管道应力分析的任务 (1)

2 引用文件 (2)

3 设计 (2)

3.1 一般规定 (2)

3.2 管道冷紧 (3)

3.3 摩擦力 (3)

3.4 弹簧支吊架 (3)

3.5 设计条件 (4)

3.6 应力计算 (5)

3.7 力与力矩计算 (5)

3.8 管道应力分析评定标准 (5)

3.9 应力分析的方法 (8)

3.10 应力分析管道分类 (9)

4 应力分析报告 (12)

1 总则

1.1 范围

本标准规定了石油化工装置内管道应力分析的原则和相关要求。

本规定适用于石油化工装置设计压力不大于 42MPa，设计温度不超过材料允许使用温度的碳钢、合金钢及不锈钢管道的应力设计。

专利设备或成套设施，其设备的操作、维修、管道布置还应满足设备制造厂的特殊要求及标准。

执行本规定的同时，尚应符合国家现行有关标准。

1.2 管道应力分析的任务

管道应力分析的任务是保证管道系统布置的安全和经济性，避免发生以下情况：

a) 因管道应力过大或金属疲劳而引起管道或支架损坏；

b) 管道连接处发生泄漏；

c) 因管道的推力和力矩过大而使管道或与管道连接的设备产生不允许的应力或变形；

d) 管道从所在支架上脱落；

e) 由于外部振动或管内流体引起的管道共振；

f) 管道挠度过大，尤其是对于带有一定坡度自流排液的管道。

2 引用文件

GB50009 建筑结构荷载规范

GB/T20801 压力管道规范工业管道

SH/T3039 石油化工非埋地管道抗震设计通则

ASME B31.3 Process Piping

API610 Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries

API617 Centrifugal Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Service Industries

API661 Air-Cooled Heat Exhangers for General Refinery Service NEMA SM23 Steam Turbines for Mechanical Drive Service

3 设计

3.1 一般规定

a) 管道布置和支架设计应兼顾管道及设备安全，避免管道对相关设备造成危害。

b) 管道布置和支架设计应兼顾管道热补偿及防振要求。

c) 管道布置应优先采取自然补偿方法解决管道柔性问题，布置空间狭小而不具备自然补偿条件时方考虑采用金属膨胀节。膨胀节应满足工艺条件及防腐要求。

d) 在有毒及可燃介质管道中严禁采用填料函式补偿器。

e) 存在明显振源的管道应优先考虑防止其振动。

f) 在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑下列管道端点的附加位移：

1) 静设备热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；

2) 转动设备热胀冷缩在连接管口处产生的附加位移；

3) 几台设备互为备用时，不操作管道对操作管道的影响；

4) 加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移；

5) 不和主管一起分析的支管，应将分支点处主管的位移作为支管端点的附加位移。

g) 对于复杂管道可用固定架将其划分成几个较为简单的管段，如 L形管段，Π形管段、Z形管段等再进行分析计算。

h) 确定管道固定点位置时，宜使两固定点间的管段能自然补偿。

i) 采用Π型管段补偿时，宜将其设置在两固定点中部。

3.2 管道冷紧

a) 冷紧可降低管道操作时对连接管道或固定架的作用力，但冷紧不宜用于与敏感转动设备相连的管道上。

b) 在确定管道对设备或端点的作用力和力矩时，应计算冷紧的影响。

c) 在管道应力范围的校核中不应考虑冷紧的作用。

d) 热态冷紧有效系数可取 2/3，冷态取 1。

e) 对于材料在蠕变温度下(碳素钢 380℃以上，低合金钢 420℃以上)工作的管道，冷紧比(即冷紧值与全补偿值的比值)宜取 0.7。对于材料在非蠕变温度下工作的管道，冷紧比宜取 0.5。冷紧有效系数：热态取 2/3，冷态取 1。

3.3 摩擦力

a) 下列管道应考虑摩擦力的不利影响，摩擦力方向与管道位移方向相反：

1) 公称直径大于或等于 DN600的管道；

2) 与敏感转动设备相连的管道;

b) 滑动摩擦系数按下列取值：

1) 滑动面为钢对钢时，取 0.3；

2) 滑动面为钢对混凝土时，取 0.6；

3) 滑动面为不锈钢对聚四氟乙烯时，取 0.1。

c) 滚动摩擦系数按 0.1考虑。

d) 仅需要考虑载重支承面上摩擦效应。

e) 当采用吊杆或弹簧吊架承受管道荷载时，可不考虑摩擦力的影响。

3.4 弹簧支吊架

a) 管道在支承点处有垂直位移且允许的荷载变化率大于 6%时，应选用可变弹簧支吊架；当允许的荷载变化率不大于 6%时，应选用恒力弹簧支吊架。

b) 可变弹簧支吊架的荷载变化率不应大于 25%。荷载变化率按公式（1）计算。

Fs=(△·Ks)/FH×100%……………………………………（ 1）

式中：

FH——工作荷载，单位为牛顿（N）;

Fs——荷载变化率， %；

Ks——弹簧刚度，单位为牛顿每毫米（ N/mm）;

△——管道垂直位移，单位为毫米（mm）。

c) 对于烟气轮机、透平等要求进行冷态安装检测的设备，弹簧支吊架的设计应按冷态吊零的原则进行。

3.5 设计条件

3.5.1 计算压力

管道计算压力应不低于正常操作中预计的最高压力或在最苛刻温度下同时发生的内压或外压，取其最危险工况。对工艺有特殊要求的工况（指温度与压力的耦合）也应予以考虑。

3.5.2 计算温度

a) 管道计算温度应不低于正常操作中预计的最高温度或在其它工况下的最苛刻温度，取其最高值，或二者均应考虑计算。对工艺有特殊要求的工况（指温度与压力的耦合）也应予以考虑。

b) 对于无隔热层管道：介质温度低于 65℃时，取介质温度为计算温度；介质温度等

于或高于 65℃时，取介质温度的 95%为计算温度。

c) 蒸汽伴热管道根据具体条件确定计算温度。

d) 蒸汽夹套管道和需蒸汽吹扫的管道，取介质设计温度和蒸汽温度的高者为计算温度。

e) 带内衬里的管道应根据工艺管道表利用计算值确定计算温度。

f) 安全阀排泄管道，应取排放时可能出现的最高或最低温度作为计算温度，同时，还应考虑正常操作时，排出管道处于常温下的工况。

g) 进行管道应力分析时，不仅要考虑正常操作条件下的温度，还要考虑短时超温工

况（如开车、停车、除焦、再生、蒸气吹扫、备用等工况），且应考虑设备的蒸气吹扫工况。

h) 当管道的操作工况复杂，难以确定计算工况时，可选几种工况进行分析比较。

i) 对于无介质管道(如备用泵的连接管道)的温度取值:

1) 保温管道取 50%的操作温度。

2) 非保温管道取安装温度。

3) 蒸汽伴热管道取设计温度的 70%。

4) 备用的泵暖管道取设计温度的 70％。

3.5.3 安装温度

除另有规定外，管道安装温度取 20℃。

3.5.4计算中的任何假设与简化，不应对计算结果的作用力、应力等产生不安全的影响。

3.5.5 金属管道的许用应力、柔性系数及应力增大系数、金属弹性模量及膨胀系数等按GB/T20801标准取值，ASTM材料按 ASME B31.3标准取值。

3.5.6 腐蚀裕量腐蚀裕量依据管道等级规定确定。

3.5.7 设计荷载

3.5.7.1 管道设计应考虑管道由重力和介质压力、温度变化及内外部冲击产生的荷载。3.5.7.2 除考虑沿管道轴线发生的热胀冷缩以及与温度有关的设备附加位移外，对于连接自重较大的设备或机器的较大口径的管道，以及高温、高压厚壁管道，应考虑设备之间、设备与构架、设备与管桥之间可能出现的不均匀（差异）沉降的影响。

3.5.7.3 风荷载

a) 当管道外径（含保温厚度）大于等于 400mm时，应计算风载荷对下列管道的影响：

1) 从塔或立罐上下来的标高大于 10m的管道；

2) 空冷器入口管道；

3) 标高大于 10m的管道。

b) 风荷载可按 GB50009《建筑结构荷载规范》规定计算。此时，计算的工况为偶然载荷工况。

3.5.7.4 地震荷载地震荷载可按 SH/T3039《石油化工非埋地管道抗震设计通则》计算，此时应作为偶然载荷工况来计算。

3.5.7.5 应考虑泄压阀、调节阀和安全阀冲击荷载的作用。

3.6 应力计算

a) 计算由管道自重、内压等持续载荷引起的管道纵向应力时，计算壁厚中应剔除腐蚀裕量和管道壁厚负偏差。

b) 计算管件热应力变化范围时，要考虑应力增大系数。

c) 管道系统应力分析使用软件：CAESARII。

3.7 力与力矩计算

按管道名义厚度计算管道对设备、法兰以及固定架的作用力与力矩。

3.8 管道应力分析评定标准

3.8.1 管道应力

a) 由重力、压力等持续载荷引起的管道纵向应力之和不得超过材料在最高操作温度下的许用应力。

b) 由风或地震等偶然载荷与重力、压力等持续载荷共同引起的管道纵向应力不得超过 1.33倍材料在最高操作温度下的许用应力。

c) 管道由于热胀、冷缩和其他位移受约束而产生的二次应力范围应符合 GB/T20801标准的规定。

d) 除管道系统要做应力分析外，下列情况还需要单独做管件本体的局部应力分析：

1) 带假管的 DN≥650大直径弯管

2) DN≥400的大直径分支管

3) 非标管件

e) 局部应力分析使用软件：FE/Pipe。

3.8.2 作用于法兰的力与力矩

管道施加到法兰上的力与力矩应满足公式（ 2）和公式（ 3），若不满足，应减小力与力矩，或提高法兰压力等级。

f p eq P P P ≤+ (2)

23416G

G eq D F D M P ππ+= (3) 式中：

P eq ——管道操作时，作用在法兰连接处的弯矩和轴向力的当量压力，单位为兆帕

（MPa ）;

P p ——管道设计压力，单位为兆帕（MPa ）；

P f ——法兰设计压力，单位为兆帕（MPa ）；

M ——管道操作时作用在法兰连接处的弯矩，单位为牛顿毫米（N.mm ）；

D G ——垫片压紧力作用中心圆直径，单位为毫米（mm ）；

F ——管道操作时作用在法兰连接处的轴向力（ N ）。在计算中只考虑管道受拉伸时的轴向力，当轴向力使管道受压缩时，取 F=0。

3.8.3 作用于设备的力与力矩

管道在工作状态下作用于机器管嘴的力与力矩应符合机器或设备制造厂提出的限制性条件，在机器或设备制造厂没有提出要求情况下，应符合以下标准的相关规定：

a) 泵:与泵进出口相连的管道，除其应力需满足相关规范的要求外，离心泵口所承受的载荷应满足 API610标准的要求，对于往复泵应做动力分析。

b) 压缩机:与压缩机进出口相连的管道，除其应力需满足相关规范的要求外，离心式压缩机管嘴所承受的载荷应满足 API617标准的要求，对于往复式压缩机应做动力分析。

c) 蒸汽透平和汽轮机:与蒸汽透平或汽轮机相连的管道，除其应力需满足相关规范的要求外，透平和汽轮机管嘴所承受的载荷应满足 NEMA SM23标准的要求。

d) 空冷器:与空冷器相连的管道，除其应力需满足相关规范的要求外，空冷器管嘴所承受的载荷应满足 API661标准的要求。

e) 塔、罐、管壳式换热器等设备

作用于塔、罐、管壳式换热器等设备管嘴的载荷，依据表 1规定，载荷方向示意见 图1。

示例 1：

DN850的管嘴， 300磅级，设计温度 170℃

Mc= 41.0×(170-20)80=76.875kN.m

示例 2：

DN850的管嘴， 300磅级，设计温度 80℃

Mc= 41.0 kN.m

示例 3：

DN850的管嘴， 600磅级，设计温度 10℃

Mc= 41.0×(170-20)/80×1.4=107.625 kN.m

3.9 应力分析的方法

设计中应根据以下条件确定应力分析方法：

a) 介质的危险性（有毒、易燃、易爆等）。

b) 管道操作工况（温度、压力、脉动、工作循环强度等）。

c) 地震烈度。

d) 风压值。

3.9.1 目测方法

根据以往的经验或与已分析过的管道的比较相类似，则采用目测的方法已经足够，不需要进行更详细的应力分析。

3.9.2 简单分析（图表法、公式法）

简单分析将确保管道有足够的柔性，以吸收位移变形。

3.9.3计算机辅助应力分析

使用专门的管道应力分析软件（CAESARⅡ）对管道进行详细的应力计算和结果分析。计算并分析评定管道各点的应力、约束点和端点（设备管嘴）的力和力矩等。

管道应力分析分为静力分析和动力分析。管道除需做静力分析外，对一些特殊工况的管道则应做动力分析（如往复泵、往复式压缩机的进出口管道等）。

a) 静力分析包括：

1) 管道在持续外载（压力、自重、集中力等）作用下的一次应力计算及评定。

2) 管道在温度荷载及端点附加位移载荷作用下的二次应力范围计算及评定。

3) 管道对设备管嘴的作用力计算。

4) 管道上各点热位移的计算

5) 管道支吊架的受力计算。

6) 管道上的法兰和分支点受力计算。

b) 动力分析包括：

1) 管道固有频率分析。

2) 管道强迫振动响应分析。

3) 往复式压缩机（泵）气（液）柱频率分析。

4) 往复式压缩机（泵）压力脉动分析。

3.10 应力分析管道分类

3.10.1 应力分析管道的分类

所有的管道均应做应力分析，并根据管道的类别（温度、压力、口径、壁厚、所连接的设备的荷载要求等）确定应力分析的方法和详细程度。应力分析管道按下述方法分为三类：

I类管道

此类管道采用目测检验或简化分析方法。

II类管道

此类管道可采用公认的简化计算方法（或图表）进行分析计算。此种分析计算应有分析计算报告。

III类管道

此类管道应严格进行计算机辅助计算分析，下列管道均属于此类管道范畴：

a) 与具有对载荷敏感的转动机械相连的管道，它包括以下几类。

1) 与泵的进出口相连的管道,泵口载荷校核依据操作工况下的载荷进行，当管

道操作条件为以下条件时，应做详细应力分析。

温度≥150°C （或≤-140°C），公称直径大于或等于 DN50的管道；

温度≥150°C（或≤-140°C），且管道公称直径大于管嘴公称直径的管道；

温度≥120°C （或≤-90°C），公称直径大于或等于DN80 的管道。

2) 与往复式、离心式压缩机、透平，往复泵的进出口相连接的管道，设备管嘴

载荷校核依据操作工况下的载荷进行，进出口管道操作温度高于 120°C，公称直径大于或等于 DN50的管道，应做详细应力分析。

3) 与空冷器相连的管道，当其管径大于等于 DN100或设计温度大于等于120 °C 时，应做详细应力分析。

b) 与对应力敏感的设备相连的管道，应进行应力分析。它包含以下几类：

1) 与按照 ASME第Ⅷ卷第二章部分设计的设备相连的管道。

2) 与加热器相连的管道。

3) 进出加热炉及蒸汽发生器的工艺管道，以及再生及除焦管道。

4) 进出汽轮机的蒸汽管道。

5) 与衬里设备相连的管道。

c) 公称直径大于或等于 DN80的 SCH160及壁厚更厚的管道

d) 负压管道和夹套管道。

e) 火炬放空总管，以及与安全阀相连的管道。

f) 两相流管道。

g) 与前后压差较大的调节阀相连的管道。

h) 有较大附加位移的管道，如与高塔相连的管道，以及管道直径大于等于 DN80，容器、设备、支架明显沉降差大于 13mm的管道。

i) 预先确定设置膨胀节的管道。

j) 图 2中所有的Ⅲ类管道。

k) 其它的用图表法或公式法分析后，属于应力、柔性不能满足要求的管道。

3.10.2对于上述 3.10.1条和 3.10.2条管道，当满足下列条件时也可采用目测方法进行分析。

a) 与实际运行良好的管道相同或相似的管道；

b) 与经过详细分析并合格的管道相比没有实质变化的管道。

4 应力分析

4.1 管道应力计算透视草图

由配管人员绘制后提交给管道应力分析人员。格式见附件5.1。

4.2 管道应力计算数据表

管道应力计算结束后，管道应力计算人员应将计算结果摘抄到“管道应力计算数据表”上，提交给有关专业（配管、设备等专业）人员，格式详见附件5.2。

参考文献

[1] GB150-1998 钢制压力容器（2002，2004）（第 1号修改单和第 2号修改单）

[2] GB/T17116.1-1997 管道支吊架第一部分：技术规范

[3] TSG D0001-2009 压力管道安全技术监察规定－工业管道

[4] GB50316-2000 工业金属管道设计规范（2008年版）

[5] SH/T3041-2002 石油化工企业管道柔性设计规范

[6] JB/T8130.1-1999 恒力弹簧支吊架

[7] JB/T8130.2-1999 可变弹簧支吊架

[8] SH/T3073-2004 石油化工管道支吊架设计规范

[9] SH3405-96 石油化工企业钢管尺寸系列

[10] ASME B31.1-2007 Power Piping

[11] API 618-2007 Reciprocating Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services

应力分析完成后，应力分析工程师应阅读应力分析结果，该报告应包含以下内容：4.2 封面

应有：项目（单元）号；项目（单元）名称；版次；文件所包含的管道号；编制、校对、审核、审定（GC1管道）签署及日期。

4.3 正文

应有：一次应力结论；二次应力结论；各支承点在不同工况下的受力；各节点在不同工况的位移；弹簧支吊架表（如果有）管道固有频率（需要的话）；应力分析输入。

在不同工况下，弹簧支吊架如果有向上和向下两种位移，则需在计算报告的弹簧支吊架表中注明。

4.4 应力分析设计条件图

应有：应力分析工程师在该图中标注计算节点号、应力分析文件名，以及应力分析结论。