管道设计之管道应力分析

管道设计之管道应力分析开篇Email: 156578102@对管道支撑件（如固定支架、止推支架、导向支架、滑动支架、滚动支架、吊架、弹簧支架等）、阻尼件（如阻尼器）、柔性件（如膨胀节）的选型与设置；对与管道相连的设备的定位、操作的理解；对管道走向的调整与斟酌；对管道元件的局部分析与处理（如法兰、支架生根、SIF）；对管道开停车工况及其介质特性的理解；对管道可能遭受的偶然载荷（如气液两相流、水锤、气锤、安全阀反力、风载荷、地震载荷）的理解程度，一定程度上体现了一个设计院管道设计的水平。

虽然柔性分析仍然是管道应力分析的主要内容，但与振动有关的破坏也越来越受到重视，所以管道设计需要刚柔并济。

话虽这么说，但有时候确实很难，这个时候应该查找相关资料来佐证自己的想法，做到有分寸的考虑相关问题，不能一味按某个不切实际方向去做。

1.管道应力专业工作1.1编写本装置的应力分析统一规定，明确本装置执行的规范及版本,软件及版本；1.2根据统一规定，编写本装置的应力分析关键管线表；1.3参与关键管线及其设备的布置研究；1.4参与关键设备的技术谈判；1.5的委托条件进行详细应力分析（这部分内容很多，等以后大家都了解后可以针对不同管系展开说明），提出应力计算报告及修改意见；1.6受报告并解读报告，按要求修改管道走向及选取支架，向土建、设备专业返回受力及扰度要求；1.7置的三查四定及开车。

2.配管委托条件应包括哪些内容2.1单线图:2.2设备总装图：设备外形图、材质、温度等；2.3调节阀、安全阀数据表：重量、反作用力、压力等级、材质等；2.4其他应力分析过程中需要的资料：如PID流程图、管道表、材料等级表、当地风、地震等数据等等。

3.如何理解应力分析报告3.1节点号：在单线图上感兴趣的点称为节点，通常会在管道端点、支吊点、三通、弯头、大小头、管道属性改变处（如管径、壁厚、保温、温度、压力等）、阀门端面、法兰端面、膨胀节及一些特殊需要而增设等处设置节点号。

3.2 支架类型:在单线图上应该清楚的表示管道的支架型号示意图，配管专业应按图示要求结合该点的受力、位移要力求选取合适的支架或者组合支架。

【选读材料】支吊架的强度及刚度应满足该点的受力及位移要求；配管预设管道支架位置，应满足管道的许用跨距；在载荷集中处、弯管和大直径三通分支管附近处应留有支架位置；支架与管道生根处的材质宜与管道同材质；输送介质温度等于或高于400℃的碳钢管道、输送冷冻介质的管道、合金钢、不锈钢、需热处理的管道应尽可能需用抱箍型支架；比较常见的支架类型有：固定支架：进出装置的边界点宜设置固定支架（应与另一装置负责人协调，至少应告之对方）；应力分析管系与非应力分析管系断开点在详细考虑后可设置固定支架；在有冲击载荷的阀门如减温减压阀、有相变的调节阀、安全阀在充分考虑各种工况后在合适的位置设置固定支架；管道柔性元件（如会产生压力推力型的膨胀节）的直管两端合适位置应设置固定支架；复杂管系分为若干简单管系处宜设置固定支架；防振支架：对往复式压缩机等具有压力脉动的管系应尽可能的设置防振支架，宜独立生根，宜采用抱箍型内嵌缓冲垫，如讲究，对支架还需提刚度要求；刚性滑动支架：应注意管托长度，使其满足管道膨胀位移量的要求；刚性可调支架：在泵进出口管道可设置刚性支架的情况，一般选用可调支架；刚性滚动支架：对管口受力要求苛刻的敏感设备，为了减少摩擦力，有可能会选择滚动支架；刚性吊架：选取吊杆时应使吊杆长度满足管道膨胀位移量的要求，通常来说，当管道热态时，吊杆与垂直线的夹角应该控制在3º（不同设计院根据不同要求，但是最好不要太大）以内；吊杆与钢结构的生根形式应可偏转，不可固定住（除非特别注明，或者无温度的管道）；吊架也可用于对摩擦力有苛刻要求的场合。

导向吊架：为了使管道较高的固有频率，抵御风、地震、安全阀排放反力、水击等偶然载荷应在合适的位置设置导向支架；为了保持管道的稳定应在合适的位置设置导向支架；为了控制管道热涨位移在合理的范围内或者控制热涨位移的分配应在合适的位置设置导向支架；有些管道柔性元件的要求（如装有通用型膨胀节的直管道应按规范要求设置导向支架，控制管道沿轴向膨胀及柱稳定；为控制设备管嘴受力、法兰泄露等可在合适的位置设置导向支架；止推支架：为了使管道较高的固有频率，抵御风、地震、安全阀排放反力、水击等偶然载荷应在合适的位置设置止推支架；为了保持管道的稳定应在合适的位置设置止推支架；为了控制管道热涨位移在合理的范围内或者控制热涨位移的分配应在合适的位置设置止推支架；为控制设备管嘴受力、法兰泄露等可在合适的位置设置止推支架；变力弹簧支架：不适合采用刚性支架的场合可适当的选取一定的弹簧支架；其载荷变化率不应大于25%；吊杆与垂直线的夹角应该控制在3º；正确的查询各种型号弹簧的安装高度、弹簧箱体尺寸、吊杆直径等信息；不宜连续多处设置弹簧；能使用刚性支架场合尽可能使用刚性支架；当垂直管道做冷紧时，应注意弹簧选型位移恒力弹簧支架：国标恒力弹簧使用杠杆式的，在垂直运动时，会产生水平偏移，在选取吊杆长度时，应将此偏移量与支架点的水平热涨位移一起考虑吊杆长度；对于大位移、小载荷的恒力弹簧可选择LISEGA标准的弹簧或者其他可靠弹簧；阻尼器：对于高温又需做抗震分析、冲击载荷分析的管道；3.2 应力类型:当前Caesar内置的应力类型有如下SUS(一次规范应力)、EXP(二次规范应力)、OPE(操作规范应力，这个应力当前也可选择作为一种应力类型)、OCC(偶然应力)、HYD(水压试验)、FAT(疲劳分析)，以下是一个经典静力分析的应力总结报表，本报表未包含水压工况是由于管道明确不做水压试验。

3.3 支架受力:根据支架的节点号，可读取受力及其位移，其中：FX、FY、FZ表示三个平动方向的受力;MX、MY、MZ 表示三个转动方向的力矩；DX、DY、DZ表示三个平动方向的位移；Load Case表示工况类型，有SUS,OPE、HYD等工况，一般使用MAX工况提供给土建受力；对于设备，如果校核局部受力，应提供管嘴与筒体交接处节点的受力给设备或者提供管嘴法兰处受力由设备专业转换；有些管嘴的受力对设备的地脚螺栓的大小及裙座的厚度有很大的影响，如果设备管嘴有很多个，应提供的受力最好分工况，并且每个嘴子的工况相互对应，以便设备专业判断最大的影响；配管专业应将与设备嘴子处的节点受力在超出与设备专业约定值时提交给设备专业。

3.4位移：根据需要，通过节点号，可以通过位移报告查询各个工况下改点的变形情况：DX,DY,DZ表示该点三个方向的平动位移；RX,RY,RZ表示改点三个转动方向的转动角度。

3.4弹簧报表：以上时CAESAR输出的弹簧报表，应力分析工程师应转为与如下形式相似的弹簧报表提供给配管专业，因为CAESAR自动选型的弹簧型号的安装刻度及其行程有时不一定合适，这个时候应力工程师应根据管道的实际情况将合适的弹簧型号以确定的刚度，行程等输入CAESAR里面，指定其确切型号：4.关键管线表的制定原则哪些管道需要做管道应力分析，应根据相应规范及业主要求确定，一般这部分都应体现在应力统一规定上，根据自己遵循的规范和标准不一样，取值都可能不太一样；对于炼油工艺管道，可参考GB/T 20801、B31.3、SH/T 3041、GB50316等相关条款综合考虑，以下只是提供一种思路：4.1进出高温反应器、再生器、蒸汽发生器的管道；4.2与敏感设备如离心压缩机、汽轮机、空冷器、加热炉等相关的管道；4.3与具有脉动源如往复式压缩机相关的管道；4.4操作温度低于-50°C的管道；4.5操作温度高于表1与离心泵连接的管道；表1 需要详细柔性分析的与泵连接的管道泵口公称直径，DN 100 150 200 250 300 350 400及以上泵管道操作温度，℃150 130 120 100 80 60 40操作温度高于表2与静设备连接的管道；表2 需要详细柔性分析的与静设备连接的管道管道公称直径，DN 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600及以上管道操作温度，℃250 220 200 180 160 140 120 100 80 60 404.6具有大附加端点位移的管嘴相连的管、具有应力增大系数大于5的管件的管道；4.7 设备管口有特殊受力要求的管道；4.8 根据规范需要进行抗震分析及由业主确定需要进行特殊分析的管道；4.9 根据工艺需进行加固、抗振、抗冲击处理的管道、工艺过程具有剧烈循环的管道4.10 其他应力分析工程师及管道审核、审定人员根据装置实际情况确定需要分析的管道系统；5.许用应力的确定原则本来大家是要求写许用应力的来源的，来源应包含理论及实验依据，叙述起来比较麻烦，考虑到这是第一次课程，一些理论的东西还是在后续的课程慢慢涉及，根据这个原则，这里简单的介绍GB/T20801许用应力确定的原则，其他规范留给大家。

不同规范对许用应力的确定不太一样，使用何种规范进行应力分析的管道，需使用该规范的许用应力【选读材料】表5-1 GB/T 20801金属材料许用应力确定原则上图是GB/T 20801对金属材料的许用应力确定的原则，其参考的是B31.3的做法，是根据抗拉强度、屈服强度、持久强度、蠕变极限等数据综合确定如果做的炼油管道，美标牌号的材料请参考B31.3的许用应力；国标牌号可参考GB/T 20801附录的许用应力；有时候如果还需要知道各个设计温度下的屈服强度数值，对于美标牌号的按ASME ⅡD篇性能中查找相关数据，国标牌号可参考GB150；当然可能会遇到有些在规范里面无法查询到数据的情况，这种情况可咨询先前使用过此种材料同行是如何获得数据或者要求制造厂商按规范要求提供相应的试验数据。