管道应力分析主要内容及要点

管道应力分析的原则管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。

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，但不包括B31.1 所覆盖的只寸、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。

管道应力分析的主要内容一、管道应力分析分为静力分析析1.静力分析包括：1)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；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一一防止疲劳破坏；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；4)管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据：5)管道上法兰的受力计算一防止法兰汇漏。

2.动力分析包括：1)管道自振频率分析一一防止管道系统共振：2)管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力；3)往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析一一防止气柱共振；4)往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。

二、管道上可能承受的荷载(1)重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等(2)压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力；(3)位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；(4)风荷载；(5)地震荷载；(6)瞬变流冲击荷载：如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击：(7)两相流脉动荷载；(8)压力脉动荷载：如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动；(9)机械振动荷载：如回转设备的振动。

载荷补充：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，则产向的应力。

4：偶然性荷载包括风雪荷载、地震荷载、水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。

4．管道应力分析的目的1)为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值；2)为了使与管系相连的设备的管口荷载在制造商或国际规范（如NEMA SM-23、API-610、API-6 17 等）规定的许用范围内；3)为了使与管系相连的设备管口的局部应力在ASME Vlll 的允许范围内；4)为了计算管系的支架和约束的设计荷载；5)为了进行操作工况碰撞检查而确定管子的位移量；6)为了优化管系设计。

5．管道柔性设计方法的确定一般说来，下述管系必须利用应力分析软件（如AUTOPIPE）通过计算机进行计算及分析。

1)与贮罐相连的，公称管径12”及以上且设计温度在100 度及上的管线；2)离心式压缩机(API 617)及往复式压缩机(API 618)的3”及以上的进、出口管线：3)蒸汽透平(NAME SM23)的入口、出口和抽提管线；4)泵(API 610) -公称管径4”及以上且温度100 度及以上或温度-20 度及以下的吸入排出管线；5)空冷器(API 661) 一公称管径6”及以上且温度120 度及以上的进、出口管线；6)加热炉(API 560) -与管口相连的6”及以上和温度200 度及以上的管线；7)相当长的直管，如界区外的管廊上的管线；8)法兰处的泄漏会造成重大危险的管线，如氧气管线、环氧乙烷管线等。

9)公称管径4”及以上且100 度及以上或-50 度及以下的所有管线；6．摩擦系数的确定除非另有规定，在进行管道柔性分析时摩擦系数应作如下考虑：滑动支架：钢对钢0.3不锈钢对聚四氟乙烯0.1聚四氟乙烯对聚四氟乙烯0.08钢对混凝土0.6滚动支架：钢对钢（滚珠）0.3钢对钢（滚柱）0.3注：滚珠沿轴向运动时应采用滑动摩擦系数．7．管道柔性设计管道柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念，表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其它位移变形的能力。

进行管道设计时，应在保证管够的柔性来吸收位移应变的前提下，使管道的长度尽可能短或投资尽可能少。

在管道计中，除考虑管道本身昀热胀冷缩外，还应考虑管道端点的附加位移。

设计时，一般采用下列一种或几种措施来增加管道的柔性：(1)改变管道的走向；(2)选用波形补偿器、套管式补偿器或球形补偿器；(3)选用弹性支吊架。

8．管道柔性设计的目的管道柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道热胀冷缩、端点附加位移、管道支承设置不当等原因造成下列问题；(1)管道应力过大引起金属疲劳和（或）管道推力过大造成支架破坏；(2)管道连接处产生泄漏；(3)管道推力或力矩过大，使与其相连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行。

9．应进行详细柔性设计的管道(1)进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道；(2)进出汽轮机的蒸汽管道；(3)进出离心压缩机，透平鼓风机的工艺管道；(4)进出离心分离机的工艺管道；(5)进出高温反应器的管道；(6)温度超过400℃的管道；(7)利用图表或其他简化法初步分析后，表明需要进一步详细分析的管道；(8)与有受力要求的其他设备相连的管道。

10.管道柔性设计计算结果的内容(1)输入数据；(2)各节点的位移和转角；(3)各约束点的力和力矩；(4)各节点的应力；(5)二次应力最大值的节点号、应力值和许用应力范围值；(6)弹簧参数表。

11.管道柔性设计合格的标准(1)管道上各点的二次应力值应小于许用应力范围；(2)管道对设备管口的推力和力矩应在允许的范围内；(3)管道的最大位移量应能满足管道布置的要求。

12.冷紧问题冷紧是指在安装时（冷态）使管道产生一个初位移和初应力的一种方法。

如果热胀产生的初应力较大时，在运行初期，初始应力超过材料的屈服强度而发生塑性变形，或在高温持续作用下，管道上产生应力松弛或发生蠕变现象，在管道重新回到冷态时，则产生反方向的应力，这种现象冷紧。

冷紧的目的是将管道的热应集中在冷态，从而降低管道在热态卜的热胀应力和对端点的推力和力矩，也可防止法兰弯矩过大而发生泄漏。

但冷紧不改变热胀应力范围。

冷紧比为冷紧值与全补偿量的比值。

通常应尽量避免采用冷紧，在必须采用冷紧的情况下，要遵循下列原则：●为了降低管道运行初期在工作状态下的应力和管道对连接设备或固定点的推力、力矩以及位移量，可以采用冷紧，但冷紧不能降低管道的应力范围；●对于材料在蠕变条件下（碳钢380 度以上，低合金钢和高铬钢420 度以上）工作的管道进行冷紧时，冷紧比（亦即冷紧值与全补偿量的比值）应不小于0.7，对于材料在非蠕变条件下工作的管道，冷紧比它取0.5。

对冷紧有效系数，热态取2/3，冷态取1。

●对连接转动设备的管道，不宜采用冷紧。

●与敏感设备相连的管道不宜采用冷紧。

因为由于施工误差使得冷紧量难于控制，另一方面，在管道安装完成要将与敏感设备管口相连的管法兰卸开，以检查该法兰与设备法兰的同轴度和平行度，如果采用冷紧将无法进行这一检查。

13.带约束的金属波纹管膨胀节类型(1)单式铰链型膨胀节，由一个波纹管及销轴和铰链板组成，用于吸收单平面角位移；(2)单式万向铰链型膨胀节，由一个波纹管及万向环、销轴和铰链组成，能吸收多平面角位移；(3)复式拉杆型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管及拉杆组成，能吸收多平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；(4)复式铰链型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管及销轴和铰链板组成，能吸收单平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；(5)复式万向铰链型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管及销轴和铰链板组成，能吸收互相垂直的两个平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；(6)弯管压力平衡型膨胀节，由一个工作波纹管或用中间管连接的两个工作波纹管及一个平衡波纹管构成，工作波纹管与平衡波纹管间装有弯头或三通，平衡波纹管一端有封头并承受管道内压，工作波纹管和平衡波纹管外端间装有拉杆。

此种膨胀节能吸收轴向位移和／或横向位移。

拉杆能约束波纹管压力推力。

常用于管道方向改变处；(7)直管压力平衡型膨胀节，一般由位于两端的两个工作波纹管及有效面积等于二倍工作波纹管有效面积、位于中间的一个平衡波纹管组成，两套拉杆分别将每一个工作波纹管与平衡波纹管相互连接起来。

此种肜胀节能吸收轴向位移。

拉杆能约束波纹管压力推力。

带约束的金属波纹管膨胀节的共同特点是管道的内压推力（俗称盲板力）没有作用于固定点或限位点外，而是由约束波纹膨胀节用的金属部件承受。

14.对转动设备允许推力的限制管道对转动设备的允许推力和力矩就由制造厂提出，当制造厂无数据时，可按下列规定进行核算：(1)单列、中心线安装、两点支承的离心泵，其允许推力和力矩应符合API610 规定；(2)尺寸较小的非冷凝式通用汽轮机，蒸汽管道对汽轮机接管法兰的最大允许推力和力矩应符合NEMA SM23 的规定。