石油化工管道设计的应力分析与柔性设计
管道设计中的应力分析和处理技巧
管道设计中的应力分析和处理技巧刘进辉摘要从管道应力产生的原理和处理方法出发，明确的阐述了应力处理的原则。
分步叙述了管道的补偿、管道柔性分析方法的选择，图解简化计算、判断式、计算机分析中的一些技巧和方法。
主题词应力补偿管道上的应力一般分为一次应力、二次应力和峰值应力。
一次应力是指由管道所受外力荷载引起的正应力和剪应力。
二次应力是由于管道变形受约束所产生的正应力和剪应力。
峰值应力是管件的局部结构不连续，有应力集中，或有局部热应力，附加到一次应力和二次应力的总合。
一次应力和峰值应力在确定的管道和管道环境中是不会变化的，这里我想主要谈谈管道的二次应力。
由定义可知，二次应力是由于管道变形受阻而产生的，它不直接与外力相平衡，而是由管道各部分变形来适应的。
在热胀推力的作用下，管道局部屈服而产生少量塑性变形时，就会使推力不在增加，塑性变形不在发展，即有自限性。
对于塑性良好的材料，一次伸缩即使产生较大的变形也不会破坏。
只有塑性变形在多次交变的情况下，才会引起管道的疲劳破坏。
当热力管道启动时，热力由内壁向外壁传递，内外壁管道有温差，管道温度不均匀，而产生温度应力，一般计算中不考虑。
不同材料的管道和管件焊接时，由于膨胀系数和弹性模量不同，当温度升高时，相连处存在热应力。
此应力也属二次应力。
一、管道的补偿在诸多因素中，温度的变化对管道应力的影响最大，而温度升高，又会降低管道的许用应力，只有当管道在工作状态下的应力小于许用应力，管道才是安全的。
那么我们怎样才能解决管道由于各种界环境变化而形变带来的二次应力呢？简单的说就是“膨胀多少，补偿多少”！。
管道在热胀或冷紧时不受阻，或在安全应力内受阻是我们补偿的最终目的。
首先我们来明确几个重要参数：右图是一“L”型管道，A、B分别为管道的两个固定点，L1+L2=L是管道的长度，U是两个固定点间的距离，Δ是管道的膨胀量。
这里需要对Δ详细说明一下，它是管道的线性膨胀量和管道位移的矢量加和。
基于应力分析的化工管道柔性设计分析
基于应力分析的化工管道柔性设计分析摘要：伴随着我国社会经济的不断发展，化工行业也蒸蒸日上，在百姓的生活经济中扮演者重要角色，因此对于化工管道的安装要求也逐渐增高。
本文主要对基于应力分析的化工管道柔性设计进行分析。
关键词：应力分析；化工管道；柔性设计引言化工工艺管道的伴热设计可防止管道内部的介质凝固、分离、冷凝，还能使管道内部长期保持一个温度。
简言之，伴热设计能优化管道内部的性能，从而实现热量有效传输。
1柔性设计的目的及要求化工管道的特殊性相对较强，除了介质具有很强的危险性以外，在管道沿线位置处存在大量的机械设备，当管道内的介质升温或者降温的过程中，管道将会产生热胀冷缩反应，进而对周围的设备和其它类型设施产生作用力，设备或者其它类型设施会对管道产生反作用力，此时，管道所承受的应力将会大幅提升，对于部分管道而言，其刚度相对较高，在对设备或者其它设施施加作用力的情况下，可能会对设备或者其它设施产生一定的破坏，因此，在对管道进行设计研究的过程中，需要尽可能提高管道的柔性。
2基于应力分析的化工管道柔性设计分析2.1化工工艺管道伴热设计基于应力分析的化工管道柔性设计分析之一是化工工艺管道伴热设计。
在化工工艺管道伴热设计中，应采取套夹伴热的方式，以免出现化工热量消散过多的现象。
实际上，使用管道输送化工介质期间应考虑到介质终端温度、管道内部温度，确保二者温度相同，如二者温度不一致，就要考虑温差问题。
与其他伴热管道方式相比，该方式更有利于保护热能和补充热能。
工作人员应注意管道内部凝点，确保凝点不超过50 ℃。
此时，在根据管道材料选择伴热方式。
在工程中，工作人员应用管道进行气体输送时，应用伴管伴热这一方式的次数较多。
相关工作人员可根据实际情况选择伴管种类，现阶段，常用的伴管种类有两种，分别是蒸汽伴管、夹套伴管。
当装置工况下管道内部积累大量凝固蒸汽，此时，工作人员可考虑选择套夹伴管进行输送。
实际安装期间，工作人员需考虑到伴热设计基本要求选择伴管安装。
管道应力分析和柔性设计专题教学内容
2)两台或三台压缩机的汇集总管截面积至少为进口管 截面积的三倍，且应使柱塞流的冲击力不增加。
3)孔板消振 — 在缓冲罐的出口加一块孔板。
孔径大小：
d 4 D
U,U
V气体流速 V介质内的声
速
d 0.3 ~ 0.5 D
孔板厚度=3～5mm
孔板位置 — 在较大缓冲罐的进出口均可
d)减少激振力——减少弯头、三通、异径管等管件。
10、ASME/ANSI B31.3 Process Piping
11、ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution piping systems
12、ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systems
⒁ 绘制非标管架图；(*)
⒂ 编制管架综合材料表；(*)
⒃ 编制弹簧架及阻尼器、保冷管托、高温隔热管托、刚性拉 杆等采购MR文件及弹簧架技术数据表；
⒄ 编制柔性件(膨胀节、软管等)采购MR文件及技术数据表；
⒅ 管架施工安装说明 (*)
3、各文件应包含的内容：
⑴ 工程规定内容
A、适用范围；
B、概述；
t
D0 6
且
P
t
0.385时
B、当
t
PD0
2t 2YP
tD06或Pt0.38时 5
t 的确定应根据断裂理论、疲劳、热应力及材料特
性等因素综合考虑确定。
C、外压直管的壁厚，应根据GB150规定的方法确定。
D、其它的管件(如Y型三通、孔板等)依据相应的规范 (GB50316-2000)公式进行计算。
API 661。 a）管道计算
管道应力探究及柔性设计
管道应力探究及柔性设计摘要：管道应力的分析以及计算，是对管道加以设计的基础，能够实现对管道强度以及安全性做出评价，同时还能够给管道经济分析供给相应的依据。
管道应力是因为管道所承受的内压力、外部荷载和热膨胀等因素而形成的。
管道在荷载之下的应力形态是较为复杂的，对其加以分析和计算，继而做出安全性评价，满足连接设备对于管道推力形成的限定，继而让管道设计更加的经济合理。
关键词：管道；应力；柔性设计1、管道应力的分类1.1一次应力一次应力指的主要是管道所受到的荷载，比如内压、风荷载、持续外载以及冲击荷载等形成的正应力与剪应力。
是对外力加以平衡需要的应力，属于非自限性。
要是应力的强度超过了屈服极限的情况之下，管道就会出现塑性破坏或者整体的变形，要对这种现象加以防范。
管道的一次应力较之二次应力更加的危险，因此要收到更为严格的限制，一定要为不出现材料的屈服留出足够的裕度，避免程度太大的塑形变形而致使管道的失效或者损坏。
一次应力的校核要依据弹性分析以及极限分析的条件加以控制。
1.2二次应力二次应力则是管道因为变形而形成的正应力以及剪应力。
比如因为热胀冷缩以及其它形式的位移受约束形成的应力，其不会跟外力直接的平衡，是为了满足位移的约束条件，或者变形协调所需要的应力。
其具备的特征是自限性，在局部的屈服形成少量塑性变形就可以让应力实现下降。
而针对塑性比较优质的管材，通常在管道第一次加载的时候，二次应力不会致使直接的破坏，而在塑性应变在很多次重复交变的状况之下，才能够引发管道的疲劳破损。
二次应力限定不取决于特定时间之内的应力水平，主要是决定于应力交变的范围以及循环次数。
二次应力的校核应该依据安定性的分析条件实施控制。
1.3峰值应力峰值应力是由管道或者附件因为局部结构不够连续，局部的效应附加到了一次应力或者二次应力增量上。
它的特征在于不会形成较为明显的变形，并且在短距离之内就会自根源逐渐衰减，是导致脆性破损以及疲劳裂纹的一个重要原因。
管道应力设计规定
管道应力设计规定1 范围1.1 本标准对管道应力分析设计条件、评定标准以及分析方法进行了规定。
1.2 适用于设计压力不大于42 MPa，设计温度不超过材料允许使用温度，非直接埋地且无衬里的低碳素钢、合金钢或不锈钢管道。
2 引用标准使用本标准时，应使用下列标准的最新版本。
GB 50316 《工业金属管道设计规范》GB 50009 《建筑结构荷载规范》SH 3039 《石油化工企业非埋地管道抗震设计通则》API 610 《石油、化工和气体工业用离心泵》API 617 《石油、化工和气体工业用离心式压缩机》NEMA SM23 《机械驱动用汽轮机》3 设计规定3.1 一般要求3.1.1 应兼顾管道热补偿及防振要求。
3.1.2 应兼顾管道及设备安全，应避免管道对相关设备造成危害。
3.1.3 应优先采取自然补偿方法解决管道柔性问题，安装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。
采用膨胀节应考虑满足工艺条件及防腐要求，不得采用填函式伸缩节和球形补偿器。
3.1.4 可采取冷紧措施减小管道对设备、法兰以及固定架的作用力，但不可以应用在敏感转动设备的管道上。
3.1.5 存在明显振源的管道应优先考虑防止其振动。
3.1.6 往复式压缩机管道应按照与制造商签定的合同要求进行防振计算。
3.2 设计条件3.2.1 计算基础数据应由相关各专业提供。
3.2.2 计算工况应涵盖最不利工况，如烘炉、催化剂再生、烧焦、吹扫等特殊工况。
3.2.3 另有规定除外，热态计算温度按最高操作温度状态确定。
对于有外隔热层管道，计算温度取介质温度；对于无外隔热层管道，计算温度可取95 %介质温度；对于有内隔热层管道，计算温度应根据热传导计算确定。
3.2.4 另有规定除外，安装温度取20 ℃。
3.2.5 另有规定除外，冷态计算温度取安装温度。
3.2.6 另有规定除外，计算压力取最高操作压力。
3.2.7 金属管道的许用应力按GB 50316附录A取值。
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。
浅谈离心泵管道的柔性设计和应力分析
78CPCI 中国石油和化工化工设计浅谈离心泵管道的柔性设计和应力分析耿云飞 姜黎明 丁春春（江苏中圣高科技产业有限公司）摘 要：管道柔性设计是指在管道的设计过程中考虑管道的柔性，柔性管道能够有效避免管道因热胀冷缩、端点附加位移及管道支撑不当设置引起的管道受力超限，同时可以防止管道与相连的离心泵之前因过大变形而产生的应力超限，保证管道及相应设备的正常运转。
本文首先介绍了管道柔性设计的目的和方法，提出了控制离心泵嘴管道应力的具体措施，为工程实践提供参考。
关键词：管道柔性设计 推力和力矩 正常运行引言随着我国石油化工产业的飞速发展，工厂中需要输运的物料越来越多。
离心泵是我国工业领域最重要的输运设备之一，工厂中的物料介质有冷态和热态也有气态或固态，离心泵管道常被应用在工业中输送液体物料。
设计管道时应当做到技术先进，经济合理，安装方便，同时还必须保证具有足够的安全度，对离心泵管道进行设计时应当首先遵守柔性设计准则。
另一方面，对管道进行应力分析时管道设计的基础，通过合理的应力计算，可对管道进行完整的强度与安全评估。
管道中的应力是由于管道承受外部荷载、内部液体压力或者热胀冷缩引起，管道在这些状态下的工作应力是非常复杂的，因此有必要对管道进行完整的应力分析和安全评估。
1 管道柔性设计的目的对管道结构进行柔性设计的主要目标是在设计条件下，增大管道柔性。
首先，避免管道受热膨胀或遇冷收缩使管道变形应力过大，导致管道破坏；其次，管道在端部连接处可能因附加位移而断开并产生泄漏；其次，防止因管道支撑设置不当使管道推力和力矩过大，从而对与管道连接的设备造成影响；最后，防止管道推力或力矩值超限，破坏管道的支吊架。
2 管道柔性设计的一般方法管道设计过程中，改变管道走向、增设波纹管膨胀节或者选用弹簧支吊架的方法可以用来增加管道的柔性。
若条件允许，增加管道柔性的首要方法应考虑改变管道的走向或选取合适的弹簧支吊架。
若两根相交管道的固定点位于相同位置时，可以增加管道的相应长度或者增设更多的弯头来提高管道的柔性。
应力计算规定
1 范围本标准规定了：（1）管道在内压、持续外载作用下的一次应力和由于热胀、冷缩及其它位移受约束产生的热胀二次应力的验算方法，以判断所计算的管道是否安全、经济、合理；（2）管道由于热胀、冷缩及其它位移受约束和持续外载作用产生的对设备的推力和力矩核算方法，以判明是否在设备所能安全承受的范围内；（3）管道应力分析方法的选择依据；（4）支吊架的选用原则.执行本规定时，尚应符合现行有关标准规范的要求。
本规定适用于石油化工企业承受静力载荷的碳素钢、合金钢及不锈钢管道的柔性设计2 引用标准《石油化工企业管道柔性设计规范》SHJ41《石油化工企业管道设计器材选用通则》SH3059《石油化工钢制压力容器》SH3074《石油化工企业管道支吊架设计规范》SH3073《化工厂和炼油厂管道》ANSI/ASME B31.3《API－610/NEMA－SM23》上述标准所包含的条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。
在标准出版时，所示标准均为有效。
所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用上述标准最新版本的可能性。
3 一般规定3.1 管道柔性设计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、端点附加位移和管道支撑设置不当等原因造成的下列问题：一.管道应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏；二.管道连接处产生泄漏;三.管道推力和力矩过大,使与其相连接的设备产生过大的应力和变形,影响设备正常运行。
3.2 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：一.加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移;二.塔或其它立式设备产生热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；三.管壳式换热器及其它卧式设备滑动支座移动造成连接管道的附加位移；五.几台设备互为备用时，不操作管道对操作管道的影响；六.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；七.根据需要，应考虑固定架和限位架的刚度影响。
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石油化工管道设计的应力分析与柔性设计
【摘要】管道是石油化工装置不可缺少的组成部分，它不仅用于连接各种设备和相关的系统设施，同时也是保证各类流体安全输送的重要保障。
管道设计的基础即为管道应力的分析与计算，在优化管道柔性设计与安全生产等方面发挥了重要作用。
本文就针对化工设计中管道柔性设计和管道应力分析进行探讨。
【关键词】化工管道管道应力柔性设计安全
管道设计主要包括装置的设备布置、管道布置、管道材料设计以及管道应力分析四项工作。
然而，由于历史、管理、技术等各种原因，在石油化工行业中，管道设计的可靠性和安全性问题在近年表现得日益突出，而管道的应力分析工作则是管道设计安全、经济、合理的保障和重要方式。
1 管道应力简介
为研究并控制管道的强度破坏和刚度破坏，引入应力这一概念。
材料由于外因（受力、温差、湿度变化等）而产生变形时，在材料内部各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因作用，并力图使材料从变形后的位置回复到变形前的位置。
而在所考察的截面某一点单位面积上的内力，称为应力。
由此不难看出，管道应力的概念避开了管子及其元件的规格尺寸、壁厚等因素的影响，只要外部荷载使材料产生的应力超出材料本身的强度指标，即可认为管子及其元件将要发生强度破坏。
1.1 管道分类
管道在压力荷载、机械荷载以及热负荷等作用下，整个管路或某些区域产生不同性质的应力，因此，管道上的应力，一般可分为以下三类：
（1）一次应力：由于外加荷载的作用而产生的应力（如压力和重力等），其本身与外力平衡。
（2）二次应力：由于变形受到约束所产生的正应力或剪应力（如热膨胀、附加位移、安装误差或振动荷载等），其本身不直接与外力相平衡。
（3）峰值应力：由于荷载或结构形状的局部突变（如管道中小的转弯半径处、焊缝咬边处或材料本身夹渣、气孔处）而引起的局部应力集中的最高应力值。
1.2 管道应力分析目的
管道应力分析的目的主要是解决管道的强度、刚度、振动等问题，为管道的布置、安装、配置提供科学依据。
其具体体现以下几个方面：
（1）保证管道系统设计安全的要求
管道安全性能的总体要求包括耐压强度、耐腐蚀性和密封性三方面。
（2）保证装置运行的安全性
管道布置如果不合理，整个装置运行过程中就会存在安全隐患，并可能产生各种应力问题。
如管道在温度变化时产生的热应力过大，则会导致下列各种现象的发生：设备管口就会被拉坏或顶坏，
各管件连接处损坏（焊缝连接时会被拉裂，法兰连接则出现变形导致泄露），管架被推坏，更有严重者还会发生燃烧或爆炸。
另外，如果是动力设备，当震源的激振与管系固有频率相同时，则会导致整个装置系统发生共振，此时损坏的则是设备本身和与其相连的建筑物。
2 管道柔性设计
管道的柔性是指管道通过自身变形来吸收因温度变化而发生的尺寸变化或其他原因（设备基础沉降等）所产生的位移，进而保证管道上的应力在材料许用应力范围内的性能。
因此管道柔性设计的目的就是为防止管道由于温度、内压、荷载、支架限制或端点附加位移等情况发生下列损坏：
（1）因为应力过大产生管道破坏；
（2）管道所受推力或力矩过大导致与其相连设备产生的应力过大或变形而不能正常运行。
（3）管道所受推力或力矩过大而引起管道支架破坏。
（4）管道的连接处发生泄露。
为解决上述问题，在工程应用中增加管道柔性时一般采取下列途径：
（1）改变管道的几何布置
原则上来说，改变管道的几何布置（l型或π型等），是增加管道柔性最理想的选择，在管道两端点固定的前提下，无论是二维平面内还是三维空间内或者二者组合后改变管道走向，都是通过增加管
道长度和弯头数量的方式来增加管道的柔性。
（2）在管道支撑时选择弹簧支吊架
弹簧支吊架可以适当释放所支撑点对垂直位移的约束，进而增加管道柔性。
但是如果连续使用弹簧，会对管道的稳定性有一定影响。
（3）增设膨胀节
当管径较大、场地空间有限并且需要的补偿量又很大，或设备、工艺等有特殊要求的情况下不能应用改变管道走向时，通常会在管系中增设膨胀节（一般为适用于低压大管径管道的波纹膨胀节）。
但是由于波纹膨胀节制造复杂、价格昂贵，并且是管系中的薄弱环节，应尽量避免使用。
3 工程实例
某30万吨/年烧碱项目，储罐（碱液，浓度0～31%，）与两台离心泵的进出口管道，其原始数据为：
管道材质ss.smls.a790 tp31803
管道规格6.625*0.28（in）
保温厚度1.5（in）
工作温度t1=188（℉）
工作压力p1=47（lb/in2）
设计温度t2=203（℉）
设计压力p2=69（lb/in2）
水压试验压力p3=103（lb/in2）。
该管系管道原布置如下图1所示：
经计算两台泵入口位置受力情况如下：
入口1节点250（表1）
入口2节点350（表2）
根据标准api 610《一般炼厂用离心泵》校核，泵入口管道受力fx，力矩my、mz均不符合要求。
经过计算两台泵出口位置受力情况如下：
出口1节点870（表3）
出口2节点1050（表4）
同样根据标准api 610《一般炼厂用离心泵》校核，泵出口管道受力fy，力矩mx均不符合要求，并且节点725、905两处刚性支架处于脱空状态完全不受力失去作用。
离心泵出口管道，并没有特殊要求，也就没有必要将节点725、905两处刚性支架改为弹簧支架。
因此最终采用了改变管道走向的方案。
该管系管道经过优化后的最终布置如下图2所示：
泵入口1节点250（表5）
泵入口2节点350（表6）
泵出口1节点870（表7）
泵出口2节点1050（表8）
优化后各管口受力情况如下：
在上述两台离心泵出口管道优化过程中，不仅解决了泵口受力问题，同时将两根出口管道上的操作阀改为安装在水平管段，这样既
降低了操作高度，又方便了支撑，同时大大降低泵出口的垂直荷载，并且在整个管系中避免了使用弹簧支吊架。
4 结语
综上所述，管道的应力分析是从应力角度进行的理论分析，为管道系统所需研究的每一节点（人为设定）受力情况提供强有力的理论依据。
而管道的柔性设计，则是在管道应力分析计算结果的基础上，结合工程实际情况所做出的更有利于工程实际的管道设计，柔性设计不只满足管道和设备的应力要求，还结合了工艺等更多方面要求的管道系统设计。
拥有足够的柔性，管道在设计条件下工作时，就不会因热胀冷缩、端点附加位移、支架设置不当等原因产生应力过大、变形、泄露等问题而影响正常运行。
管道应力分析和管道柔性设计在整个设计过程中交替进行，进而实现更优化、更符合工程实际的设计。
参考文献
[1] 压力管道应力分析（2003）.中国石化出版社.
[2] 工业管道应力分析与工程实例（2011）.中国石化出版社
[3] 石油化工装置工艺管道安装设计手册（2009）.中国石化出版社
[4] 工程实例中计算各管口受力使用软件为caesar ii。