管道与储罐强度-油罐的应力分析
石油化工设计中管道的应力分析
石油化工设计中管道的应力分析在石油化工设备和管道设计中，管道的应力分析是至关重要的一部分。
管道在输送化工产品、原油和天然气等流体过程中承受着巨大的压力和温度变化，因此对管道的应力进行准确的分析和评估是确保设备安全稳定运行的关键。
本文将就石油化工设计中管道的应力分析进行探讨，包括管道的应力来源、应力分析的方法以及如何通过应力分析来优化管道设计。
一、管道应力的来源管道在石油化工生产和运输中承受着各种不同类型的应力，主要包括以下几种：1. 内压力应力：当管道内输送流体时，流体对管道内壁产生压力，这种压力会导致管道内壁产生拉伸应力。
根据管道内部流体的压力大小和管道壁厚度，可以通过公式计算出内压力应力。
2. 外压力应力：当管道埋设在地下或者受到外部负荷作用时，管道外表面会受到外部压力的影响，产生外压力应力。
外压力应力的大小取决于埋深以及地下土壤或其他外部负荷的性质。
3. 温度应力：在石油化工生产中，管道内流体的温度会经常发生变化，管道壁由于温度变化而产生热应力。
当温度升高时，管道会受到膨胀，产生热膨胀应力；当温度降低时，管道会受到收缩，产生热收缩应力。
4. 惯性应力：当管道受到流体在流动中带来的冲击或者振动负荷时，管道会受到惯性应力的作用。
这种应力通常在管道系统启停或者调节流量时发生。
以上几种应力来源综合作用于管道中，会使得管道处于复杂的受力状态，因此需要进行系统的应力分析来保证管道的安全可靠运行。
二、管道应力分析的方法1. 弹性理论分析法：弹性理论分析法是管道应力分析常用的一种方法。
它基于弹性力学理论，通过有限元分析或者解析力学方法，对管道受力、应力分布和应力集中进行计算和分析。
这种方法可以较为准确地预测管道在各种受力情况下的应力状态，但需要复杂的数学计算和较高的专业知识。
2. 经验公式法：经验公式法是一种简化的应力分析方法，常用于一些简单的管道系统。
通过经验公式计算内压力应力、外压力应力和温度应力，并考虑到管道的材料性能和工作条件，可以得到初步的应力估计。
油罐的应力分析剖析
p
m
K1 d R1
m'
R2 K2 a b c d K1 R1
o'
K 2 R2 d O1 a c
o'
K1
2N在法线
d
r d b d o
上的分量
O1
2F2
a(c)Biblioteka o a.o'
K1
F1
r o e.
b(d)
b.
d a. c t
第二章 轴对称回转薄壳的应力分析
主要内容 ● 轴对称回转薄壳的概念； ● 轴对称回转薄壳的几何要素； ● 无力矩理论；有力矩理论； ● 微元体平衡方程；区域平衡方程； ● 特殊回转壳体的薄膜应力；
教学重点：
无力矩理论、微元体平衡方程、区域平衡方程
无力矩理论、微元体平衡； 微元体平衡方程、区域平衡方程
0
pD 2t
2
11
2.2.2 回转薄壳的无力矩理论
一、回转薄壳的几何要素
K1
O'
K1 K2
x r
R1
A x y
K2
θ
R2
A'
z
r O B
z
ξ
R1
平行圆
经线
R2
12
a.
b.
2.2.2 回转薄壳的无力矩理论
一、回转薄壳的几何要素
回转薄壳： 中面由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转360度而 成的薄壳。 母线： 极点： 绕轴线（回转轴）回转形成中面的平面曲线或直线。 中面与回转轴的交点。
（2-5）
管道应力分析及计算全
B、动力分析包含的内容 a)管道固有频率分析 — 防止共振。 b)管道强迫振动响应分析 — 控制管道振动及应力。 c)往复式压缩机(泵)气(液)柱频率分析 — 防止气柱 共振。
d)往复式压缩机(泵)压力脉动分析 — 控制压力脉动 值(δ值)。
C、动力分析要点
a)
振源
机器动平衡差 — 基础设计不当
⑶ 编制临界管线表(三级签署) — 应力分析管线表
静力分析
⑷ 应力分析
(三、四级)；
动力分析
⑸ 卧式容器固定端确定，立式设备支耳标高确定；
⑹ 支管补强计算；
⑺ 动设备许用荷载校核(四级)
⑻ 夹套管(蒸汽、热油、热水)计算(端部强 度计算、内部导向翼板位置确定、同时 包括任何应力分析管道的所有内容)；
三、管道的柔性设计
3.1、柔性定义及柔性设计的方法和目的 a)定义 b)目的 c)设计方法 d)端点位移考虑 3.2、是否进行详细柔性设计的判别方法 a)应进行详细柔性设计的管道 b)可以不进行详细柔性设计的管道 c)判别式的使用方法与注意事项 3.3、管道的热补偿
三、管道的柔性设计
3.4、应力增大因子 3.5、柔性分析方程 3.6、弹性模量随温度变化效应 3.7、柔性分析的另一规则
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 D
4
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。
A、当
石油化工设计中管道的应力分析
石油化工设计中管道的应力分析【摘要】本文主要介绍了石油化工设计中管道的应力分析。
在石油化工项目中，管道的应力分析是至关重要的，它可以帮助工程师了解管道在各种工况下承受的应力情况，从而设计出更加安全和可靠的管道系统。
管道的内外应力分析是应力分析的重要内容，通过合理的方法进行应力分析可以帮助工程师准确评估管道的安全性。
而管道应力分析方法和影响因素则是应力分析中需要深入研究的内容，只有充分了解这些才能更好地应对管道设计中出现的挑战。
本文还介绍了管道应力分析在实际工程中的应用，帮助读者更加全面地了解石油化工设计中管道应力分析的重要性和实际操作。
通过本文的学习，读者将能够对石油化工设计中管道的应力分析有一个系统性的认识，为工程设计提供更好的参考。
【关键词】石油化工设计，管道，应力分析，内外应力，方法，影响因素，应用，总结1. 引言1.1 石油化工设计中管道的应力分析概述石油化工设计中管道的应力分析是石油化工领域中非常重要的一项技术，它可以帮助工程师们正确评估管道在使用过程中所受到的应力情况，从而确保管道系统的安全运行。
管道系统往往承载着高压、高温以及化学腐蚀等多种不利因素的影响，因此对管道的应力分析尤为重要。
管道应力分析不仅包括了管道内部受力情况的分析，还需要考虑外部环境对管道的影响。
在设计过程中，工程师们需要综合考虑管道材料的性能、管道的几何结构、介质流体的性质、操作条件等各个因素，才能准确评估管道的应力情况。
在实际工程中，管道应力分析方法有很多种，包括有限元法、解析法、试验法等。
每种方法都有其适用的场景和局限性，工程师们需要根据具体情况选择合适的方法进行分析。
2. 正文2.1 管道应力分析的重要性管道应力分析是石油化工设计工作中至关重要的一环，其重要性体现在以下几个方面：1. 安全性保障：管道在运行过程中承受着来自流体压力、温度变化等多种力的作用，如果管道应力分析不到位，容易导致管道破裂、泄漏等事故发生，对设备、人员造成巨大的损失。
管道应力分析和计算解析
管道应力分析和计算
目次
1 概述
1.1 管道应力计算的主要工作
1.2 管道应力计算常用的规范、标准1.3 管道应力分析方法
1.4 管道荷载
1.5 变形与应力
1.6 强度指标与塑性指标
1.7 强度理论
1.8 蠕变与应力松弛
1.9 应力分类
1.10 应力分析
2 管道的柔性分析与计算
2.1 管道的柔性
2.2 管道的热膨胀补偿
2.3 管道柔性分析与计算的主要工作2.4 管道柔性分析与计算的基本假定2.5 补偿值的计算
2.6 冷紧
2.7 柔性系数与应力增加系数
2.8 作用力和力矩计算的基本方法2.9 管道对设备的推力和力矩的计算
3 管道的应力验算
3.1 管道的设计参数
3.2 钢材的许用应力
3.3 管道在内压下的应力验算
3.4 管道在持续荷载下的应力验算
3.5 管道在有偶然荷载作用时的应力验算3.6 管系热胀应力范围的验算
3.7 力矩和截面抗弯矩的计算
3.8 应力增加系数
3.9 应力分析和计算软件。
管道应力分析
管道应力分析第一章任务与职责1. 管道柔性设计的任务压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、内压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况；1) 因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏；2) 管道接头处泄漏；3) 管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行；4) 管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏；2. 压力管道柔性设计常用标准和规范1) GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》2) SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》3) SH 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》4) SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》5) SH 3073-95《石油化工企业管道支吊架设计规范》6) JB/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》7) JB/T 8130.2-1999《可变弹簧支吊架》8) GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》9) HG/T 20645-1998《化工装置管道机械设计规定》10) GB 150-1998《钢制压力容器》3. 专业职责1) 应力分析(静力分析动力分析）2) 对重要管线的壁厚进行计算3) 对动设备管口受力进行校核计算4) 特殊管架设计4. 工作程序1) 工程规定2) 管道的基本情况3) 用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿4) 用目测法判断管道是否进行柔性设计5) L型U型管系可采用图表法进行应力分析6) 立体管系可采用公式法进行应力分析7) 宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道8) 采用CAESAR II 进行应力分析9) 调整设备布置和管道布置10) 设置、调整支吊架11) 设置、调整补偿器12) 评定管道应力13) 评定设备接口受力14) 编制设计文件15) 施工现场技术服务5. 工程规定1) 适用范围2) 概述3) 设计采用的标准、规范及版本4) 温度、压力等计算条件的确定5) 分析中需要考虑的荷载及计算方法6) 应用的计算软件7) 需要进行详细应力分析的管道类别8) 管道应力的安全评定条件9) 机器设备的允许受力条件（或遵循的标准）10)防止法兰泄漏的条件11)膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求12)业主的特殊要求13)计算中的专门问题（如摩擦力、冷紧等的处理方法）14)不同专业间的接口关系15)环境设计荷载16)其它要求第二章压力管道柔性设计1. 管道的基础条件包括：介质温度压力管径壁厚材质荷载端点位移等。
储罐与管道强度设计
1、载荷的分类。
1）.永久荷载2）.可变荷载3）.偶然荷载2、厚壁管道和薄壁管道的选择。
（如果D/错误!未找到引用源。
<20则按厚壁管考虑，油气管道多用薄壁管道考虑。
）3、管道许用应力的计算。
错误!未找到引用源。
=K错误!未找到引用源。
（K、强度设计系数。
错误!未找到引用源。
、焊缝系数错误!未找到引用源。
钢管的最低屈服强度。
）4、地下管道产生轴向应力的原因：1）温度变化2）环向应力的泊松效应。
5、支墩受力平衡的校核条件：T错误!未找到引用源。
K错误!未找到引用源。
P(K安全系数错误!未找到引用源。
P管道作用在支墩上的推力T支墩受到的土壤阻力)6、当错误!未找到引用源。
时弯管在内压作用下环向应力最小，当错误!未找到引用源。
时弯管在内压作用下环向应力的最大。
在弯曲的外缘为轴向拉应力，而在弯曲的内缘为轴向压应力。
7、什么是简单管道弯曲，弹性管道弯曲的最小半径：指埋在土壤中的管道相对于土壤既不能做轴向移动也不能做横向移动。
错误!未找到引用源。
=错误!未找到引用源。
8、弯管和直管的应力有什么区别壁厚有什么区别：1）弯管应力分布式不均匀的，最大应力一般高于直管的最大应力。
2）弯管和直管一样，内环向应力的决定壁厚再用轴向应力校核。
9、管道的跨度计算，何种情况用刚度计算，何种情况用强度计算：对于输油和输气管道用强度条件决定跨度即可，对于蒸汽管道和其他对挠度有特殊限制要求的管道，应同时按强度条件和刚度条件计算跨度选数值较小者。
10、应力增强系数：指弯管在弯矩作用下的最大弯曲应力和直管受同样弯矩是的最大弯曲应力的比之。
11、埋地管道在地下所处的位置：一般情况下管顶覆土厚度1~1.2m，热油管道深取1.2m穿越铁路和公路时管顶距铁轨底不小于1.3m，距公路不小于1m。
12、固定支墩的的作用：可视为把过渡段缩减至零的措施，作用是限制管道的热伸长量。
13:管道补强的规定1：在主管上直接开孔焊接支管：当支管外径小于0.5倍主管外径时，可采用补强圈进行局部补强，也可增加主管和支管壁厚进行整体补强。
石油化工管道设计的应力分析与柔性设计
石油化工管道设计的应力分析与柔性设计作者：崔广东来源：《中国石油和化工标准与质量》2013年第16期【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。
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2020年7月17日星期五
（1） 浮顶油罐
• 罐顶浮在油面上，随油品的收发上下浮动 ，浮顶与罐内壁之间的环行空间有可上下 移动密封装置。
• 优点：
– 不存在气体空间，减少了油品的蒸发。 – 罐顶的自重受储液支持，受力状况良好。
2万m3的浮顶油罐
最大储罐24万m3 ，国内80年代建造了4座10 m3罐。
JIS B8501
标准风速取70m/s，距地面15m。
5.2.3 加强圈的设计和计算
• 抗风圈以下的罐壁，仍有可能被吹扁 ，需设置加强圈。
• 风压失稳由不均匀分布外压造成，和 均匀外压失稳的临界压力相比，低 13.6%。罐壁失稳按均匀外压考虑。
t — 最小板厚，mm； w — 储液密度，g/ml（取值不得小于1）； H — 由该段壁板的下端至设计液位的高度，m； D — 储罐内直径，m； S — 设计许用应力，MPa； P — 设计压力，mbar(对无压储罐可忽略不计)
； C — 腐蚀裕量，mm；
4、美国API650标准（变设计点法）Leabharlann 底圈罐壁板计算厚度罐壁受力图
由于罐壁厚度较小，可忽略弯曲应力，按薄膜理论考虑 。
应力
壁厚
确定罐壁厚度需要考虑的因素
• 每层罐壁板的厚度不同； • 每层罐壁板中的应力分布不均匀：
–定点法：罐壁中最大应力发生在距下端 300mm（1英尺）处；
–变点法：按罐壁板中的最大应力考虑；
• 焊缝系数； • 腐蚀裕量。
罐体 结构 示意 图
2、日本JIS B8501标准（定点法）
t — 最小板厚，mm； ρ — 储液比重（当小于1时，取1）； H — 由该段壁板的下端至设计液位的高度，m； D — 储罐内直径，m； fm— 母材的许用应力，MPa ； Φ — 焊缝效率，一般取1.0，其中第一层取0.85
； C — 腐蚀裕量，mm。
3、英国BS2654标准定点法计算
海（岛）上
0.84 1.00 1.10 1.18 1.29 1.37
5.2.2 抗风圈的设计和计算
• 抗风圈设置在油罐的顶部，通常位于包 边角钢以下1m位置。
• 抗风圈的外形可以是圆的，也可以是多 边形的。
• 抗风圈是由钢板和型钢拼装成的组合断 面结构。
• 抗风圈的刚度由截面系数确定。
结构——抗风圈的扶梯穿过孔
区的最大地震烈度下不产生破坏。 • 基础稳固：油罐基础在整个使用期间的不均匀
沉陷要在允许的范围内。
5.1 立式油罐的罐壁强度设计
• 罐壁圈板由多块钢板对接焊成，各圈罐壁的纵 缝应错开，其间距不小于500mm；
• 罐壁相邻上下圈板的连接可采用：
–（a）套筒式；（b）对接式；（c）混合式；
罐壁承受的储液静压力
• 大型化的优点：
– 节省钢材； – 减少投资； – 占地面积小； – 便于操作管理； – 节省管线及配件。
对油罐的基本要求
• 强度要求：卸载后，不应留下塑性变形。 • 抗断裂的能力：无论在水压试验或操作条件下
，油罐不得产生断裂。 • 抗风的能力：在建造及使用期间，在建罐地区
的最大风荷下不产生破坏。 • 抗地震能力：要求在整个使用期间，在建罐地
下节点及罐壁的变形分布图
5.1.1 确定罐壁厚度的几种标准
• 中国SH3046标准（定点法） • 日本JIS B8501标准（定点法） • 英国BS2654标准（定点法） • 美国API650标准（变设计点法）
1、中国SH3046标准（定点法）
t1 — 储存预定介质时的设计厚度，mm； ρ — 储液密度，kg/m3； H — 计算的罐壁板底边至设计储液高度的距离，m； D — 储罐内直径，m； [σ] — 常温下罐壁钢板的许用应力，MPa； Φ — 焊缝系数，一般取0.9； C1 — 钢板厚度负偏差，mm； C2 — 腐蚀裕量，mm；
SH3046
WZ——截面模数
D——油罐内径； H——罐顶高度；
基本风压值取700Pa，距地面15m。
假设迎风面风压分布范围所对应的抗风圈区段为两端饺 支的圆拱，沿拱铀线的风呈正弦曲线分布，圆拱所对应 的圆心角为60度，并假设罐壁上半部分的迎风面风压由 抗风圈承担
API650和BS2564 标准风速取45m/s，距地面9m。
• 迎风面上大约 600范围受压， 其它部分是吸 力。
风压根据风速计算
• 标准风速以一般平坦地区，离地面10m高，30 年一遇的10分钟平均最大风速为依据。
对于敞口油罐，设计风压按下式计算
风压高度变化系数
离地面或海面高度，m
5 10 15 20 30 40
陆上
0.78 1.00 1.15 1.25 1.41 1.54
壁厚比较
四种标准计算的罐壁总重量比较（ kg）
罐壁的开孔补强
• 由于使用要求，必须在罐壁上开孔并接管 ；
• 开孔后的罐壁将在孔的附近产生应力集中 ，导致孔口疲劳破坏或脆性裂口，使孔口 撕裂；
• 补强的办法是在开孔的周围焊上补强钢板 ，增大开孔周围的壁厚；
• “等截面”补强方法。
补强板形状
开孔直径不超 过250mm
开孔直径超 过250mm
5.2 立式钢油罐的抗风设计
• 油罐的抗风设计和计算很重要，国内外均 发生过在风力作用下罐壁产生局部失稳的 现象；
• 抗风设计的主要措施是在罐顶加设抗风圈 ，对大型油罐，除抗风圈外，在抗风圈的 下面还需加设一圈或数圈加强圈。
5.2.1 风载荷的分布和计算
• 正对着风的一 点称为驻点， 驻点的风压值 最高；
两者之中取最小值
各圈壁厚的变点计算法
hi-1——计算圈的下面一圈的圈板高，m； r——油罐半径，m； ti——所需计算的第i圈的罐壁计算厚度，mm； tai——根据变点位置求得的第i圈的壁厚值，mm
。
变点法到计算圈板底边的距离
式中
三式之中取最小值
变点法需反复试算迭代，计算工作量大
四种标准计算结果的比较（10万方罐）
（2） 拱顶油罐
• 罐顶为球面的一 部分，由 4~6mm的薄钢 板和加强筋组成 ；
• 优点：施工容易 ，造价低；
• 缺点：中间无支 撑，罐顶直径受 到限制；
（3）内浮顶油罐
拱顶与浮顶的结合，储存贵重油品。
（4）锥顶油罐
• 顶部为自支承式、梁柱式等。
（5）悬链式油罐
也称无力矩油罐。
油罐的发展趋势——大型化