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 PipingAPI610 Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas IndustriesAPI617 Centrifugal Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Service IndustriesAPI661 Air-Cooled Heat Exhangers for General Refinery Service NEMA SM23 Steam Turbines for Mechanical Drive Service3 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)23416GG 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。