压力管道管理—压力管道应力设计技术规定(共20页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上压力管道应力设计技术规定专心-专注-专业前 言本标准是根据压力管道安全管理与监察规定、压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则及中国石油化工集团公司压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则实施细则（试行）的规定编写。本次修订主要增加了防振设计部分，本标准对压力管道的强度计算、柔性设计、防振设计及抗震设计等方面作了规定。本标准由胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司标准化委员会提出并归口。本标准由胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司机械设备室起草并负责解释。 本标准起草人： 高晋 徐松林。本标准首次发布时间 1999-04-23，本标准修订时间 2003-07-10。压力管道应力设计技术规定1 范围 本标准适用于压力管道的强度计算、柔性设计、防振设计及抗震设计。2 引用标准下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB 50316-2000 工业金属管道设计规范SH 3041-2002 石油化工管道柔性设计规范SH 3039-2003 石油化工非埋地管道抗震设计通则SH 3059-2001 石油化工管道设计器材选用通则SH 3073-1995 石油化工企业管道支吊架设计规范JB/T 8130.2-1999 可变弹簧支吊架JB/T 8130.1-1999 恒力弹簧支吊架GB/T 12777-1999 金属波纹管膨胀节通用技术条件SH 3501-2002 石油化工有毒、可燃介质管道工程施工及验收规范SH/T 3014-2002 石油化工企业储运系统泵房设计规范GB150-1998 钢制压力容器3 一般规定3.1 应保证管道在设计条件下，所用管道材料的壁厚能满足强度的需要。3.2 管道的柔性设计应符合 SH 3041的有关规定，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、管道支承或端点的附加位移造成下列问题： a）管道应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏； b）管道连接处泄漏；c）管道的推力及力矩过大，使与其连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行。3.3 管道的防振设计应保证管道在设计条件下有足够的刚性，避免在压力脉动、两相流振动、水锤、安全阀排气、风载荷、地震载荷等情况下产生干扰力作用，而发生强烈振动。3.4 管道的抗震设计3.4.1 地震设防烈度6度至9度地区的石油化工企业非埋地钢制管道的抗震设计，设防烈度应按国家颁布的地震基本烈度或经国家抗震主管部门批准的城市抗震防灾规划的设防区执行。3.4.2 进行抗震设计的管道，其连接或依附的以及其附近的设备、建筑物、构筑物等，必须按有关规范进行相应的抗震设防。3.4.3 按本规定进行管道抗震设计时，尚应符合 SH 3039的有关规定。4 管道强度计算4.1 受内压钢管的强度计算4.1.1 当S0D0/6时式中：S0管子计算厚度，mm；S 管子设计厚度，mm；P 设计压力，MPa；D0管子外径，mm；焊缝系数，对无缝钢管取1；焊接钢管的焊缝系数按下表1取值:表1 管子焊缝系数序号焊接方式接头型式接缝型式检验要求1炉焊（锻焊）对焊直线0.62电阻焊对焊直线或螺旋形0.853电弧焊单面对焊直线形或螺旋形无X射线探伤0.8100%X射线探伤0.9100%X射线探伤1.0双面对焊直线形或螺旋形无X射线探伤0.85100%X射线探伤0.9100%X射线探伤1.0Y 温度修正系数, 按下表2取值：表2 温度修正系数Y材料温度 0C482510538566593621铁素体钢0.40.50.70.70.70.7奥氏体钢0.40.40.40.40.50.7 t管材在设计温度下的许用应力，MPa；C 管子壁厚附加量，mm。4.1.2 对于DO6时或Pt0.385的管子，其壁厚应根据断裂理论、疲劳、热应力及材料特性等因素综合考虑确定。4.2 受外压钢管的强度计算根据GB 150规定的方法确定。4.3 弯管、弯头及斜接弯头、三通、盲板与平板封头、开孔补强等强度计算按 SH 3059有关规定计算。5 管道应力分析5.1 计算条件5.1.1 计算压力 计算压力应根据工艺设计要求确定，并遵守下列规定: a）计算压力不低于正常操作中可能出现的最高压力； b）当管道在不同标准条件下运行时，应取其最苛刻的压力温度组合。5.1.2 计算温度 计算温度应根据工艺设计要求确定，并遵循以下原则： a）对无绝热层管道，介质温度低于38时，取介质温度为计算温度；介质温度等于或高于38时，取介质温度的95%作为计算温度； b）对于有外绝热层管道，除另有计算或经验数据外，应取介质温度作为计算温度； c）对于蒸汽伴热管道、蒸汽夹套管道和需作蒸汽吹扫的管道：介质温度高于蒸汽温度时，取介质温度作为计算温度；介质温度低于蒸汽时，对蒸汽夹套和用蒸汽吹扫的管道，取蒸汽饱和温度，对蒸汽伴热管道取蒸汽饱和温度减去10作为计算温度； d）对于衬里管道应根据计算或经验数据确定计算温度； e）对安全泄压管道，应取排放时可能出现的最高或最低温度作为计算温度； f）进行管道柔性设计时,不仅要考虑正常操作条件下的温度，还应考虑开车、停车、除焦、再生等情况； g）除非另有规定，计算中的安装温度直取20。5.1.3 应力分析所用的钢材弹性模量、线膨胀系数，分别按附录A、附录B选用。5.2 一般规定5.2.l 应力计算软件采用CAESAR II软件。5.2.2 下列管道一般不需要进行计算机应力分析： a）与运行良好的管道柔性相同或基本相同的管道； b）和已分析管道相比较，确认有足够柔性的管道； c）具有同一直径、壁厚、无支管、两端固定、中间无约束并能满足下列公式要求的非剧毒介质管道：208.3式中：D0 管子外径，mm； Y 管子总位移，mm；X、Y、Z分别为管段在X、Y、Z轴方向上的位移，mm； U 管段两固定点间的直线距离，mm； L 管段在两固定点间的展开长度，mm。 上列经验公式不适用于下列管道： 1）在剧烈循环条件下运行，有疲劳危险的管道； 2）大直径薄壁管道（管件应力增强系数i5者）； 3）端点附加位移量占总位移量的大部分的管道； 4）LU2.5的不等腿U形弯管管道，或近似直线的锯齿状管道。5.2.3 下列管道需要进行计算机应力分析： a）进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道； b）进出汽轮机、离心压缩机、离心分离机、鼓风机的工艺管道； c）进出高温反应器的管道； d）设计温度400的管道； e）DN650的管道； f）操作温度t230，DN100的管道； g）DN350的真空管道； h）操作温度 t30的管道； 1）与空冷器连接公称直径DN100的管道； j）夹套管；k）与规定了最大允许接管载荷的工艺设备相连接的管道；l）利用图表或其它简化法初步分析后，表明需要进一步详细分析的管道。5.2.4 下列管道宜进行动力分析： a）进出往复式压缩机和泵的管道； b）进出汽轮机、离心机、分离机的管道； c）形成段塞流的两相流管道。5.2.5 与离心泵连接的管道，可根据设计要求或按图1确定柔性设计方法。图1 离心泵柔性设计方法选择图5.2.6 下列管道需要考虑计算机应力分析： a）进出往复式压缩机和泵的管道； b）直管部分比较长，弯管、弯头少（热胀冷缩较大）的管道； c）所连接的设备管口位移大的管道； d）大管上连接小管的管道； e）厚壁管道（对设备接口载荷比较大）； f）按照SH 3501属于SHA级剧毒介质的管道； g）贵重金属材质的管道； h）有特殊要求的管道； i）长输管道、公用管道、超高压管道。5.3 柔性设计的一般要求5.3.1 在管道柔性设计中，除考虑管道本身热胀冷缩外还应考虑下列管道端点的附加位移： a）加热炉管对加热炉进出管道施加的附加位移； b）塔或其他立式设备产生热膨胀时，对连接管道施加的附加位移； c）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； d）转动设备热膨胀时，在连接管口处产生的附加位移； e）几台设备互为备用时，不操作管道对操作管道的影响； f）不和主管一起分析的支管，应将分支点处主管的位移做为支管端点的附加位移； g）根据需要，应考虑固定架和限位架的刚度影响。5.3.2 确定管道固定点位置时应尽量使两固定点间的管段能自然补偿，即能利用管段的几何形状吸收由热胀冷缩产生的位移。5.3.3 除非由于布置空间限制或其他原因要求，采用U形波形补偿器或其他类型补偿器外，管道应尽量利用改变走向的办法来获得必要的柔性。5.3.4 在剧毒、易燃、可燃介质管道中严禁采用填料函式补偿器。5.3.5 选用U形补偿器时，U形补偿器宜设在两固定点的中部。5.3.6 冷紧5.3.6.1 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。5.3.6.2 对于材料在蠕变条件下（碳钢380以上，低合金钢和高锰钢在420以上）工作的管道进行冷紧时，冷紧比（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，冷紧比宜取0.5。冷紧有效系数，热态取2/3，冷态取1。5.3.6.3 对于连接转动设备的管道，不宜采用冷紧。5.3.7 管架布置应使汽轮机、压缩机接管所承受重量载荷尽量小。5.4 防振设计的一般要求5.4.1 管道的布置及支架设置要在满足柔性设计要求的同时，满足防振设计的要求。5.4.2 在管道防振设计中，要考虑气（液）柱固有频率、管系结构的固有频率、作用在系统上的激振力频率，使其相互错开。5.4.2.1 采用缓冲器或孔板等脉动抑制措施时，要将压力不均匀度控制在允许范围之内。5.4.2.2 进行管道布置要避免出现共振管长。5.4.2.3 管道支架要采用防振支架。5.4.3 防振支架5.4.3.1 振动管道的支架应采用防振管卡，不能只是简单支承。5.4.2 振动管道的支架间距应经过振动分析后确定。5.4.3.3 振动管道的支架结构和支架的生根部分应有足够的刚度。5.4.3.4 振动管道的支架宜设独立基础，尽量避免生根在厂房的梁柱上。5.4.3.5 当振动管道内介质温度较高，产生热胀时，应满足柔性分析的要求。5.4.3.6 振动管道的支架应尽量沿地面设置。5.4.4 减振装置和阻尼装置5.4.4.1 减振装置应承受管道振动力而不承受管道的重力，最大防振力不应小于工程设计的要求值，并设可调结构。 5.4.4.2 减振装置最大行程应根据对其防振力调节量和管道位移等因素确定。5.4.4.3 阻尼装置不应约束管道的热胀和冷缩，不承受管道的重力。5.4.4.4 阻尼装置应承受管道动力分析所要求的瞬态最大动力载荷，在该工况下具有高阻尼特性。5.4.4.5 液压式阻尼装置内的工作介质宜为阻燃油。5.4.4.6 阻尼装置有效行程应大于因管道位移引起的阻尼装置的轴向位移值。5.5 评定标准5.5.1 许用应力与许用应力范围5.5.1.1 钢管的许用应力按附录 C取值。5.5.1.2 管道由内压、持续外载荷产生的一次应力不得大于钢材计算温度下的基本许用应力。5.5.1.3 管道由于热胀、冷缩和其他位移受约束而产生的二次应力不得大于按下式计算的许用应力范围：r=f（1.2520+ 0.25t）式中：r 管材许用应力范围，MPa； 20管材在 20时的基本许用应力，MPa； t 管材在计算温度下的基本许用应力，MPa； f 在预计寿命内，考虑循环次数影响的许用应力范围减小系数；按表3取值。表3 减小系数f值循环次数 Nf70001.07000140000.914000220000.822000450000.7450000.60.55.5.1.4 若所计算的应力范围不能满足5.4.1.3的要求，且内压和外部持续荷载产生的一次应力低于t时，允许把t剩余部分加在许用应力范围中，以扩大二次应力的许用范围。此时，许用应力范围应按下式计算：r = 1.25f( 20 + t)- L式中：L 由内压及持续外载产生的纵向应力，MPa。5.5.1.5 对于开停车、放空、蒸汽吹扫等短时操作条件，可按下列规定提高许用应力： a）当一次超载持续时间不超过10小时，每年累计不超过100小时，许用应力及许用应力范围可提高33； b）当一次超载持续时间不超过50小时。每年累计不超过500小时，许用应力及许用应力范围可提高20。5.5.1.6 对弯头、三通、焊接接头等结合点应考虑柔性系数的应力增强系数，并按附录D计算。5.5.2 位移5.5.2.1 管道的热胀量 如管系为一直管，由常温（20）受热后的轴向膨胀量计算公式为：t=L·tT 式中：t管系的热胀量，cm； T管系的温升， t 线膨胀系数，由20至t的每m温升1的平均线膨胀量，cm/m·； L 管系的长度，m。 管系沿坐标轴X，Y，Z方向上的热胀量按石油化工装置工艺管道安装设计手册的要求计算。5.5.2.2 需保持管道最小间距的管道，应按操作条件校核各管道的位移量。5.5.2.3 管道在支架上滑动的最大允许位移不宜超过滑动管托长度的 40%，否则应将管托长度适当加大。5.5.3 管道作用在设备上的许用载荷5.5.3.1 管道作用在设备(或固定点)上的推力和力矩应按下列原则计算： a）按热胀、端点附加位移，有效冷紧、自重和支吊架反力等条件计算管道运行初期工作状态的力矩和推力； b）按冷紧、自重和支吊架反力等条件计算管道运行初期冷态的推力和力矩。5.5.3.2 当数根管道与同一设备相连时，管道对设备的推力和力矩，应按各连接管道可能出现的运行工况计算管道对设备的综合推力和力矩，然后和设备在各方向的综合允许推力和力矩比较，应使最大推力和力矩均在允许范围内。5.5.3.3 管道对设备的允许推力和力矩应由制造厂提出，当无制造厂数据时，可按下列规定进行核算： a）泵的管端载荷校核按SH 3014的规定； b）管道施加到空冷器接管法兰上的最大允许推力和力矩按表4的推荐值，作用力和力矩的座标方向见图2：图2 冷器力和力矩坐标的方向图表4 空冷器管嘴允许的作用力和力矩公称直径力矩（N.m）力（N）MXMYMZFXFYFZ406895684456674455095163956678906678027140727113351112133510054381454322251780222515014252035108526703337333720020354070149237828900534025027134070169644508900667530033924070203555628900890035040704749237466751112511125 c）施加在往复压缩机和泵接管的最大允许推力和力矩应不大于制造厂提出的允许值的50%； d）加热炉接管的允许推力和力矩应由加热炉专业确定并符合相应标准规范，加热炉炉管的位移必须得到加热炉专业的确认； e）管道施加到压力容器管口上的载荷过大时，应按相应规定由设备专业负责对压力容器作局部应力核算。5.6 管架摩擦力的影响5.6.1 管道要考虑管架外摩擦力的影响。摩擦力的方向与热胀的方向相反，摩擦系数按表5选用。表5 滑动摩擦系数f接触面f钢对钢0.3聚四氯乙烯对不锈钢0.15.6.2 当整个管道用吊杆或弹簧支吊架支承时，可以不考虑摩擦力的影响。5.6.3 应把摩擦推力看作是瞬时荷载，当考虑正常载荷加摩擦载荷时，设备许用推力和力矩应增加50%。5.6.4 管架的摩擦力并不减少热胀的位移和由此产生的热应力。6 管道抗震设计6.1 一般规定6.1.1 管道组成件宜采用钢质制品。6.1.2 管道的连接除特殊需要外应采用焊接。6.1.3 管道的补偿器宜采用无填料式的U形补偿器、波纹型补偿器等。6.1.4 管道与储罐、泵、压缩机等设备的连接应具有一定的柔性。6.1.5 管道穿过建筑物、构筑物时应加套管，间隙处填塞软质不燃材料。管道与混凝土水池嵌固时，应在嵌固处采取措施使管道具有一定的柔性（加柔性接头）6.1.6 自力跨越道路的拱形管道应有防止倾倒的措施。6.1.7 管架上应设有防止管道侧向滑落的措施。6.1.8 铺设在海港码头和引桥管墩上的管道应有防止管道被水浮起、冲落的措施。6.1.9 易燃、易冻介质管道应具备排放条件。6.1.10 沿立式设备敷设的管道应设置适当的管道支架。6.1.11 采用吊架安装的管道，应适当设置导向支架、减振器。6.1.12 重要管道应进行抗震验算，应进行抗震验算的管道及条件见表6。表6 抗震验算的管道及条件管道分区工艺管道分级公称直径DN地震设防烈度工艺管道SHA8091508.9SHBISHBII20093009800或近似设备直径9热力管道2009 注： 1、SHA级：毒性程度为极度危害介质管道；设计压力大于或等于10MPa的SHB级介质管道。2、SHBI级：毒性程度为高度危害介质管道；设计压力小于10MPa的甲类、乙类可燃气体和甲A类液化烃、甲B类可燃液体介质管道；乙A类可燃液体介质管道。 3、SHBII级：乙 B类可燃液体介质管道；丙类可燃液体介质管道。6.2 抗震验算6.2.1 进行抗震验算时，仅考虑水平方向的地震载荷，并对两个主轴方向分别进行验算。6.2.2 管道水平地震作用按下列公式计算：q=1mg式中：q 管道水平地震作用，N/m； 1 与管系基本自震周期相对应的水平地震影响系数； m 管道每米长度的质量，kg/m； g 重力加速度，ms2；6.2.3 地震荷载属于瞬时荷载，进行管道抗震验算时，地震荷载仅与管道内压、自重、保温层重、介质重等荷载组合有关，不考虑风荷载。6.2.4 管道抗震验算的许用应力取计算温度下管材基本许用应力的133%，但许用应力值不得超过管材在计算温度下的屈服极限。6.2.5 管道中装有波纹管补偿器时，应验算地震对补偿器结构的影响。7 管道应力分析输入输出7.1 管道应力分析输入条件应包括以下内容： a）尺寸完整、标注清楚的管系轴测图； b）准确的温度和压力（包括设计和操作），如管系还需进行事故停车、正常开车等情况下的应力校核，则应提供相应工况的温度和压力； c）确认使用的保温材料，保温厚度； d）对偏离配管材料工程规定的管道外径、壁厚、支管连接形式需加以注明； e）初步确定管道支吊架的位置，确定弹簧支吊架的类型； f）附加值（力、力矩、位移）； g）地震设防烈度，风荷载； h）标出特殊约束点的受力要求； i）动设备的振动类型及频率； j）必要时须附与管系相连的设备简图； k）其他。7.2 应力分析输入条件格式见附录E。7.3 管道应力分析输出应包括以下内容： a）计算版次； b）应力分析结论； c）节点位置清楚的管系应力分析图； d）对于应力校核未通过的管系，输出下列条件： 1）指出危险点位置及其受力、力矩、位移； 2）提出补充或变更输入条件的要求，必要时提出配管建议意见； e）对于应力校校已通过的管系，输出下列条件： 1）特殊约束点的力、力矩、位移； 2）管道支吊架的位置与荷载； 3）弹簧支吊架（包括恒力吊架）与膨胀节、减振器的选用。7.4 最终版输出应附计算书。7.5 应力分析输出条件格式见附录F。附录A 金属材料的弹性模量材 料在下列温度（）下的弹性模量（103 MPa）-196-150-100-2020100150200250300350400450475500550600650700碳素钢（C0.30%）-194192191189186183197173165150133-碳素钢（C0.30%）、碳锰钢-208206203200196190186179170158151-碳钼钢、低铬钼钢（至Cr3Mo）-208206203200198194190186180174170165153138-中铬钼钢（Cr5MoCr9Mo）-191189187185182180176173169165163161156150-奥氏体不锈钢（至Cr25Ni20）210207205199195191187184181177173169164162160155151147143高铬钢（Cr13Cr17）-203201198195191187181175165156153-灰铸铁-929189878481-铝及铝合金7675737169666360-紫铜1161151141111101071061041019996-蒙乃尔合金（Ni67-Cu30）192189186182179175172170168167165161158156154152149-铜镍合金（Cu70-Ni30）160158157154151148145143140136131-附录B 金属材料的平均线膨胀系数值材 料在下列温度与20之间的平均线膨胀系数（10-6/）-196-150-100-50050100150200250300350400450500550600650700碳素钢、碳锰钢、碳铝钢，低铬钼钢（Cr3Mo）-9.8910.3910.7611.1211.5311.8812.2512.5612.9013.2413.5813.9314.2214.4214.62-中铬钼钢（Cr5MoCr9Mo）-9.7710.1610.5210.9111.1511.3911.6611.9012.1512.3812.6312.8613.0513.18-奥氏体不锈钢（Cr18-Ni9至 Cr19Ni14）14.6715.0815.4515.9716.2816.5416.8417.0617.2517.4217.6117.7917.9918.1918.3418.5818.7118.8718.97高铬钢（Cr13Cr17）-8.959.299.599.9410.2010.4510.6710.9611.1911.4111.6111.8111.9712.11-Cr25-Ni20-15.8415.9816.0516.0616.0716.1116.1316.1716.3316.5616.6616.9617.14灰铸铁-10.3910.6810.9711.2611.5511.85-球墨铸铁-9.4810.0810.5510.8911.2611.6611.2612.5012.71-蒙乃尔合金（Monel）Ni67-Cu309.9911.0612.1312.8113.2613.7014.1614.4514.7415.0615.3615.6715.9816.2816.6016.9017.18-铝17.8618.7219.6520.7821.6522.5223.3823.9224.4724.93-青铜15.1315.4315.7616.4116.9717.5318.0718.2218.4118.5518.73-黄铜14.7715.0315.3216.0516.5617.1017.6218.0118.4118.7719.14-铜及铜合金13.9914.9915.7016.0716.6316.9617.2417.4817.7117.8718.18-Cu70Ni3012.0012.6413.3313.9814.4714.9415.4115.6916.02-附录C 常用钢管许用应力钢 号标 准 号使用状态厚度(mm)常温强度指标在下列温度（）下的许用应力（MPa）使用温度下限()注b(MPa)s(MPa)20100150200250300350400425450475500525550575600碳素钢钢管（焊接管）GB/T14980GB/T1379312375235113113113105948677-020GB/T1379312.7390(235)1301301251161049586-20碳素钢钢管（无缝管）10GB9948热扎、正火16330205110110106101928377716961-29正火状态10热扎、正火15335205112112108101928377716961-164033519511211010498897974686661-10GB3087热扎、正火2633319611111010498897974686661-碳素钢钢管（无缝管）20GB/T8163热扎、正火1539024513013013012311010192868361-2016403902351301301251161049586797861-20GB3087热扎、正火1539224513113013012311010192868361-16263922261311301241131019384777561-20GB9948热扎、正火1641024513713713212311010192868361-20G正火1641024513713713212311010192868361-17404102351371321261161049586797861-钢 号标 准 号使用状态厚度(mm)常温强度指标在下列温度（）下的许用应力（MPa）使用温度下限()注b(MPa)s(MPa)20100150200250300350400425450475500525550575600低合金钢钢管（无缝管）16Mn正火15490320163163163159147135126119936643-401640490310163163163153141129119116936643-15MnVGB6479正火12.7510350170170170170166153141129-201740510340170170170170159147135126-09MnD正火164002401331331281191069788-50正火加回火15410205128113108101958983777574727150-20164041019512211010498928679747271696850-12CrMoGB9948正火加回火16410205128113108101958983777574727150-15CrMoGB9948正火加回火16440235