压力管道应力分.pdf

压力 管道应力分析部分第一章任务与职责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PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 f 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PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 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。2.管道的计 算温度 确定管道的计 算温度应 根据 工艺设计 条件 及下列 要求确 定：1)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；2)对于有外 隔热层 管道，除另 有计 算或经验数据 外，应取介质 温度 为计算温度；3)对于夹套 管道应 取内管或 套管介质 温度的 较高者 作为 计算温度；4)对于外 伴热 管道应 根据 具体条件 确定计 算温度；5)对于衬里 管道应 根据 计 算或经验数据确 定计算温度；6)对于安全 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；7)进行管道柔性设计时，不仅 应考虑 正常 操 作条件 下的温度，还应考虑 开车、停车、除焦、再生 及蒸汽吹扫 等 工况。3.管道 安装温度 宜 取 20（除另 有规定 外）。4.管道计 算压力应 取计算温度下 对 应的 操作压力。5.管道 钢材 参数按 石油化工 管道柔性设计规范 SH/T30412002 执行1)钢材 平均 线膨胀 系数可 参照 附录 A选取。2)钢材弹 性 模量可 参照 附 录 B选取。3)计算二次 应力 范围时，管 材的弹性模量 应取安 装温度下 钢材 的弹性模量。6.管道 壁厚 计算PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 1)内压金属 直管的 壁厚根据 SH 3059-2001 石油化工 管道设计 器材选 用通则 确定：当 S0 0.385 时，直管壁厚 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。2）对 于外压 直管的 壁厚PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 应根据 GB 150-1998 钢制 压力 容器规定 的方法 确 定。7.管道 上的荷载管道 上可能承受的 荷载有：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 荷载包括 内压力和外压力；3)位移 荷载，位移 荷载包括 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)机器 振动 荷载，如回转 设备的 振动。8.管道端点的附加位移在管道柔性设计中，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)加热炉管 对加热炉进出 口管道 施加的附加位移；4)储罐 等设备 基础 沉降在 连接管 口 处产生的附加位移；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。9.管道 布置管道的 布置尽量利 用自 然补偿 能力：1)改变管道的 走向，以 增 加整个管道的柔性；PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 2)利用弹簧 支吊架放松约束；3)改变设备 布置。4)对于复杂 管道 可用固定 点将其划分成几 个形 状较为简单 的管 段，如 L 形、形、Z 形 等管段。确 定管道 固定 点位 置时，宜 使两固定 点间的管 段能够自 然补偿。10.宜采 用计 算机 分析 方法进 行详细 柔性设计的管道1)操 作温度大于400 或小于50 的管道；2)进 出加热炉及蒸汽 发生 器的高温管道；3)进 出反应器的高 温管道；4)进 出汽轮 机的蒸汽 管道；5)进 出离心 压缩机、往复式 压缩机 的工艺管道；6)与 离心泵 连接的管道，可根据 设计 要求 或按图 1-1 确定柔性设计 方法；图 1-1与离心泵 连接管道柔性设计方法 的选择7)设备管 口有特殊 受力 要求的其他 管道；8)利 用简化 分析 方法 分析 后，表明 需进一步详细 分析的管道。11.不需 要进 行计 算机 应力分析的管道1)与运行 良好 的管道柔性 相同或基本 相当 的管道；2)和 已分析管道 相 比较，确认有足够柔性的管道；3)对 具有 同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无中间 约束 并能满足式 (1)和 式(2)要求的 非极度危害 或 非高度危害 介质 管道。DoY/(L-U)2 208.3 (1)Y=(X2+Y2+Z2)1/2(2）式中：DO 管道外 径，mm；Y 管道 总 线位移 全补偿 值，mm；PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w x、y、z 分别为 管道 沿坐 标轴 x、y、z 方向的 线位移 全补偿 值，mm；L 管系 在两 固定 点之间 的展开长度，m；U 管系 在两 固定 点之间 的直线距离，m。式(l）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 i 5）：(3)不在这接固定 点方向的端点附加位移量占总 位移 量大部分的管道；(4)L/U2.5的 不等 腿U 形弯管，或近似 直线 的锯齿 状管道。12.管道端点 无附加 角位移 时管道 线位移 全补偿 值 计算当管道端点 无附加 角位移 时，管道 线位移 全补偿 值 应按下列 公式 计算：X=XB-XA-XtABY=YB-YA-YtAB Z=ZB-ZA-ZtAB XtAB=1(XB XA）(T T0）YtAB=1(YB YA）(T T0）ZtAB=1(ZB ZA）(T T0）式中：X、Y、Z 分别为管道 沿坐 标轴 X、Y、Z 方向的线位移 全补偿 值，mm：XA、YA、ZA分别为管道的 始端 A沿坐 标轴 X、Y、Z 方向的附加 线位移，mm；XB、YB、ZB分别为管道的 末端 B沿坐 标轴 X、Y、Z 方向的附加 线位移，mm；XtAB、YtAB、ZtAB 分别为管道 AB沿坐 标轴 X、Y、Z 方向的热伸长值，mm；PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w t 管道 材料在 安装温度与计 算温度 间 的平均 线膨胀 系数，mm/mm；XA、YA、ZA 管道 始端 A的 坐标值，mm；XB、YB、ZB 管道 末端 B的 坐标值，mm；T 管道计 算温度，；T0 管道 安装温度，。13.例题利用 判别式解题有 两种方法：第一 种方法 注意 如 下四点和 上面“”、“”号 的取值。1)假定一个 始端，一个 终端2)始端固定，终 端放开3)热膨胀方 向由始端向终 端4)热伸长 量 取正直第二 种方法 注意 如 下四点。和 SH/T 3041-2002中的公式 一致1)假定一个 始端，一个 终端2)始端固定，终 端放开3)热膨胀方 向由始端向终 端4)建立 坐 标系，端点附加位移和热 伸长 量与坐 标 轴 同向 取“”，与 坐标 轴反向 取“”。上题 计算如下：Y=YBYAYtAB=0 412=16 mmPDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w Y=YBYAYtAB=4(5)(20)=29 mmZ=ZBZAZtAB=2 0(24)=26 mmY=(Y2 Y2 Z2)1/2=(16)2292 2621/2=42.1 mmDOY/(L U)2=159*42.1/(148.4)2=6693.9/31.36=213.45 208.3所以 需要进 行详细 分析，与上面 的计 算结果 不同。这里需 要说明的是，不是计 算 过程错误，而是 新旧 标准管径取 的不一致，新标准为 外径。第三 章 补偿器 的选用首先 应利用改变管道 走向 获得必 要 的柔性，但由于 布置 空间 的限 制或其他 原因也可采 用补偿器获得 柔性。1.补偿器 的形 式压力管道设计中常用的 补偿器 有三种：型补偿器、波 形补偿器、套管式或球形补偿器2.型补偿器 型补偿器 结构 简单、运行 可靠、投资少，在石油化工 管道设计 中广泛 采用。采 用 形管段补偿 时，宜将 其 设置在两 固定 点 中部，为防止管道 横向位移过大，应在 型补偿器 两 侧设置 导向架。3.波形补偿器波形 补偿器，补偿 能力大、占地小，但制 造较为复杂，价格 高，适用于 低压大 直径管道。1)波形补偿器条件(1)比用弯管形 式补偿器 更 为经济时或安装 位置不够时。(2)连接 两个 间距小的设备的管道。其 补偿 能力不够时。(3)为了减少 压降，推力或 振动，在工艺过 程上可行而 且 在经济上合 理时。(4)为了保护 有严格 受力 要 求的设备 嘴子。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 2)波形补偿器 的形 式及适 用条件(1)直管段使用 轴向位移 型；(2)两个方向 位移的 L 形，Z形管 段使用 角型；(3)三个方向 位移的 Z 形管 段使用 万向角型；(4)吸收 平行位移的使用横 向型。3)选用无约束 金属 波纹 管 膨胀节 时应注意 的问题(1)两个固定 支座 之间的管道 中仅能 布置 一个 波纹 管膨胀节；(2)固定 支座必须 具有足够的 强度，以 承受内压推力的作用；(3)对管道 必须进 行严格 地保护，尤其 是靠近 波纹 管膨胀节 的部位应设 置导向架，第一个 导向支架与 膨胀节 的 距离应小于或 等 于 4DN，第二个导向支架与第一个 导向 支架的 距离应小 于或等 于 14DN，以防止管道有弯曲和径向偏移造 成膨胀节 的破坏；4)带约束 的金属 波纹 管膨胀节 的类型带约束 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 点或限位点处，而是由约束 波纹 管膨胀节 用的金属部 件承受。(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、销铀 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 拉杆 问膨胀节本 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PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 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 付和平衡波纹 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 互连拔起来。此种膨胀节 能吸收 轴向位移。拉杆 能约束 波纹 管压力推力。5)波纹 管膨胀节 在施工安 装中应注意 的问题(1)膨胀节 的施工 和安装应与设计 要求相一致；(2)膨胀节 的安装 使用应 严格 按照 产品安装说明书 进行；(3)禁止采用使 膨胀节 变形的 方法 来调整管道的 安 装偏差；(4)固定 支架和 导 向支架 等应严格 按照 设计 图纸进 行施工，需要改动时应 经原分析设计 人员认可；(5)膨胀节 上的箭 头表示介质 流向，应与 实际 介质 流向相 一致，不能 装反；(6)安装铰链 型膨胀节 时，应 按照 施工图进 行，铰链板 方向不能 装错；(7)在管道系统(包括 管道、膨胀节 和支架 等）安装完毕，系统 试压之前，应 将膨胀节 的运输保 护装置 拆除或 松开。按照 国标 GB/T 12777 的规定，运 输保护装置 涂 有黄色 油漆，应 注意不能 将其他部件 随意拆除；(8)对于复式 大拉杆 膨胀节，不能 随意松动大拉杆 上的螺母，更 不能 将大拉杆拆 除；(9)装有膨胀节 的管道，做水 压试验时，应 考虑 设置适当 的临时支架以 承 受额外加 到管道和膨胀节 上的荷载。试验 后应将临时 支架 拆除。3.套 管式或球形补偿器套管 式或球形补偿器 因填料容易松 弛，发生泄漏，在石化企业 中很少采用。在有毒及可燃 介质管道 中严禁采用 填料函式补偿器。4.冷紧1)冷紧PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 冷紧 可降低操 作时 管道 对连接设备或 固定 点的推力和力矩，防止 法兰连接处 弯矩过大而发生泄漏。冷紧 是将 管道的 热应变一部分 集中在冷态，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。当管道 沿坐 标轴 X、y、Z 方向的冷紧 比不同时，每个方向 的冷紧 值应根据 该方向的冷紧 进 行计算。当管道 上有几 个冷紧 口时，沿坐 标轴 X、y、Z 方向的 冷紧 值分别为 各冷紧 口在相 应 坐标轴 方向冷紧 值的 代数和。管道 采用冷紧时，热态冷紧 有效系 数取 2/3，冷态取 1。2)连接 转动 设备的管道 不 应采用冷紧由于 施工误差使得 冷紧 量难于控制，另 一方面，在管道 安 装完成后 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。3)自冷紧如果 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 现象称 为自 冷紧。但冷紧不 改变热胀应力 范围。4)冷紧 比冷紧 比是冷紧 值与 全补偿量 的比值。对于 材料在 阳变温度下 工作 的管道，冷紧 比宜取 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。第四 章支 吊架选用1.管道 跨距管道 基本 跨距的确 定实际 上就是管系 承重支架(或起 承重作 用的支架)的位 置和数量 的确定，也就 是说管系 中承 重支架的位 置和 数量应满足管道 基本 跨距的要求。为了简化 计算，对于 水平连 续敷 设的管道，以三跨连续梁作为 计算模型，并按承 受均布载 荷(指管道自重、介质 重和隔热 材料重之和)分别根据 刚度条件 和强 度条件 计算其最 大允许 跨距，取(Ll和 L2)两者 之间的 小值。(l)刚度条件：Ll=0.039(EtI/q)1/4(装置 内)PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w Ll=0.048(EtI/q)1/4(装置 外)式中L1、L1 装置 内(外)由 刚度条件 决定的 跨距，m；Et 管 材在设计温度下的弹性模量，MPa；I 管子扣 除腐蚀 裕量及 负偏差 后的断面 惯性矩，mm4；q 每米管道的 质量，N/m。（2）强度条件：L2=0.1(tW/q)1/2(不考虑 内压)L2=0.071(tW/q)1/2(考虑 内压)式中 t 管材 在设计温度下的许用应力，MPa；W 管子扣 除腐蚀 裕量及 负偏差 后的抗弯 断面模数，mm3。I 和 W分 别按以下 二式 计算：I=（Do4-Di4）/64 W=（Do4-Di4）/32Do式中 Di 管道内 径，mm；Do 管道外 径，mm。2.管道支 吊架的形 式：管道支 吊架的用 途 为：1)承受管道的重 量荷载(包括 自重、介质 重和 隔热 材科重等)；2)限制管道的位移，阻止管道发生 非预期 方向的位移；3)用来控 制 管道的 振动、摆动或冲击。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 因此，管道支 撑的位 置 确定、支撑型式 的确 定以及管道支 吊架本身的强度设计 也主要是围 绕着上 述支吊架的 三 个功能展开的。根据 管道支 吊架的用 途可以分 为三大类：承重支 吊架刚性支 吊架可调 刚性支 吊架可变弹簧 支 吊架恒力弹簧 支 吊架限制 性支 吊架固定 支架限位支架导向支架防振 支架减振器阻尼 器固定 架限 制了三 个 方向的线位移和 三个方向的角位移；导向架限 制了两个方向的线位移；支托架(或单向 止推架)限制了一个 方 向的线位移。3.承 重支 吊架以支 撑管道自重 及其它 持续 载荷为目 的的支 吊架统 称为承重支 吊架，它主 要用于防止管道因自重 及其它 持续 载 荷（如介质 重、隔热 材料重、雪载荷等）而导致 的管道 强度或 刚度超出 标准要 求。根据 管道 相对于支 撑结构 的空间位 置不同，承重支 吊架 可分为支架和 吊架两大类。支撑件将管道支 撑在它的上 方时，这类支撑件叫 做支架。用可以空 间摆动的支 撑件(吊杆)将管道 吊 在其下 面支撑时，这 类支撑件叫做吊 架。支架和 吊架 都可以完全或部分限 制管道的 向 下位移，但二者 的支 撑效果 有所不同。支架因与支 撑 管道 之间可能 存在摩擦 而使 得 管道的 水平位移受到一 定的阻碍，同时 产生 摩擦 力。支架的 刚度也比 较大，故其稳定性较好。吊架对管道的 约束刚 度相对较小(除竖直方 向外)，也不存在摩擦 力，如果在一根较 长 的管道 中吊架用的 太多，会使管系 不稳定，故在一 条管道 中，一 般不宜均用吊架进 行支 撑。根据 承受管道重 量的 特点不同，承重支 吊架又 分为刚性支 吊架、可调 刚性支 吊架、可变弹簧 支吊 架和 恒力弹簧 支 吊架四 类。1)刚性支 吊 架PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 刚性支 吊架仅限制 管道一个 方向(通常为-Y 方向)的自由度。它 常用于管道 在支撑点无向上垂直 热位移和附加位移的情况下，或用于支 撑点有 较小的向 下位移和附加位移但不会由此 在管系 中造成较大的管系力的情况下。刚 性支 吊架是应用 最多的一 种支吊架。根据 应用 场合 和生根 条件 的不同，常用的 刚性支 吊架系列有 平(弯)管支 托、假管支 托、悬臂 支架、临管支架等。2)可调 刚性支 吊架可调 刚性支 吊架是一 般刚性支 吊架的一 种特殊型式，即 通过旋拧 可调 螺丝，使支 吊架的 高 度在一 定范 围内得到 调整，用于有 少 量竖直方向的热 位移或附加位移的场合。在工作工 况下，当支 撑点有 竖直方 向的热位移或附加位移时，会使管道 脱 离支架(俗称 支架 脱空)而起 不到 支撑作 用，或使支架 被顶死 而产生 较大的管系力，此时应采 用下 面将要 介绍 的弹簧 支吊架。如果支 撑点竖直方向 的热位移或附加位移比较小而且 又位于 容易接近的地方 时，采用可调 刚 性支吊 架比弹簧 支吊 架会更经济、更 方便。3)可变弹簧 支吊架可变 弹簧 支吊 架适 用于支 撑点有 垂直位移、用 刚性支 吊架会脱 空或造成过大 热胀推力的 场合。与 恒力弹簧 支吊架 相比，使用 可变弹簧 支吊架会造成 一定的荷载转移。为防止过大的 荷载转 移，可变弹簧 支 吊架的 荷载变 化 率应控制在 25%以下。当然，有时根据 实际 需要而有 意识地 去分配管系 在 各支撑点的载 荷，即有意 识地给定一个 较大的 安装载荷 而获得 较大的载 荷转移。常用 强型的可变 弹簧 支吊架有支、吊两种，根据 载 荷情况和受力 条件 还可采 用串联 和并联 两种型式。4)恒力弹簧 支吊架恒力 弹簧 支吊架适 用于管道支 撑点 垂直位移 量较大或管系受 为要 求较 苛刻 的场合。通过采 用恒力 弹簧 支吊架，可以避免 管道支 撑点冷态 和热态的受力变 化太大而 导致 管系 本身的应力或相连设备的受力超 标。恒力弹簧 的恒定 度应 小于或 等于 6%，以 保证支吊点发生位移 时，支承力的变 化很小。恒力弹簧 支吊架一 般采用描架型式，且根据 受力情况 可并联使用。如果认 为刚性支 吊 架的 刚 度理论上 为无穷大的 话，那么 恒力 弹簧 支吊架的 刚度理论上 则为零，而 可变弹簧 支 吊架的 刚度介于 二者 之间，它等 于弹簧 产生 单 位变形 所需要的力。4.限位支 吊架以限 制和约束 因热 胀而引起的管系位移为目 的支 吊 架称为限位支 吊架。管系受 热而发生 热 胀时，管系 中的各点将发生位移。在管系 中适 当设置限位支 吊架，可控制支 撑点的位移或 某些方向 的位移，使管系的变形或各点的位移 朝着 有利于保护 敏感 设备或有 利 于热补偿 的方向 进行。根据 对管系 热位移 约束 的方式 不同，限位支 吊架又可 分为固定 支架、导向支架和止推支架三种。1)固定 支架PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 固定 支架 可限制管道支 撑点三个方 向的线位移和 三 个方向的角位移，因此 它常用于管道 上不允许 有任 何位移的 地方。固定 支架一 般同时 又能起 承重作用。常用的 固定 支架 型式 有焊接型管托 和螺拴固定 管托 两种。2)导向支架导向 支架 可限制管道支 撑点两个方 向的线位移，因此常用于引 导管道位移 方向、使管道 能 沿轴向 位移而 不能 横 向位移的情况。当用于 水平情况 时，导 向支架 又同时能 起承重作用。常用的导 向支架 型式 有管 托型导向支架、光管型导向支架、管 卡型导 向支架 等型式。3)止推支架止推支架常 代替固定 支架用于限 制 管道的 轴向位移。根据 限位 方式 的不同，常用的止推支架又分 为+X/+Z 和-X/-Z双向止推支架和+X/+Z 或-X/-Z单向止推支架 两种。常用的止推支架 为单 向止推架，它可限制管道支 撑点一个 方向 的线位移。5.防 振支架专门 用于 控制管道 振动的支 吊架叫 做防振支架。防振支架常用于 控制或缓 解往复式机 泵迸 出口管道或由 地震、风 载荷、水击、安全 阀 排出 反力引起的管道振动场合。应该说，前面所 讲的支 吊架类型中，除吊 架以外，其它 支架 都在某种程度上 起到防振作用，但它们中要么防 振作用的 效果不好，要么会 带来 其它问题(如降低 或限 制了管系的 热补偿 能力)，因此，工程 上对于防 振情况 则给 出了专用支架。常用的防 振支架 主 要有两类，其一是防 振管卡，其二 是 阻尼器。1)防振管卡防振 管卡能有效地 控制管系的 高频率 强迫振动。防振管 卡与固定 支架 不同，它允许 管道有一定的 轴向位移而使管系 不会因热胀 而破坏。防振管卡与一 般的刚性承重支架和 导向支架 不同它对 管道 施加了较 大的 刚度约束(从型式 和 数量上实现)，且 增加了架对管道的 阻尼 作用从 而有效 地阻滞 了管系的 振动。2)阻尼 器阻尼 器与减振支架的 最大区别遮于 它给予 了管系 较 大的自由度，因而 对连 续强迫型高频机械振动 的抑制效果较 差，它常用于 缓解瞬间激振(如主 汽门突 然关闭、泵突 然停车、地震、水锤等)引起的有 阻尼 自由 振 动。工程 上应用的 阻尼 器有油 压式阻尼 器、摩擦 式阻尼 器等。6.目 前工程 上常用的 弹簧 支吊架主 要有两类：即可 变弹簧 支 吊架和 恒力弹簧 支吊 架，而 且已 形成 标准 系列。对应的 国 家标 准为 GB10181恒 力弹簧 支吊架 和 GB10182 可 变 弹簧 支吊架。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 1)可变弹簧 支吊架的 工作 原理可变 弹簧 支吊架的 核心部件是一个 被控制的圆柱 弹簧，当被支撑管道发生 竖向位移 时，会 带动圆柱 弹簧 的控制 板使弹簧 压缩或 被拉长。由虎克 定律可知，此时弹簧 压缩或 伸长 所需要的力(也等于 对管子的作用力)可用下 式表 示：F=k式中F 弹簧 被 压缩或被拉长 量时 所需要的力，N；K 弹簧 刚 度，N/mzm 弹簧 被压缩 或被拉伸的变形 量，mm。弹簧 刚度是一个 只 与弹簧 自身参 数(如弹簧 直径、弹簧材 料等)有关的物理量，一旦弹簧 参 数一定，它是个常 数(在其允许 总变形 量的 30%70%范围内是个常 数)。因此，此时弹簧对 管道的作 用力 则与变形 量成正比。工程 上正是 糊糊 的这 一性 质来进行有 垂直位移的管道支 撑的。对于标 准弹簧 支吊 架来说，弹簧 都是经 过预压缩然后 装入弹簧 箱中的。因 此，对于同样一个变形 量，此 时压缩弹簧 所需耍的力 F 应按下 式计算：F=(1+)k=1k+k=F1 k式中1 弹簧 预 压缩的变形 量，mm F1 弹簧 预压缩时的压 缩力，N；F、k 意义 同前。设 F 为弹簧 支吊 架的 工作 载荷，并用符号 FG表示：设 F1 为弹簧 支吊架的 安装荷载，并 用FA 表示：设 S 为弹簧 在由 安装载荷变为工作 载荷时 的变形 量，并在弹簧 被压缩时取 正号，被拉 伸时取 负号。S在管道支 撑中即为管道支 撑点的 竖直 位移 量，支撑点的 竖直位移 向上 时取正 号，向下时取 负号。可变弹簧 支吊架的 选型公式为：FA=k+FGPDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 2)常用 可变 弹簧 支吊架系列国家 标准 GB1018S共给出了 A、B、C、D、E、F、G七种标准型式，见图所示。A型上 螺纹悬吊型；B型 单耳悬吊型；C型 双耳悬吊型；D型上 调节 搁置型；E型 下调节 搁置型；F型 支撑搁置型；G型 并联悬 吊型。7.可 变弹簧 支吊架的 选用工程 上，一般按热态吊 零的载 荷分配原 则确定弹簧 支 吊架的受力。所谓热 态吊零，是指弹簧支吊 架在热态时承 受的力应 等于冷 态时由管系分 配给 它的力。按这样的原 则确定的弹簧 支 吊架受力使 得整个管系 中各支撑点承 受的自重力 在热 态时比较均匀，但在热 态时管系 中各点的总载 荷会因位移 荷 载的 作用而 不再均 匀甚至 会出现 严重的 不合理现 象，为此，工程 上有时 也采用 冷态吊零的载 荷分配原则。所谓冷态吊 零是指弹簧 支 吊架在冷态时承 受的载 荷取冷 态 时由管系分 配给 它的载 荷。与热态吊零相反，此时在热态情况下管系 各支撑 点承受的自重载 荷已不 在均 匀，而 总 载荷(包括 位移载 荷)则是自 然分 配。为防止 可变弹簧 支 吊架引起管系 在 热态或冷态时有 较大的载 荷转移，工程 上常控制它的载 荷变化 率不超过 25。根据 这一限 制条件，就可以确定弹簧 支吊架的 刚度 k。在确定弹簧 支 吊架的 刚度时应遵守 这样一个 原则：在弹簧 支 吊架能满足管系 热态和冷态的 承载要求而且载 荷变化 率不超过规定 值的情况下，应尽可 能选 用刚度最小(指最小规 格和最小允许 位移 值)的 弹簧。按 这样的原则选 取的弹簧 支吊架，其安 装尺寸 最小，价格 最便宜，而 且实际 的载 荷变 化率最 小。1)串联 可变 弹簧 支吊架的 选用当管系 中某点的 垂 直 位移 量较大 时，从标准弹簧 支吊架表中 可能已选不到 合适的弹簧 支 吊架，即要 么找不到最大 工作 位移 能满足载 荷要求的标 准 系列，要么因刚度 较大而使载 荷变 化率超 出标准要 求，此时 可考虑 采用串联 可变弹簧 支吊 架。弹簧 串联 时，应 选最大载 荷相同 的弹簧，即弹簧 的牌号相 同，以保证每个弹簧 的工作 载荷和 安装载荷都落在 允许 范围内，而 此PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 时每 个弹簧 变形 量则 按其刚度的大 小成反 比分配。2)并联可变 弹簧 支吊架的 选用当管道支 撑点的载 荷超出标准可 变弹簧 支吊架的 最 大允许 载荷时，或 者受支 撑条件(如竖 管支撑)、生 根 条件 等限制不 宜采 用单个可变弹簧 支吊架进行支 撑时，可选 用两个或 两个以 上的可 变弹簧 支吊架 并联支撑。可变弹簧 支吊架并联使用 时，各弹簧 应为同 一型号，以避免 各弹簧 支承力不同 而 导致 管子的倾斜 或偏转。并联时的各 弹簧 变形 量相同，均等于管道 在支 撑点的位移 量。并联后的 弹簧 支吊架总刚 度等于各分弹簧 支吊架的 刚度之和，即 n 个弹簧 支 吊架并 联时其 总刚度 为 k=k1k2 kn，而 各分弹簧 承受的载 荷平均 分配，并等于总 载荷的 1/n。3)可变弹簧 支吊架的 安装要 求可变 弹簧 支吊架在 安装前务必要压缩到要求的安装定 位刻度(与安 装载荷对应的 刻 度值)，并用 定位销进行定 位。设置定 位销的另一个 作用是使 可变 弹簧 支吊架起 暂 时成为一个 刚性支架，可以防止 诸如水压 试验等 非工作工 况下因管道载 荷 临时增加而引起的 不利影响，对于大直径 气体管道 更应 考虑 这个问题。管系 在工作 状态下，有时 也会出现 非预 期的载 荷突然增 加现象，如减压转油线 的 淹塔 现象。淹塔 现象会造成管内 液体的突然骤 增，从而使 其弹簧支吊 架承受的载 荷 也骤然增大，弹簧 支 吊架的变形 量也 将随之增大，使管系 出现较 大的载 荷转移，从而可能造成相 邻支架或设备接 口处的 超载破坏。对于可能出现 上 述现 象的管系，工程上 常在弹簧 支吊 架的附 近设置保 险杆，以控制弹簧 的 最大变形 量，即当 弹簧 支吊架的变形量超 过某一规定 值 时，保险杆将受力而 成为刚性支 撑。可变 弹簧 支吊架的 定位销应在管系 水压试验 之后、装置 开车 升温之前拆 除。8.恒 力弹簧 支吊架当管系 在支撑点的 竖向位移 较大而 选用可变弹簧 会 引起 较大的载 荷转移时，应考虑 选用恒 力弹簧 支吊架。所谓的竖 向位移 较大只是一个 相对概念，关键 要看若 选用可 变弹簧 支吊架时 是否会 引起 较大的载 荷转移，而且较大的载 荷转移能否为 管系自 身强度和 边界 条件 所接受。如果管系的柔性 不好，刚 度较大，那么 既使 在较小的位移 值 情况下，也会引起支 撑点热态和 冷态的载 荷差值较大，此 时为减少 载荷变 化率也宜采 用 恒力弹簧 支吊架。严格说 来，恒力弹簧在其 工作 过程中对 管道支 撑点的力 并不是恒定 不变的，这是因 为弹簧 支架 各运动部件之间 存在摩擦 力，而且各部件 的尺寸、弹簧 的刚 度等都可能存在 制造偏差，这些 因素都会 导致 恒 力弹簧 在其工作 行程范 围内对支撑点的力有 少量的变 化。一般情况下，标准恒 力弹簧 支吊架 在其全 程位移过 程中 的最大和 最小载 荷偏差 应控制在 某个数值范围内，而工程 上常用 恒定 度 这一概 念来评判恒 力 弹簧 的载 荷变化。所 谓恒定 度是 指恒 力弹簧 在其全 行程范 围内的 最大、最小载 荷值之 差与最 大、最小载荷值之 和的 百分比，用 式子表示即 为：D=(Fmax Fmin)/(Fmax+Fmin)X 100%式中D 恒力弹簧 的恒定 度。一般情况下，D应不 大于 6%PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w Fmax 恒力弹簧 在全行程范 围内 出现 的最大载 荷 值，N；Fmin 恒力弹簧 在全行程范 围内 出现 的最小载荷 值，N。1)恒力弹簧 支吊架的 工作 原理当恒 力弹簧 支吊架 承受一个管道载荷矶时，F1将 产生一个 相对于 O点的 转动力矩 M1。M1将拉动 三连杆 AOB向 下转动，同时 三连杆 会带动 B点向 右移动，从而使 弹簧 受到压缩，产生一个弹簧 力 F2。F2 相对于主轴 O点也将产生一个 转动力矩 M2。通过适当的 结构 和力的 平衡 设计，可 以使 两个力矩 M1和 M2始终 保持 平衡，并通过适当 的结构 尺寸 设计，在保 持力矩 平 衡的情况下，只不断 变换位置但大小 不变，即实现对 管道的 恒力支 撑。2)恒力弹簧 支吊架的 选用换句 话说，吊架的 承载 能力与 其结构 设计有 关。因此，支撑 点的管道载 荷 是选择恒力弹簧吊架的 参数之一。根据热 态吊零原则，一 般取管道 荷 载为冷态情况下管系的分配载荷。另 外，受吊 架中各运行部 件的结构 限制，吊点的位移是有限制 的，甚至 它不能 按 运行部 件的最大运行位 置来确定吊 点的位移 范围，因 为运行部 件到达 极限位 置时，会造成较大的 承载 偏差 值。因此，对于一个 结构 参数一定的恒 力弹簧吊 架，它允许 的最大位移 值也 是确定的。或者说，管道 上时最 大位移 量也是确定恒 力 弹簧吊 架的 参数 之一。有 关的标 准已将 常用的 恒力弹簧吊架进 行了系列 化，并对 它进行了编号，每个 编号的吊架其允许 的最大承载和 最大位移 己列 表给出，设计 人员 只要根据 管道支 撑点的载 荷 和位移 查表即 可确定所需要的 恒力弹簧吊 架规 格型号。9.在 管道 中多设弹簧 支吊架更安全 吗？不一 定更安全，因为弹簧 支吊架的 刚度 远低于刚性支 吊 架，所以过 多设置弹簧 支吊架会使管系各 点位移 方向失 去控制，管系 稳 定性较差，易产生 偏斜和振动。10.为什么要在高 耸设