管道应力分析设计技术规定.doc

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1、管道应力分析设计技术规定管道应力分析设计技术规定1. 总则1.1 概述 1.1.1 管道应力计算主要验算管道在内压、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二次应力，以判明所计算的管道是否安全、经济、合理；计算管道由于热胀、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，以判明是否在设备所能安全承受的范围之内。1.2 范围1.2.1 下列范围的管道必须通过计算机计算：（1） 管径大于等于 DN150，且设计温度大于等于 230或低于-20的所有管线。（2） 设计温度大于等于 340的所有管线。（3） 管径大于等于 DN100，且操作温度大于等于 230或低于-

2、20的所有泵的进出口管线。（4） 汽轮机进、进口连接的管道。（5） 离心压缩机进、出口连接的管道。（6） 往复压缩机进、出口连接的管道。（7） 有关规范中规定要进行应力计算的管道。1.2.2 下列范围内（除 1.2.1 条规定之外）的管道一般应通过目测、手工简易计算进行应力分析，在判断困难时，仍应通过计算机计算：（1） 管径大于、等于 DN400 的管道。（2） 连接到压力容器的重要管道。（3） 所有由工艺专业提出的重要管道和内部绝热管道。（4） 所有铝及铝合金的管道。（5） 管道支撑点或与管道相连的设备、建构筑物基础可能过度下沉的管道。（6） 夹套管。（7） 管道应力分析人员选定的管线。（8

3、）安全阀放散管。1.2.3 下列管道可不再进行应力计算（1） 与运行良好的管道柔性相同或基本相当的管道。（2） 和已分析的管道比较，确认有足够柔性的管道。2. 设计条件和设计标准2.1 设计条件2.1.1 管道应力计算空视草图由配管人员绘制后提交给管道应力计算人员。格式见附件 5.1。2.1.2 管道应力计算必须具备的基础数据（1） 管道计算压力（a） 一条管道的计算压力不应小于在操作中可能遇到内压或外压与温度相偶合时的最严格情况下的压力（即确定的设计压力） 。（b） 如果管系与其压力泄放装置之间的通路可能被堵塞或隔离，则此管系应按不低于在上述情况下可能产生的最大压力计算。（c） 管道计算压力

4、不应小于选定的事故压力或最大操作压力。所谓事故压力是指在操作中可能遇到的压力与温度相偶合时的最严格情况下的压力。而操作压力则为系统处在正常操作情况下的压力。（2） 管道计算温度设计温度应不低于操作过程中压力和温度相偶合时的最严格情况下的材料温度。不同金属管道计算温度取法如下：（a） 不绝热的金属管道 流体温度在 38以下时，取流体温度； 流体温度在 38或以上时，取试验或传热计算确定的平均壁温。（b） 外部绝热的金属管道 取计算、预先试验或根据测量所得的操作经验证明可以使用的温度。 取流体温度。 凡是采用伴管、夹套加热，在确定计算温度时应把这种加热影响考虑在内。（c） 内部绝热衬里的金属管道，

5、取传热计算或试验所得的金属温度。（d） 在确定计算温度时，应同时考虑使用柔性温度。（e） 管道设计安装温度，当工艺系统专业未特别提出数据时，均采用 20。2.2 设计标准2.2.1 国外材料采用美国国家化工厂和炼油厂管道 （ASME B31.3）标准。2.2.2 国内材料采用 GB503162000工业金属管道设计规范 。3. 管道应力分析程序及其方法3.1 管道应力分析程序目前，我院的管道应力计算程序主要有两种，一种是从美国COADE 公司引进的 CAESARII 程序，另一种是我院自行开发的等值刚度法计算程序。这里主要介绍 CAESAR管道应力分析程序。该程序是进行管道静力分析和动力分析的

6、专有程序，功能相当齐全，可在微机上运算。该程序不仅可计算管道由内压、自重、热膨胀和端点位移等荷载所产生的应力和各点位移，还可考虑管道的非线性约束，例如管道与支架之间的摩擦力，限位支架的间隙等。可计算有波形补偿器的管道，计算管道与设备连接的管嘴柔性和设备管嘴处的局部应力。可把管架与管道作为一个整体进行应力分析和对法兰连接进行泄漏的分析验算等。该程序还具有灵活的荷载组合和图形显示功能。程序还可按指定的各种国际通用规范进行计算。CAESAR程序虽然可考虑摩擦力，但计算时要经过多次循环，有时形成死循环计算不出结果，此时需要人工考虑。在转动设备附近有时设置限位支架或固定支架以阻止管道传来的推力作用在转动

7、设备上。在程序中往往假设此支架的刚度非常大。如果支架的实际刚度小，受力后有较大的变形，转动设备仍可能受力很大。CAESAR程序为线弹性分析程序，程序中往往未考虑应力松弛和应力自平衡，因此程序给出的固定点推力可能比实际的推力大。3.2 管道应力分析方法管道应力分析一般采用计算机程序进行分析，对于一些简单的管线可采用手工计算的方法，这里主要介绍 CAESAR程序的操作方法。3.2.1 使用 CAESAR前的准备工作（1） 准备尺寸齐全的管网计算模型简图。（2） 进行节点 NODE 和单元 Element 编号。（3） 准备各管道，管件的有关尺寸和材质特性参数。（4） 确定边界条件：各部件的约束条件

8、。3.2.2 上机使用 CAESAR软件（1） 主菜单CAESAR Version 3.191. Input 数据输入A. Structural Input 结构输入2. Statics 静力分析B. Buried Pipe Input 埋地管输入3. Dynamics 动力分析C. WRC297,SIFS,Flanges 应力加强，法兰4. Output 输入D. WRC1075. Files/Jobnane 文件/工作名E. Rotating Equipment 转动设备6. Jobname 工作名F. 2-D Plotting 2D 绘图7. Utilities 工具G. AISC Un

9、ity Checks AISC 检查8. Exit DOS 退到 DOSH.Change Units 改变单位9. Configure-Setup 配置-设置I. ASCII Editor 文本编辑J.System Check 系统检查Option-6（2） 数据输入通过选项 5 或选项 6 选择工作名和建立工作名，再选择选项 1 即进入数据输入屏。FROM NODETO NODERESTRAINTS (Y/N)DISPLACEMENTS (Y/N)DXDYDZFORCES/MOMENTS(Y/N)UNIFORM LOADS (Y/N)WIND LOADS (Y/N)OFFSETS (Y/N)

10、DIAMETERWT/SCHALLOW.STRESS (Y/N)SIFs Mcy垂直于 y 轴平面内的合力矩分量，kgfm；Mcz垂直于 z 轴平面内的合力矩分量，kgfm；Fcx所有接管上的合力在 x 轴上的分量，kgf；Fcy所有接管上的合力在 y 轴上的分量，kgf；Fcz所有接管上的合力在 z 轴上的分量，kgf；i 下标，指某一根接管。求作用于基准点的合力和合力矩：Mc= M2cx+M2cy+M2czFc= F2cx+F2cy+F2cz式中：Mc所有接管上的管端推力和力矩合成到基准点上的合力矩，kgfm；Fc所有接管上的管端推力合成到基准点上的合力，kgf。（c） 在图 41 中，合

11、成了的力和力矩必须符合下列要求：2Fc+3.28Mc44.64Dc式中：Dc当量直径，cm。各接管截面之和令 DH= ， cm；0.785当 DH22.5cm 时，取 Dc=DH，cm；45+DH当 DH22.5cm 时，取 Dc= ,cm。3（4） 图 41 中合力和合力矩的分量必须符合下列要求：Fcx8.93DcMcx13.58DcFcy22.33DcMcy6.79DcFcz17.86DcMcz6.79Dc4.3.2 作用于泵接管上的管端载荷与泵连接的管端推力和力矩，可按表 41 的要求进行校核。表41 适用范围如下：（1） 钢体泵或合金钢体泵。（2） 泵接管公称直径不得大于 300mm。

12、泵管口管端载荷的限制范围 表 41泵接管公称直径 DN,mm力 kgf 或力矩 kgfm5070100150200250300每个顶部接管,kgfFxFy（压力力）Fy（拉伸力）Fz72904558108135679014418090117252315157207383495238315540675337450675810414540每个侧面接管,kgfFxFyFx72589010890135144117180225207315283315495540450675675540810每个端面(轴向)接管,kgfFxFyFx9058721359010818011714431520725249531

13、5383675450540810540675每个接管力矩，kgf-mMx46359571132100230175351256500378608457MyMx234768117175243297表 41 的说明：（1） 表中 F 表示力，单位为公斤力；M 表示力矩，单位为公斤力米。下标 x 表示水平方向（平行于泵轴中心线） ，下标 y 表示垂直方向（平行于垂直轴） ，下标 z 表示水平方向（垂直于泵轴的中心线） 。（2） 对于汽轮机驱动的立式泵和管道泵，采用对侧面管口的值；对于电动机驱动的方式泵和管道泵，为侧面管口数值的 2 倍。（3） 在计算对于任何点的力矩总和时，必须将力 F 乘上各自的力臂再加上力矩 M，得出总的力矩。（4） 这些值仅供一般指导之用，对于特殊的使用条件，由买卖双方之间谈判确定。4.3.3 附加说明上面对蒸汽透平、透平压缩机和泵所能承受的管端载荷作了规定，这些规定的范围和数值为最低限度的要求。在校核过程中，这些运转设备的买方和卖方可以通过协商，在制造厂同意的前提下，亦可以将本规定的限制范围放宽。5. 附件5.1 应力空视草图5.2 管道应力计算数据表