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管道应力分析和计算


新生培训教材?

管道应力分析和计算

(机务专业篇)

国核电规划设计研究院机械部
二零一零年十一月 北京

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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

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概述

1.1 管道应力计算的主要工作 火力发电厂管道(以下简称管道)应力计算的主要工作是验算管 道在内压、自重和其他外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩 及位移受约束时所产生的二次应力; 判断计算管道的安全性、 经济性、 合理性, 以及管道对设备产生的推力和力矩应在设备所能安全承受的 范围内。 管道的热胀应力应按冷、热态的应力范围验算。管道对设备的推 力和力矩应按冷状态下和工作状态下可能出现的最大值分别进行验 算。 1.2 管道应力计算常用的规范、标准 (1)DL/T 5366-2006 火力发电厂汽水管道应力计算技术规程 及其勘误 (2)ASME B 31.1-2007 动力管道 (3 ) DL/T 5054-1996 火力发电厂汽水管道设计技术规定 在一般情况下,对国内工程采用 DL/T 5366 进行管道应力验算。 对涉外工程或用户有要求时,可采用 B 31.1 进行管道应力验算。 1.5.3 应力 在外力作用下,构件发生变形,这说明构件材料内部在外力作用 下变形时原子间的相对位置产生了改变,同时原子间的相互作用力 (吸引力与排斥力)也发生了改变。这种力的改变量称为内力。 内力是沿整个断面连续分布的, 单位面积上的内力强度, 即应力, 以“σ”表示。

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1.5.4 应变与弹性模量 (1)应变:构件或物体受外力(荷载)作用下将产生变形,为 表明变形的程度,需计算单位长度内的变形,即应变,以“ε”表示。 (2)弹性模量:弹性模量 E,代表材料在受到拉伸(或压缩) 作用时对弹性变形的抵抗能力。当杆件长度、断面积、外力以及温度 均相同的条件下,E 的数值越大,杆件的轴向伸长(变形)越小。因 此,E 也可说是衡量材料刚度的指标。 在弹性范围内,应力=弹性模数×应变,即σ=E·ε。 (3)泊松比:在弹性范围内,横向线应变与轴向线应变之比为 一常数,此常数的绝对值称为泊松比,以“ υ ”表示。 泊松比的数值,对汽水管道常用的钢材,由试验得出,在弹性状 态下约在 0.25 至 0.35 之间,在实用计算中取为 0.3。但是,它随着钢 材塑性变形的发展而增加,对塑性状态下可近似地取为 0.5。 (4)剪切弹性模量:表示材料在线性弹性性态时抵抗剪切变形 的能力。 剪应力与剪应变也服从虎克定律。 剪切弹性模量 G 与弹性模
E ,若取常用管道钢材在弹性 2(1 + υ ) E 。 状态下的泊松比 υ =0.3,则剪切弹性模量 G 将等于 2.6

量 E 和泊松比有以下关系:G=

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1.6 强度指标与塑性指标 钢材的强度特征与变形特征是用一定的强度指标与塑性指标来 衡量的,这两类指标都是表示钢材力学性能(机械性能)的物理量, 它们都可以通过钢材的拉伸试验来得到。

1.6.1 强度极限σb:在拉伸应力-应变曲线上的最大应力点,单位为 MPa。 1.6.2 屈服极限σS:材料在拉伸应力超过弹性范围,开始发生塑性变 形时的应力。 有些材料的拉伸应力-应变曲线并不出现明显的屈服平 台,即不能明确地确定其屈服点。对此种情况,工程上规定取试样产 生 0.2%残余变形的应力值作为条件屈服极限,用σs(0.2%)表示,单位 为 MPa。 1.6.3 持久强度σDt:在给定温度下,使试样经过一定时间发生蠕变

断裂时的应力。在工程上通常采用试样在设计温度下 10 万小时断裂 时的平均值σDt 表示,单位为 MPa。 1.6.4 蠕变极限σDt:在给定温度下和规定的持续时间内,使试样产

生一定蠕变量的应力值。工程上通常采用钢材在设计温度下,经 10
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万小时,蠕变率为 1%时的应力值,单位为 MPa。 1.6.5 延伸率δ:试样在拉伸试验中发生破坏时,产生了百分之几的

塑性伸长量,是衡量钢材拉伸试验时塑性的一个指标。试样的原始长 度,一般选择为试样直径的 5 倍或 10 倍,因此,试样有δ5 和δ10 值, 单位为百分率(%)。 1.6.6 断面收缩率 ψ:断面收缩率表明试样在拉伸试验发生破坏时, 缩颈处所产生的塑性变形率,它是衡量材料塑性的另一指标,单位为 百分率(%)。 1.6.7 冲击功:钢材在进行缺口冲击试验时,消耗在试样上的能量, 称为冲击功,用 Ak 表示,单位为焦耳(J)。消耗在试样单位截面上 的冲击功,即冲击韧性(也称冲击值),用αk 表示,单位为 J/cm2。 1.6.8 硬度:反映材料对局部塑性变形的抗力及材料的耐磨性。硬度 有三种表示方法,即布氏硬度 HB、洛氏硬度 HR 和维氏硬度 HV,其 测定方法和适用范围各异。 1.7 强度理论 常用的材料强度理论有四种,分别是: 1.7.1 第一强度理论-最大拉应力理论,其当量应力为 S=σ1 (式 1.7.1)

它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大拉应力。 亦即不论材 料处于何种应力状态, 只要最大拉应力达到材料单向拉伸断裂时的最 大应力值,材料即发生断裂破坏。 1.7.2 第二强度理论-最大伸长线应变理论,其当量应力为 (σ S=σ1- υ 2+σ3) (式 1.7.2)

它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大伸长线应变。 亦即不 论材料处于何种应力状态, 只要最大伸长线应变达到材料单向拉伸断
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裂时的最大应变值,材料即发生断裂破坏。 1.7.3 第三强度理论-最大剪应力理论,其当量应力为 S=σ1-σ3 (式 1.7.3)

它认为引起材料破坏或失效的主要因素是最大剪应力。 亦即不论 材料处于何种应力状态,只要最大剪应力达到材料屈服极限值,材料 即发生屈服破坏。 1.7.4 第四强度理论-变形能理论,其当量应力为 S=
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(σ1 ? σ2 )2 + (σ2 ? σ3)2 + (σ3 ? σ1)2

(式 1.7.4)

它认为引起材料屈服破坏的主要因素是材料内的变形能。 亦即不 论材料处于何种应力状态, 只要其内部积累的变形能达到材料单向拉 伸屈服时的变形能值,材料即发生屈服破坏。 在管道强度设计中,主要采用最大剪应力强度理论。 1.8 蠕变与应力松弛 蠕变和应力松弛是金属材料在高温下的机械性能。 1.8.1 蠕变是指金属在高温和应力同时作用下,应力保持不变,其非 弹性变形随时间的延长而缓慢增加的现象。高温、应力和时间是蠕变 发生的三要素。应力越大、温度越高,且在高温下停留的时间越长, 则蠕变越甚。

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1.8.2 应力松弛是指高温下工作的金属构件, 在总变形量不变的条件 下,其弹性变形随着时间的延长不断转变成非弹性变形,从而引起金 属中应力逐步下降并趋于一个稳定值的现象。

1.8.3 蠕变和应力松弛两种现象的实质是相同时, 都是高温下随时间 发生的非弹性变形的积累过程。 所不同的是应力松弛是在总变形量一 定的特定条件下一部分弹性变形转化为非弹性变形; 而蠕变则是在恒 定应力长期作用下直接产生非弹性变形。
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1.9 应力分类 对于管道上的应力, 一般分为一次应力、 二次应力和峰值应力三类。 1.9.1 一次应力 一次应力是由压力、重力与其他外力荷载的作用所产生的应力。 它是平衡外力荷载所需的应力,随外力荷载的增加而增加。一次应力 的特点是没有自限性,即当管道内的塑性区域扩展达到极限状态,使 之变成几何可变的机构时,即使外力荷载不再增加,管道仍将产生不 可限制的塑性流动,直至破坏。 一次应力有三种类型:一次一般薄膜应力、一次局部薄膜应力和 一次弯曲应力。 (1)一次一般薄膜应力,是在所研究的截面厚度上均匀分布的, 且等于该截面应力平均值的法向应力(即正应力)的分量。如果这种 应力达到屈服极限时,将引起截面整体屈服,不出现荷载的再分配。 (2)一次局部薄膜应力,是由内压或其它机械荷载产生的,由 于结构不连续或其它特殊情况的影响, 而在管道或附件的局部区域有 所增强的一次薄膜应力。这类应力虽然具有二次应力的一些特征,但 为安全计,通常划为一次应力。 (3)一次弯曲应力,是在所研究的截面上法向应力(即正应力) 从平均值算起的沿厚度方向变化的分量。这种应力达到屈服极限时, 也只引起局部屈服。在应力验算中,通常不单独评价一次弯曲应力强 度。 1.9.2 二次应力 二次应力是由管道变形受约束而产生的应力,它由管道热胀、冷 缩、端点位移等位移荷载的作用而引起。它不直接与外力平衡,而是 为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必需的应力。 二次
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应力的特点是具有自限性, 即局部屈服或小量变形就可以使位移约束 条件或自身变形连续要求得到满足,从而变形不再继续增大。二次应 力引起的是疲劳破坏。 二次应力也有二次薄膜应力和二次弯曲应力两部分。 1.9.3 峰值应力 峰值应力是管道或附件由于局部结构不连续或局部热应力效应 (包括局部应力集中)附加到一次应力或二次应力的增量。它的特点 是不引起显著的变形,而且在短距离内从它的根源衰减,它是一种导 致疲劳裂纹或脆弱破坏的可能原因。 例如, 管道由于温度分布不均匀, 不同膨胀几乎全部被限制,不引起显著变形的局部热应力,以及管道 附件上小半径圆角处,焊缝未焊透处的应力,均属于峰值应力。 1.10 应力分析 应力分析是研究应力和应变的理论。大多数应力分析,都是以结 构的弹性理论为基础的,同时对塑性理论的应用给予充分的重视。采 用比较广泛的应力分析有下面几种。 1.10.1 弹性分析 采用最早的应力分析是弹性分析。 它通常是在不发生屈服的条件 下,利用应力与应变间的线性关系(即虎克定律),计算由荷载引起 的应力变化和挠度变化。按照弹性分析,应力是限定在材料的屈服极 限以内,并留有适当的裕度。 1.10.2 极限分析 极限分析是涉及由于材料屈服而使结构发生塑性流动并达到全 塑性状态时的荷载(或压力)的计算,是一个防止过度变形的准则。 根据一次应力没有自限性的特征,它超过一定的限度,将使管道 变形增加直至破坏。因此,必须防止过度的塑性变形,并为爆破压力
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和蠕变失效留有足够的裕度。对一次应力的限定,采用极限分析。 1.10.3 安定分析 安定性是指不发生塑性变形的连续循环, 如果在少数反复加载之 后,变形稳定下来,并且随后的结构,除蠕变效应以外,表现是弹性 的,或者可以说,管道在有限量塑性变形之后,能安定在弹性状态。 安定分析限制的最大应力范围不超过两倍屈服极限。 安定分析适用于高应变低循环疲劳。为防止交替塑性或增量破 坏,对管道的一次应力加二次应力的验算,采用安定分析。

1.10.4 疲劳分析 在周期性或交变荷载作用下,管道将产生交变应力(或应变), 并且将引起材料疲劳破坏。 管道在使用期间内,要经历冷、热交变的循环,交变次数不象转 动机械设备那样高,管道的疲劳属于高应变低循环疲劳。
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疲劳分析主要是估计峰值应力的影响,限制累积疲劳损伤,确定 使用的应力范围和交变疲劳次数。 管道热胀应力主要是弯曲力矩所产 生的应力,因此,在验算一定交变次数下的许用应力范围时,采取了 管道弯曲疲劳试验的数据,是工程上采用的一种简单的方法。正规的 疲劳分析采用的疲劳曲线都是基于应变疲劳数据由实验测得的, 以求 出在一定循环荷载作用下允许的循环次数。 1.10.5 非弹性分析 随着科学技术的发展, 对于高温蠕变管道的应力分析的研究已开 始应用非弹性分析,有的还采用蠕变-疲劳重迭效应的验算。非弹性 应力分析需要计算管道总的应变,并对管道的平均应变、弯曲应变和 局部应变分别给予不同的限定。

1.3 管道应力分析方法 管道应力分析方法分为静力分析和动力分析。 对于静荷载,例如:管道内压、自重和其他外载以及热胀、冷缩 和其他位移荷载作用的应力计算,采用静力分析法。DL/T 5366 和 ASME B 31.1 规定的应力验算属于静力分析法。同时,它们也用简化 方法计及了地震作用的影响,适用于火力发电厂管道和一般动力管 道。 对于动载荷,例如:往复脉冲载荷、强迫振动载荷、流动瞬态冲 击载荷和地震载荷作用的应力计算采用动力分析法。 核电站管道和地 震烈度在 8 度及以上地区的火力发电厂管道应力计算采用动力分析法。 1.4 管道荷载 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;
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(2)压力荷载:包括内压力和外压力; (3)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)瞬变流动冲击荷载,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)机械振动荷载,如回转设备的简谐振动。 上述荷载根据其作用时间的长短,可以分为恒荷载和活荷载两 类;根据其作用的性质,可以分为静力荷载和动力荷载。由于不同特 征的荷载产生的应力性态及其对破坏的影响不同,因此,在应力分析 与计算中也将采用与之相适应的方法。 1.5 变形与应力 1.5.1 变形 在外力(荷载)作用下,结构的总体或构件的形状和尺寸都会发 生不同程度的变化,这种形状的改变,一般称为变形。 1.5.2 变形的分类 (1)按照变形的性态,可分为弹性变形和塑性变形两大类。 弹性变形:构件或物体在外力作用下产生的变形,外力除去后能 完全恢复其原有形状,不遗留外力作用过的任何痕迹,这种变形叫做 弹性变形。 塑性变形: 构件或物体在外力作用下产生的变形, 当外力除去后, 构件或物体的形状不能复原,即遗留了外力作用下的残余变形,这种
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变形称为塑性变形。 (2)按照变形的形式,可分为轴向拉伸(或压缩)、弯曲、扭 转和剪切变形四种基本形式。 拉(压)变形:这种变形是由一对大小相等、方向相反、作用线 与杆件轴线重合的外力所引起的。在这种外力作用下,杆的长度将伸 长(或缩短)。

弯曲变形: 当杆件承受与它的纵轴线垂直的荷载或纵向轴线平面 内的力偶作用时,杆的纵向轴线由原来的直线变成了弧线,这种变形 称为弯曲变形。

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剪切变形:这种变形是杆件受到一对大小相等、方向相反、作用 线相距很近的外力作用时所产生的。 它的特征是在上述外力作用下杆 的两个外力作用线间的各断面将力的作用方向(垂直于杆件轴线方 向)发生相对错动。

扭转变形:杆件在受到一对大小相等、转向相反、作用面垂直于 杆件轴线的力偶作用时, 使杆件的任意的两个断面绕杆件轴线作相对 的转动,即产生扭转变形。

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管道的柔性分析与计算

2.1 管道的柔性 管道的柔性是反映管道变形难易程度的概念, 表示管道通过自身 变形吸收热胀、冷缩和其它位移变形的能力。 管道必须设计成具有足够的柔性,防止管道因热胀、冷缩、端点 附加位移、管道支撑设置不当等原因造成的下列问题: (1)管道应力过大或材料疲劳引起的管道破坏; (2)管道连接处产生泄漏; (3)管道推力或力矩过大,使与其相连接的设备产生过大的应 力或变形,影响设备正常运行; (4)管道推力或力矩过大引起管道支架破坏。 2.2 管道的热膨胀补偿
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管道设计中应充分重视热膨胀补偿,增大管系的柔性,以减小由 管道热胀、冷缩等位移荷载作用产生的力、力矩和应力。 管道的热膨胀补偿可采用自然补偿和利用补偿器补偿两种方式。 (1) 管道的自然补偿 是利用管道布置自身的长度、 弯曲和扭转产生的变形来吸收管道 的热伸长,以增大管系的柔性。当自补偿无法满足补偿要求时,可设 置补偿器进行补偿。 (2)补偿器补偿 常用的管道补偿器有:П 形补偿器、波形补偿器、套管式补偿器 或球形补偿器。选择补偿器时应注意它适用的压力、温度和补偿量条 件,保证可靠的运行。 2.3 管道柔性分析与计算的主要工作 2.3.1 主要工作 计算管道在热胀、冷缩、端点附加位移和支吊架约束(限位)等 位移荷载作用下产生的力和力矩(含冷、热交替下的力和力矩范围, 下同)。 2.3.2 结果 管道柔性计算得到的力和力矩,做为应力计算的输入,可用于判 断管道对设备的推力和力矩是否在设备所能安全承受的范围内。 柔性计算得到的支吊架荷载和位移作为管道支吊架的设计输入。 2.4 管道柔性分析与计算的基本假定 (1)假定整个管系为弹性体。管道由弹性材料组成,服从虎克 定律。 (2)管系是一个连续的整体,材料的一些物理量,例如应力、 应变、能够用连续函数来描述。
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(3)管道材料的各种物理性质,在各个方向都是相同的。 2.5 冷紧 冷紧是指在安装时使管道产生一个预变形的一种方法。 通过这种 预变形使管道在安装状态下对设备或固定点预先施加一个与操作 (运 行)状态时相反的作用力。 冷紧可以减少管道运行初期的热态应力和管道对于端点或设备 的热态推力,并可减少管系的局部过应变。由于冷紧并不改变热胀应 力范围,所以它不能改善热胀二次应力的校核结果。

冷紧比为冷紧值与全补偿值(安装状态到热状态的总变形值)的 比值。冷紧比的数值在0-1之间,冷紧比为0时表示没有冷紧,冷紧 比为1时表示100%冷紧。 冷紧有效系数是指实际有效的冷紧值与理论冷紧值之比。 考虑到 在实际管道安装过程中理论冷紧值往往难以完全实现, 所以一般将冷
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紧有效系数取为2/3,即对工作状态取2/3,对冷状态仍取1。 2.7 柔性系数与应力增加系数 在求解管系作用力的变形协调方程组时, 通常以直管所在平面内 弯矩作用下的刚度作为计算刚度, 对管系中不同规格的管子和管件都 要换算至同一规格的直管的刚度进行计算。管系中的弯管元件,在弯 矩作用下与直管相比,刚度将降低,即柔性增大,同时应力亦将有所 增加。因此,在计算弯管和其它管件时,要考虑它的柔性系数和应力 增加系数。 2.7.1 柔性系数 弯管的柔性系数表示弯管相对于直管在承受弯矩时柔性增大的 程度。其数值等于在相同变形条件下,按一般弯曲理论求出的弯矩与 考虑弯管截面扁平效应时求出的弯矩之比值。 2.7.2 应力增加系数 i 弯管的应力增加系数是指弯管的最大弯曲应力和直管中受同样 弯矩所产生的最大弯曲应力的比值。 要用理论公式来计算应力增加系 数将十分困难。所以,工程上采用的应力增大系数是通过管件疲劳试 验得出的经验公式来计算。 2.8 作用力和力矩计算的基本方法 管系结构是一种超静定结构。 管道的作用力和力矩计算以弹性理 论为基础,可以采用结构静力学中的方法和位移法。 早在上世纪三十年代和四十年代, 人们就已应用结构力学超静定 结构的方法,求解管系的内力。采用较早而又比较成熟和简便的方法 是弹性中心法。它是一种简化方法,将计算管系当作一根无重量的弹 性线,不考虑管道自重和支吊架的束缚影响。 随着高温高压设备的应用,管道承受的温度和压力越来越高,管
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子直径和壁厚越来越大,管道的自重已不容忽视,而且在布置上往往 需要采用多分支管系或环状管系。因此,仅仅采用简化的方法就不能 适应发展的需要。 为了完成各种复杂管系的计算, 人们直接用超静定结构计算的基 本方法-力法求解,并且考虑管道承受的集中载荷和均布载荷。根据 卡氏定理,一个力的作用点沿此力方向的线位移,等于其变形能对该 力的偏导数,一个力矩作用点沿此力矩方向的角位移,等于其变形能 对该力矩的偏导数, 然后列出由弹性变形能求线位移和角位移的方程 组,并通过变形协调方程求得计算管系端点的作用力和力矩,由此, 成功地应用了变形能微分法。 在上世纪五十年代, 人们开始运用结构分析的矩阵方法来计算管 系,求解管系端点的作用力、力矩和位移。矩阵理论表述简洁,便于 描述多种荷载对复杂管系的作用,也便于利用电子计算机进行计算。 经过二十多年的努力,加上计算机的普及,我们在七十年代末研究应 用了等值刚度法、有限单元法、追赶位移法来计算复杂管系。 到上世纪九十年代,国内计算程序不断完善,同时又引进了国外 的计算软件,都可以进行柔性分析和应力验算。目前在工程上应用的 有很多软件,例如,长沙易优软件有限公司开发的优易管道集成软件 包中的管道应力分析AOTO PSA软件,从美国EBASCO公司引进的 2010管道应力计算程序,由美国COADE公司编制的国际通行的管道 分析软件CAESARII,由英国SUNRISE SYSTEM LIMITED公司开发 的管道分析软件PIPENET等。 2.9 管道对设备的推力和力矩的计算 2.9.1 主要计算工况 (1)按热胀、端点附加位移、有效冷紧、自重和其他持续外载
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及支吊架反力作用的条件,计算管道运行初期工作状态下的力和力 矩。 (2)按冷紧、自重和其他持续外载及支吊架反力作用的条件, 计算管道运行初期冷状态下的力和力矩。 (3)按应变自均衡、自重和其他持续外载及支吊架反力作用的 条件,计算管道应变自均衡后在冷状态下的力和力矩。 2.9.2 计算出的工作状态和冷状态下推力和力矩的最大值应能满足

设备安全承受的要求。当数根管道同设备相连时,管道在工作状态和 冷状态下推力和力矩的最大值, 应按设备和各连接管道可能出现的运 行工况分别计算和进行组合。

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管道的应力验算

3.1 管道的设计参数 管道设计压力(表压)系指管道运行中内部介质的最大持续工作 压力。对于水管道设计压力的取用,应包括水柱静压的影响,当其低 于额定压力的 3%时,可不考虑。 管道设计温度系指管道运行中内部介质的最高工作温度。 管道的设计压力和设计温度应按 DL/T 5366 的规定取用。 3.2 钢材的许用应力 钢材的许用应力, 应根据钢材的有关强度特性取下列三项中的最 小值:
σ 20 / 3 ,σst / 1.5 或 σst ( 0.2%) / 1.5 ,σ tD / 1.5 b

(式3.2-1)

式中:
σ 20 -钢材在20℃时的抗拉强度最小值,MPa; b σst -钢材在设计温度下的屈服极限最小值,MPa;
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σst ( 0.2%) -钢材在设计温度下残余变形为0.2%时的屈服极限最小

值,MPa;
σ tD -钢材在设计温度下的10 h 持久强度平均值,MPa。
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常用钢材的性能按DL/T 5366的附录B。 3.3 管道在内压下的应力验算 3.3.1 管道在工作状态下, 由内压产生的折算应力不得大于钢材在设 计温度下的许用应力,即
σ eq =

p[0.5D 0 ? Y (S ? α ) ] t ≤ [σ ] η(S ? α )

(式3.3.1)

式中: σed-内压折算应力,MPa; P-设计压力,MPa; Do-管子外径,mm; S-管子实测最小壁厚,mm; Y-温度对计算管子壁厚公式的修正系数; Η-许用应力的修正系数; α-考虑腐蚀、磨损和机械强度的附加厚度,mm; [σ]t-钢材在设计温度下的许用应力,MPa。 3.3.2 管道在正常运行工况下允许的变动范围: 如果所计算的压力产 生的环向应力未超过相应温度下最大许用应力的百分比值,压力和 (或)温度波动可以超过设计值: (1)15%,如果在任一时期波动时间不超过8h,且每年不超过 800h。 (2)20%,如果在任一时期波动时间不超过1h,且每年不超过 80h。
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3.4 管道在持续荷载下的应力验算 管道在工作状态下,由持续荷载即内压、自重和其他持续外载产 生的轴向应力之和,必须满足下式(3.4-1)的要求,即:
σL = PD i2 D ?D
2 0 2 i

+ 0.75

iM A t ≤ 1.0[σ] W

(式3.4-1)

式中: σL-管道在工作状态下,由持续荷载,即内压、自重和其他持续 外载所产生的轴向应力之和,MPa; P-设计压力,MPa; D0-管子外径,mm; Di-管子内径,mm; MA-由于自重和其他持续外载作用在管子横截面上的合成力, N.mm; W-管子截面抗弯矩,mm3; [σ]t-钢材在设计温度下的许用应力,MPa; i-应力增强系数,0.75i 不得小于1。 3.5 管道在有偶然荷载作用时的应力验算 管道在工作状态下受到的荷载作用,亦即由内压、自重、其他持 续外载和偶然荷载,包括地震等所产生应力之和,必须满足下式的要 求:
PD i2 iM iM t + 0.75 A + 0.75 B ≤ K[σ ] 2 2 D0 ? Di W W

(式3.5-1)

式中: K-系数,在管道正常允许的运行压力波动的范围内,当所计算 的压力产生的环向应力没有超过附录B中相当温度下最大许用应力的 允许范围,并在任一时期波动时间不超过8h,且全年不超过800h时,
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取K=1.15,当在任一时期波动时间不超过1h,且每年不超过80h时, 取K=1.2; MB-安全阀或释放阀的反座推力,管道内流量和压力的瞬时变 化及地震等产生的偶然荷载作用在管子横截面上的合成力矩 (N.mm)。当地震设防烈度为8度及以上时,应考虑地震对管道的影 响。在验算时,MB中的地震力矩只取用变化范围的一半。地震引起 管道端点位移,如果已在式(3.6.1)中考虑,在式(3.5-1)中就不 必考虑。 其它符号定义同第3.4-1条。 3.6 管系热胀应力范围的验算 3.6.1 管系热胀应力范围必须满足下式的要求:
σE = iM C 20 t t ≤ f 1.2[σ] + 0.2[σ] + [σ] ? σ L W

[

(

)]

(式3.6.1)

式中: [σ]20-钢材在20℃时的许用应力,MPa; MC-按全补偿值和钢材在20℃时的弹性模量计算的,热胀引起 的合成力矩,N.mm; σE-热胀应力范围,MPa; f-应力范围的减小系数。 那么式 (3.6.1) 如果式 (3.5-1) B未计入地震引起的端点位移, 中M 中MC就应计入地震引起的端点位移的力矩。 电厂在预期运行年限内, 系数f与管道全温度周期性的交变次数N 有关。 当N≤2500时,f=1; 当N>2500时,f=4.78N
-0.2


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管道应力分析和计算

3.6.2 如果温度变化的幅度有变动, 可按下式计算当量全温度交变次 数:
N = N E + r15 N 1 + r25 N 2 + ... + rn5 N n

(式 3.6.2)

式中: NE-计算热胀应力范围σE时,用全温度变化ΔTE 的交变次数 N1,N2,…,NN-分别为温度变化较小ΔT1,ΔT2,…,ΔTN的交 变次数; r1,r2,…,rn-分别为比值ΔT1/ΔTE,ΔT2/ΔTE,…,ΔTN/ΔTE。 3.7 力矩和截面抗弯矩的计算 应力验算点处的力矩和截面抗弯矩应按 DL/T5366 算。 3.8 应力增大系数 在持续外载、偶然荷载、热胀和冷缩等弯矩作用下,弯管、三通 等管件上将产生局部的应力集中。因此,在进行应力计算时,要计入 应力增大系数以考虑应力增加的影响。应力增大系数应按 DL/T 5366 附录 C 的规定计算。 3.9 应力分析和计算软件 本节所述是目前国内主要采用的应力分析和计算软件。 3.9.1 Glif Glif 是目前国内电力行业普遍应用的应力分析软件,由东北院开 发,目前我院的有效版本是 V3.1。Glif 是专为电力系统应力分析而开 发的软件,使用简便,在国内已经使用了十多年。Glif 软件开发完成 后,一直未进行有效的更新和维护,目前已经不适用于大型机组主要 管道的计算。 3.9.2 Auto PSA
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8.5 的规定计

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这是由长沙易优软件公司开发研制的管道应力分析软件。 该程序 不限制管系的结构,可计算单分支,树形分支和环形结构管系。考虑 的荷载涉及了内压、自重、外部荷载、热涨、冷缩和端点附加位移、 冷紧、安全阀排放产生的荷载以及静力地震荷载,而且适用于动态分 析,可计算简谐振动、地震、安全阀排汽、水锤等频谱/时程以及脉 冲时程等动态特性。他兼容国内、国际管道应力分析标准,符合国内 电力、石油、化工、热网、工业金属管道设计规范和 ASME B31.1、 B31.3 标准。该软件提供了中、美、德 26 种常用管材和国内外 15 种 弹簧标准数据。 该软件能导出或导入 CAESARⅡ原始数据文件。 适用 于架空和埋地管道设计。该软件已广泛应用于电力、石油、石化、化 工等行业。 3.9.3 CAESARⅡ 这是国际通行的管道应力分析软件,由美国 COADE 公司编制。 它被广泛地应用于石油、 石化、 化工、 电力、 冶金等行业。 CAESARⅡ 是以梁单元模型为基础的有限元分析程序,可以用于分析大型管系, 既能进行静力分析也能进行动力分析。它不但可以根据 ASME B31 系列以及其他国际标准进行应力校核, 还可以按照 WRC、 API、 NEMA 标准进行静设备和动设备的受力校核。它具有丰富的材料库,适用于 架空和埋地管道计算。 3.9.4 PIPENET 这是英国 Sunrise System Limited 公司开发的管道分析软件, 包括 标准分析模块、消防分析模块和瞬态分析模块三个部分。标准分析模 块用于静态管网压力降计算、管径选择、泵选型、流量计算等。消防 分析模块用于消防介质的管网压降计算和分析。 瞬态分析模块是进行 阀门关断和泵实效时的汽锤和水锤分析。 该模块可以计算压力骤增和
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管道应力分析和计算

流量变化, 软件可以自动计算管道弯头之间的动态不平衡和模拟控制 系统的操作运行。该模块被广泛应用于电力机组汽锤分析和石化、化 工储运管道的水锤分析等。 3.9.4 国内研发的其它软件 (1)华东电力设计院引进美国 2010 程序后,开发的 4020 程序。 (2)西北电力设计院开发的组合单元计算程序。 (3)东北电力设计院开发的有限元计算程序。 其中,(1)的 2010 程序可进行动力计算;(2)、(3)均用于 管道应力的静力计算。(2)仅西北院用。

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