成套06章全2.ppt

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1、1,第六章 管道设计,2,管道设计,6.1 管道设计的基本要求与一般程序 6.2 管道组成件 6.3 装置用管道设计 6.4 管道设计图 6.5 管道应力分析 6.6 管道的振动,3,特种设备监察条例 压力管道，是指利用一定的压力，用于输送气体或液体的管状设备，其范围规定为最大工作压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道。,不按压力管道管理 设备本体所属管道 军事装备、交通工具上和装置中的管道 入户（居民楼、庭院）前的最后一道阀门之后的生活用燃气管道及热力点（不含热力点

2、）之后的热力管道,引言：压力管道介绍,4,工业管道 企业、事业单位所属的用于输送工艺介质的工艺管道、公用工程管道和其他辅助管道。 公用管道 城镇范围内用于公用事业或民用的燃气管道和热力管道。 长输管道 产地、存储库、使用单位间的用于输送商品介质的管道。,压力管道按用途分为三类,5,根据原劳动部调查 240例（其中40例为国外案例）压力管道事故 ，124起发生人员伤亡，共死亡184人，伤296人，直接经济损失三千多万元 1994年3月1日至1995年3月30日 ，8起压力管道重大事故，死亡56人，伤150人 。,1996年4月 压力管道安全与监察规定,管道安全,6,6.1 管道设计的基本要求与一

3、般程序,6.1.1 管道设计的基本要求 6.1.2 管道设计的一般程序,7,6.1.1 管道设计的基本要求,1. 一般要求 2. 防火安全设计 3. 防爆安全设计 4. 其它安全设计 5. 便于检修、运行操作,8,一般要求,满足生产 足够的强度 足够的刚度 ，适当的支撑 柔性分析 动力分析 抵御风载和地震载荷的能力,9,一般要求,1）管道的总体布置 2）管道布置与敷设 3）管道连接与弯管 4）管道与建筑物,10,1）管道的总体布置,管道布置设计应做到安全可靠、经济合理，并满足施工、操作、维修等方面的要求。 对于需长期施工的工程，其管道的布置设计应统一规划，力求做到施工、生产、维修互不影响 永久

4、性的工艺、热力管道不得穿越工厂的发展用地 在确定进出装置（单元）的管道方位与敷设方式时，应做到内外协调 厂区内的全厂性管道的敷设，应与厂区内的装置（单元）、道路、建筑物等协调，避免管道包围装置（单元），减少管道与铁路、道路的交叉,11,2）管道布置与敷设,架空 埋地,12,3）管道连接与弯管,连接：法兰、螺栓连接、焊接。 弯管：,13,4）管道与建筑物,管道穿过建筑物的楼板、房顶或墙面时，应加套管。,14,4）管道与建筑物,布置腐蚀性介质或有毒介质的管道时，应避免由于法兰、楼板和填料密封等泄漏而造成对人身和设备的危害；全厂性管道敷设应有坡度并尽量与地面坡度一致。；对于跨越、穿越厂区内铁路和道路

5、的管道，在其跨越段或穿越段上不得装设阀门、波形补偿器和法兰、螺纹接头等管件,15,防火安全设计,GB500191石油化工企业设计规范 裸露的钢结构耐火极限只有0.25h 发生火灾后的持续时间多数在1h左右 标准规定耐火层的耐火极限不应低于1.5h,16,防爆安全设计,存在可燃气体、易燃液体的蒸汽或薄雾 上述物质与空气混合，其浓度在爆炸极限以内 存在足以点燃爆炸性混合物的火花或高温,GB5005892爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范,17,其它安全设计,经过道路的管道必须有一定的架空高度 人员通行 2.2m 车辆 4.5m 铁路 5.5m,18,19,便于检修、运行操作,泵一般可以布置在管廊的

6、下面 ，且有3.5m的净空高度 管廊在道路上空穿越时，净空高度应为：装置内检修通道不低于4.5m；管廊下的检修通道不低于3m。,20,6.1.2 管道设计的一般程序,初步设计,施工设计,21,初步设计 : 物料和热量衡算等,管径,物料的流量及该物料允许的流速,管子的材料和阀门、法兰等管道附件,介质的物理化学性质、压力等级、工作温度等因素确定,绘制草图,（主要管道）,应力计算,22,施工图设计 绘制详细的管道流程图和设备布置图 管道的平立面布置图 , 重要管道进行应力计算 绘制单管图、管口方位图、蒸汽伴热管系图等 管道安装一览表、综合材料表和油漆一览表等 专业会审。,23,6.2 管道组成件,管

7、子,阀门,其他组成件,24,管子分类表,一、 管子,25,铅管、铝管、钛管,铜管、铝黄铜、铝砷高强度黄铜、铜、镍、蒙乃尔合金、耐蚀耐热镍基合金,铜及铜合金,有色金属管,奥氏体钢管,合金钢,低温用钢管、高温用钢管,低合金钢,普通钢管、高压钢管、高温钢管,碳素钢管,钢管,高级铸铁管、延性铸铁管,铸铁管,铁管,金 属 管,名称,小分类,中分类,大分类,钢塑复合管、铝塑复合管,钢塑复合管,复合管,玻璃管、玻璃衬里管,玻璃陶瓷管,混凝土管,混凝土管,石棉管,石棉管,聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯,塑料管,橡胶软管、橡胶衬里管,橡胶管,非金属管,管子按不同材质分类表,26,二 管件,三通、四通、异径管、弯头

8、、活接头、丝堵等,27,三通,流体分流处或并流处使用三通,28,弯头,29,异径管,异径管用于不同管径的管子连接的管件,30,管法兰,31,三、 阀门,阀门用于启闭、节流及保证管系和设备的安全运行等 选用阀门主要从装置无故障操作和经济二方面考虑 阀门与管子的联接主要有法兰连接、螺纹连接、对焊连接和承插焊连接,32,33,阀门的分类,闸阀 截止阀 节流阀 止回阀 球阀 柱塞阀 蝶阀 隔膜阀 减压阀 疏水阀 安全阀,34,闸阀,主要起启、闭作用，另外具有一定调节流量能力； 闸阀的密封性能较截止阀好，流体阻力小。,35,截止阀,截止阀与闸阀相比，其调节性能好，密封性能差，结构简单，制造维修方便，流体

9、阻力较大，价格便宜。适用于蒸汽等介质，不宜用于粘度大、含有颗粒易沉淀的介质，也不宜作放空阀及低真空系统的阀门。,36,节流阀,调节流量和压力,37,止回阀,止回阀按结构可分为升降式和旋启式两种 升降式止回阀较旋启式止回阀的密封性好，流体阻力大，卧式的宜装在水平管线上，立式的应装在垂直管线上 旋启式止回阀不宜制成小口径阀门。它可装在水平、垂直或倾斜的管线上。如装在垂直管线上，介质流向应由下向上,38,升降式止回阀,39,旋启式止回阀,40,球阀,球阀的结构简单、开关迅速、操作方便、体积小、质量轻、零部件少、流体阻力小、结构比闸阀、截止阀简单。,41,柱塞阀,柱塞与密封圈间采用过盈配合，通过调节阀

10、盖上连接螺栓的压紧力，使密封圈上所产生的径向分力远大于流体的压力，从而保证了密封性，杜绝了外泄漏。柱塞阀是国际上最近发展的新颖结构阀门，具有结构紧凑、启闭灵活、寿命长、维修方便等特点,42,蝶阀,蝶阀与相同公称压力等级的平行式闸阀比较，其尺寸小、质量轻、开闭迅速、具有一定的调节性能，适合制成大口径阀门，用于温度小于80、压力小于1.0MPa的原油、油品及水等介质,43,蝶阀的传动机构,44,隔膜阀,阀的启闭是一块橡胶隔膜，夹于阀体与阀盖之间。隔膜中间突出部分固定在阀杆上，阀杆内衬有橡胶，由于介质不进入阀盖内腔，因此无需填料箱。隔膜阀结构简单，密封性能好，便于维修，流体阻力小，适用于温度小于20

11、0、压力小于1.0MPa的油品、水、酸性介质和含有悬浮物的介质，不适用于有机溶剂和强氧化剂的介质,45,隔膜阀,46,减压阀,减压阀是通过启闭件的节流，将进口的高压介质降低到某个需要的出口压力，在进口压力及流量变动时，能自动保持出口压力基本不变的自动阀门,47,疏水阀,疏水阀（也称阻汽排水阀，疏水器）的作用是自动排泄蒸汽管道和设备中不断产生的凝结水、空气及其他不可凝性气体，又同时阻止蒸汽的逸出 。它是保证各种加热工艺设备所需温度和热量并能正常工作的一种节能产品,48,安全阀,49,6.2.5 其他组成件,阻火器 过滤器,50,阻火器,阻火器是一种防止火焰蔓延的安全装置，通常安装在易燃易爆气体管

12、路上，当某一段管道发生事故时，不至于影响另一段管道和设备,51,过滤器,管道过滤器多用于泵、仪表（如流量计）、疏水阀前的液体管道上 一般根据介质的性质和温度、压力来选用适当的过滤器 过滤器承受的压力等级有：1.0MPa，1.6MPa，2.5MPa，4.0MPa，6.3MPa，10MPa。一般比管子内介质的压力高一个档次,52,6.3 装置用管道设计,6.3.1 管廊(管桥)和管廊上管道的布置 6.3.2 设备配管 6.3.3 机器管道设计,53,1. 管廊的布置,管廊的形状 管廊的长度 管廊的高度 管廊的宽度 管架结构 管廊的柱距和管架的跨距,6.3.1 管廊(管桥)和管廊上管道的布置,54,

13、管廊的形状,管廊的形状由设备的平面布置决定 一端式和直通式是管廊的基本形状，其它如L型、T型、U型等及形状较复杂的管廊，可视为几个基本形状的组合,55,管廊的长度,管廊的长度由设备数量和尺寸决定 一般过程工业装置的设备（换热设备、冷却器、塔、容器、露天压缩机、泵等）每台可按平均占用3m长管廊估计。布置得当，可压缩到2.12.4m 通常设备和车间应在管廊两侧布置，不能布置在一侧 扩建需预留的位置应放在管廊端部,56,管廊的高度,由规范决定 管廊横穿道路上空时净空高度，次要道路（装置内道路一般为次要道路）4.5m以上；主要道路（主干道）6m以上；铁路7m以上 管廊下检修通道的净高不小于3.1m 为

14、有效利用空间，多在管廊下布置泵,57,管廊的宽度,管廊的宽度主要由管子根数和管径大小决定 当热管道运行时，可能有少量的横向位移而与邻管相碰、位移受阻，故管间距不宜过小 管廊宽度一般为610m，超过9m采用部分或全部双层管廊,58,管架结构,59,管架结构,60,管架结构,61,2. 管廊上的管道布置,管廊上敷设的管道种类 管廊上管道的布置方法,62,管廊上敷设的管道种类,工艺管道 ：连接两设备之间的管道，其长度大于6m者和进出装置的原料、成品、中间产品物料管道 公用工程管道：如蒸汽、凝结水等管道 仪表管道和电缆：一般由桥架和槽盒敷设在管廊横梁或柱子侧面,63,管廊上管道的布置方法,64,6.3

15、.2 设备配管,1. 设备配管的一般原则 2. 塔设备管道设计的特殊问题 3. 槽(容器)管道设计的特殊问题 4. 换热设备管道设计的特殊问题 5. 加热炉管道设计的特殊问题,65,设备配管的一般原则,一般设备的管嘴都不考虑承受过大的载荷，所以在管嘴附近设备固定支架，以承受管重和管子的热胀反力 应首先在设备的操作侧设定梯子的位置，然后再进行管道布置 管线一般布置在设备的管线侧，不能布置在操作侧而影响正常操作 先布置直径较大的主管，然后由上向下依次布置管线，否则易引起反复的修改和返工 如果温度有变化，必须考虑热应力对管线的影响 为防止管线中有积液，阀门应布置在横管上，管线不得布置成袋形 如果设备

16、有多台并联或多个进出口，应力求使管线分支的阻力相等，以使流量相等,66,管嘴不承受过大的载荷,一般设备的管嘴都不考虑承受过大的载荷，所以在管嘴附近设备固定支架，以承受管重和管子的热胀反力,67,应首先在设备的操作侧设定梯子的位置，然后再进行管道布置 管线一般布置在设备的管线侧，不能布置在操作侧而影响正常操作,68,袋形,为防止管线中有积液，阀门应布置在横管上，管线不得布置成袋形,69,盲管,70,1. 机器管道设计的一般原则,在管嘴附近设管道支、吊架，以承受管道的热胀力和管道、阀门等的自身重力 应根据机器的操作温度，选择适宜的管道走向 在机器的出口安装缓冲罐。缓冲罐应尽量靠近机器 为了防止管道

17、的振动，要缩短支架间距提高管道的刚性，适当采用固定支架、限位支架和导向支架 在试运转时，机器原吸入口要安装临时过滤器，以免杂物损坏机器 对于输送含有固体颗粒流体的机器，为减小管道压降和沉积物堵塞管道，可在进口管道上设置过滤器 管道走向不能影响设备的操作和检修,6.3.3 机器管道设计,71,72,73,74,6.4 管道设计图,6.4.1 管道设计图的种类与绘制方法 6.4.2 主管布置图 6.4.3 管道平、立面布置图 6.4.4 管道空视图,75,6.4.1 管道设计图的种类与绘制方法,1.管道平面布置图及立面布置图 2.管道平面布置图加管道空视图,76,管道设计图的绘制方法,在绘制管道平

18、面布置图时，辅以若干局部立面图或立体图 管道布置图的比例通常是根据装置的占地大小，设备尺寸、管径的不同以及管道的多少等决定 石油炼制、石油化工、化工装置等（露天布置的设备）用1/301/50比例绘图 油罐区设备及其它大型设备用1/501/300比例绘图 对于食品工业装置、制药装置及试验装置等小型设备（室内布置的设备）用1/201/30比例绘图 采用分张绘制的方法，同一区内的管系必须画在同一张图上 每一区的范围以使该区的管道平面布置图能在一张图纸上完成为原则 为了了解分区情况，方便查找，应绘制分区索引图,77,分区索引图,78,6.4.2 主管布置图,设计装置内主管时应对装置内所有管道、电缆、照

19、明、仪表管道，采暖通风管道统一规划，各就各位 装置内主管布置可分为环状和树枝状两种 在主管的末端或环状管的中间设置附带阀门的排净口，且加法兰盲板 绘制主管管道布置图时应将空间区域进行规划，以减小碰撞 配管设计的管道应尽量靠拢，管子间距取整数，必须保证施工间距 .一般热介质设在上面，冷介质设在下层，公用系统主管设在下层 一般主管架沿梁敷设，管可设在梁侧，在遇柱子时可在柱子侧面预埋钢板，设管架作柱吊架，可承受较大载荷,79,6.4.3 管道平、立面布置图,1. 一般规定 2. 主要内容 3. 画法 4. 标注方法 5. 其它标注内容,80,1. 一般规定,图幅: A0，A1或A2，不宜加长或加宽

20、比例: 1:25、1:50、1:100，同区的或各分层的平面图采用同一比例 单位：标高、坐标m为单位，其他尺寸mm为单位 尺寸线：始末应标绘箭头，或打杠，不按比例画图的尺寸应在尺寸数字下面画一道横线。尺寸一般写在尺寸线的上方中间，并且平行于尺寸线 方向标：在平面布置图的右上角应绘制一个与设备布置图设计方向一致的方向标。在每张管道布置图标题栏上方或左边用缩小的并加阴影线的分区索引图表示本图所在装置的位置 编号：每张管道布置图均应独立编号，一套图纸用同一个编号，图纸总张数为分母，顺序号为分子,81,2. 主要内容,装置(设备)平面、立面布置图绘出有关设备(包括基础、平台、梯子)、建筑物和构筑物(包

21、括门、窗、梁、柱、楼层、楼梯)、管架、管沟、操作通道、检修设施等 工艺流程图上表示的管道、阀门等都应画出 管道上安装的一次仪表（或元件）,82,按比例用细实线绘出建筑物柱梁、楼板、门、窗、楼梯、管沟等 。根据设备布置图画出设备、操作台、安装孔、吊车梁等，画出电缆桥架、电缆沟、仪表管缆等外形尺寸并标出底面标高，标准建筑物的轴线与轴线间的尺寸。标准地面、楼面、平台面、吊车梁底面的标高以及生活间的辅助间的组成标出其名称 按设备布置标注设备的定位尺寸 根据管道流程图及公用系统流程图和主管布置图对每台设备作逐根管道的绘制，先绘制物料管，后绘制公用系统管 将有关管件（弯头、三通、阻火器、视镜、过滤器）及阀

22、门按比例及图例作合理的配管设计。管道、管件、阀门、仪表等的表示方法即图例符号，参照有关规定 管道公称通径DN125mm的管道、弯头、三通用粗实线绘制；DN125mm的管道用中粗双实线绘制。物料流向箭头画在中心线上 消声器、爆破片、洗眼器、分析设备等特殊件，应在管道布置图上用细线10mm圆标注，在圆内注明标准号或特殊件编号 管道立、剖面图应交将装置结构、梁、柱、门、窗、操作台、设备及传动部件、减速机、仪表盘、变送器等按比例绘制,3.管道平面布置图画法,83,除设备进出口不标注定位尺寸外，凡管道阀门标高、管道间距、弯头、三通位置均应一一标注 调节阀组、减压阀组、疏水阀组等均应按比例绘制，并应与管道

23、平面一致 对检测元件应在立剖面上示出注明具体定位尺寸及标高，以及扩大管的规格 在剖切范围内应将主管管架用细点划线绘出，确定管架预埋件位置 管道平、立面布置图上应将管道的定位尺寸标注清楚，有坡度的管道标注坡度及坡向有一带限流孔板的旁通 当管道重叠时，可断开上面管道表示下面管道的管件,84,管道平面布置图,85,阀门的表示方法即图例符号,86,单线管道的表示方法,87,双线管道的表示方法,88,4. 标注方法,在平面布置图上要标注管道、阀门等的坐标位置或者尺寸以及与设备等连接点的坐标位置或尺寸、 管间距、支架间距等，而在立面图上只标注其标高 基准：与设备相连接的管道、阀门等一般以设备的中心线为基准

24、，与框架、管架等有关联的管道则以其柱中心线为基准顺序标注上述尺寸 单位：标注尺寸均以毫米为单位 标高 ：通常两根以上管道并排在支架上时，管底与地面或平台楼板间有一定距离要求者，应标管底标高。与设备接管直接连接的管道，则标管中心线标高 。标高都是以地面为基准算起，基准面以上为“+”，以下为“”,89,在垂直管道上设置的阀门高度，有两种标注方法 法兰联接的阀门，标注与阀门下端相连接的管道法兰面上的标高 承插焊或螺纹联接的阀门标注中心线标高 管道与设备接管直接相联接时，有两种标注方法： 设备接管朝上时，应注出与其连接的管道法兰下面标高 设备接管朝下时，应注出与其连接的管道法兰上面标高 仪表等安装在垂

25、直管道上时，立面图（或空视图）必须标注其位置 在水平管道上时，以标注在平面图上为好，但不应在平面图上和立面图上重复标注 立面图上还应标注地面、平台（楼板面）的标高,90,尺寸线（包括）标高的标注方法大致有： 建筑物轴线或坐标线到中心线,如容器、泵、设备、管道 中心线到中心线,如管道 中心线到法兰面,如容器、泵、设备的接管 法兰面到法兰面,如设备、焊制弯管和仪表等,91,5. 其它标注内容,设备的项目编号及名称 框架、管架等的编号；管内介质的流动方向 管径尺寸、管道编号、管道等级；仪表项目编号 表示出管道支管的位置及其详细图的编号 保温、保冷、伴热管道除用图表示外尚须注明；（保温H，保冷C，防烫

26、P，蒸汽伴热ST，电伴热ET） 指北针 分区索引图 现场焊接点位置及符号,92,6.4.4 管道空视图 布置学生自学,管道空视图又叫管段图，是单根管道的详细图，一般表示从一个设备到另一个设备的整根管道 用管道空视图可以深度预制管道以加快施工速度，缩短周期 在工程设计中，除了设备、管道和仪表的蒸汽加热伴管用的蒸汽及其冷凝液管道外，其他管道都要绘制空视图,93,图6.13 管道空视图,94,轴侧配管图,95,6.4.4 管道空视图,管道空视图的内容 绘制方法 标注方法 特殊的标记方法,96,管道空视图的内容,在管道空视图上应表示出管段的尺寸、角度、标高(或坐标)、管段所在的平面图号，在流程图上的管

27、道编号、管段号、介质流向、保温、保冷、伴热，与管道相连接的设备编号，设备位置(以中心线表示)和设备接管号，非标准图例的说明 阀门 的型号和尺寸，除螺纹和承插焊接的阀门外，其它阀门的手轮方向、调节阀的尺寸、温度压力等级，仪表接头编号、位置和方向 管件 ： 管道上的放空，放净和疏水点的位置、支架位置型号和编号，预拉伸、密封焊、衬里、涂漆和其它特殊要求 ，工厂或现场焊接符号，安装或检修用活接头 指北针及材料表等,97,2. 绘制方法,在专用的正等轴侧坐标纸上，按正等轴侧投影方法制图 对于管道、管件、阀门及小型管道设备、仪表等用立体图图例表示 对于垂直方向或水平方向改变走向的管道或在垂直与水平方向均改

28、变走向的管道用立体图表示 按近似的比例绘制 一般将管道空视图绘制在印有浅色格子的图纸上，图侧附有材mm的中、低压不锈钢管道和等于DN6mm的高压管道可不绘制单独的空视图 小于和等于DN50mm的中、低压碳钢管道，小于和等于DN20连接的小管，如调节阀组、排液管、放空管等还是要绘空视图 管道空视图上水平管道标高EL注在管道上方 不同材料的管道不要绘在一张空视图上 空视图上的指北方向一般指向右上方，也可指向左上方，但不得指向下方。绘制管道空视图时要注意管道的走向,98,3. 标注方法,管道空视图上所有尺寸都以mm为单位，垂直方向不注长度尺寸，而以水平管道的标高落差表示 异径管以大端确定位置尺寸 为

29、标注管道尺寸的需要，应画出容器或设备的中心线，注出其位号。与标注尺寸无关时就不要画设备中心线，只画出管道连接法兰位置 螺纹连接的调节阀，图纸上必须注明“螺纹” 非坐标轴上的斜管要表示出斜管的长度和角度，且需注明是水平角还是垂直角 垂直弯管管托必须注明管道管径，由此选出合适的管托型式；水平弯管管托注出焊上的这段管子的直径和长度，并注明“管底平”,99,孔板法兰 注出编号、取压管方向，并注明要求“焊接处内表面用砂轮打光”，尽量不使其引起紊流 表示管道直径和介质流动方向的标注方法 每一单管至少有个流向箭头，最好在介质流向变动处都画上箭头，管径就注在流向箭头的边上 图上要注明放空、放净口的尺寸 图中需

30、表示出管段中哪些是预制的，哪些是现场焊接的，用文字表示现场焊 尺寸线上方是管段制作长度，下面是安装时的预拉伸长度,100,4. 特殊的标记方法,SRE短半径无缝弯头；WC焊接管帽；THDC螺纹管（帽）；SWC承插焊管帽；THDF螺纹法兰；PLG堵头；NIP管接头 在同一张空视图中管径法兰有两种以上形式时，图中应将用量较少的那些法兰注明 焊接弯头的角度和焊缝系数要注写清楚 在同一张空视图中同种类、同规格阀门出现两种以上型号，图中应将用量较少的型号注在那些阀门的近旁 注出直接焊在管道上的管架编号，该编号必须与管架表中的管架编号相同。但管架材料不列入管道空视图的材料表中,101,6.5 管道应力分析

31、,6.5.1 管道的载荷和应力 6.5.2 管道应力许用值及安全性的判据 6.5.3 承受内压管子的强度计算 6.5.4 管系的热应力和柔性分析 6.5.5 管道补偿器和管道支吊架,102,6.5.1 管道的载荷和应力,1.载荷,静载荷 ：指缓慢、毫无振动地加到管道上的载荷，它的大小和位置与时间无关，或者是极为缓慢地变化 。 动载荷 ：指随时间有迅速变化的载荷 。,103,压力载荷 ：介质内压力 机械载荷（持续外载 ）：管道自身质量、支吊架反力和其它外载 位移载荷（热载荷 ）：热胀冷缩和端点附加位移,2.一般管道静力计算主要考虑的载荷,104,3. 应力,管道在压力载荷、持续外载及热载荷等作用

32、下，在整个管路或某些局部区域产生不同性质的应力 压力管道的应力 一次应力 ：是由于外载荷作用而在管道内部产生的正应力或剪应力 一次总体薄膜应力 一次弯曲应力 一次局部薄膜应力 二次应力 ：主要考虑的是由于热胀冷缩以及其它位移受约束而产生的应力 峰值应力 ：是由于载荷、结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的最高应力值,105,6.5.2 管道应力许用值及安全性的判据,压力管道的静力分析，主要考虑内压，持续外载和热载荷的作用 由内压和持续外载在管道中引起的应力属于一次应力，它的基本特征是没有自限性 热载荷在管道中引起的应力属于二次应力，它的特征是有自限性 管道的局部形状突变等原因会造成峰值应力，

33、峰值应力的特征是结构不产生任何显著的变形 一次应力 ：极限载荷准则来规定其许用应力值 二次应力 ：安定性准则来限定其许用范围,106,一次应力,根据极限载荷准则来规定其许用应力值 。 极限载荷法认为，一旦在某结构单元的整个截面上发生屈服，该结构就达到极限状态，不能再承担任何附加载荷。结构在极限状态下承受的外载荷称之为极限载荷 。,107,二次应力,采用安定性准则来限定其许用范围 安定性是指结构在载荷(包括热载荷) 反复变化的过程中，不发生塑性变形的连续循环。对管道热胀二次应力的限定，是控制冷、热态的应变在一定的应力范围和控制一定的交变次数，以保证管道安全运行而不产生疲劳破坏 。,108,1 承

34、受内压管子的强度分析,= PDn/2S z=PDn2/4s(Dn+s) r=-P/2 管壁上的三个主应力服从关系式 z r 最大剪应力强度理论, 强度条件为 e= - r ,Dn：内径 Dw：外径 P:管内介质压力 S:管子壁厚,可推出理论壁厚公式,6.5.3 承受内压管子的强度计算,109,2. 承受内压直管壁厚工程计算方法,工程设计计算公式,110,3. 弯管壁厚计算,111,6.5.4 管系的热应力和柔性分析,1. 管系的热应力概念 2. 管道热应力计算 3. 柔性系数和应力加强系数 4. 管道的柔性计算与应力验算,112,1. 管系的热应力概念,P=(Lt/L)EA=tEA = P/A

35、=tE 管中的热应力 管道工作温度大于安装温度时热应力为压应力； 工作温度小于安装温度则热应力为拉应力,113,例设某油罐进出油管线为1594.5钢管。管材为20钢，操作温度100，安装温度0，求管中热应力和管子对油罐的推力 查20钢 =12.210-6/ ; E=2.0105MPa 管子截面积 A=2.1710-3m2 温度变化 t =(100-0)=100 则管中热应力 =tE =244 MPa 管子对油罐的推力 P=0.5294810N,直线管道中热应力很大，并将对管端设备产生很大的推力，造成油罐局部变形甚至破坏 直线管道的热胀应力大小与管道长度和截面积无关，而仅与材料热膨胀系数和温度变

36、化有关,114,平面管系的热伸长和热胀变形,除温度变化外，管道热胀可能性的大小对热应力的影响很大 温度变化时管道系统的热胀可能性称为管系的柔性(或弹性) 在同样的温度变化下，管系的柔性愈大，热应力就愈小 管系的柔性与管系的几何形状、管系的展开长度，管子的直径和壁厚、管材的弹性模量等有关 管道中的热应力将由于立体管系有更大的柔性而比相似条件下的平面管系中的热应力更小,平面管系当一端自由时，管系总的热伸长等于管系两端点之间直线管长的热伸长 如果平面管系两端都固定管系中的热应力将比相似条件下直线管道中的热应力小得多。因为平面管系由于几何形状的原因比直线管系有更大的柔性,115,2. 管道热应力计算,

37、不要求（涉及结构力学知识）,116,3. 柔性系数和应力加强系数,实际的管系中，管道的转角处均采用弯管或焊接弯头，管系中的弯管件或焊接弯头在弯矩作用下柔性增大，管系的热应力由于弯管的柔性增大而降低。其局部应力却有所增加 。在进行管系的应力计算时，要考虑弯管的柔性系数和应力加强系数 柔性系数(K) 应力加强系数(m),117,弯管的柔性系数,国外学者克拉克(Clark)和雷斯聂尔(Reissner)提出了计算弯管柔性系数的简单表达式 K=1.65/ K弯管柔性系数；弯管尺寸系数 。有效使用范围是0.021.65。当1.65时，取K=1 。该式在工程中比较广泛地使用于计算光滑弯管(包括弯制弯管和热

38、压弯管)的柔性系数，对弯管承受平面弯矩(指弯矩在弯管所在平面)和非平面弯矩(指弯矩与弯管所在平面垂直)时都适用 =RS/rp 2 R管子弯曲半径；S管子壁厚 rp管子平均半径,弯管在受到弯矩作用时，其外侧拉伸，内侧压缩，截面产生椭圆效应，结果使弯管柔性变大,118,应力加强系数(m),管道在持续外载、热胀冷缩等位移载荷作用下，在弯管、三通等薄壁管件上将产生局部的应力集中。在进行应力计算时，要计入应力加强系数，以考虑其应力增大的影响 工程上采用试验研究得出的经验公式来计算,119,6.5.5管道补偿器和管道支吊架,6.5.5.1 管道补偿器 6.5.5.2 管道的支吊架类型及选用 1.管道支吊架

39、的类型 2. 支吊架选用及设置 3. 管架载荷计算,120,6.5.5.1 管道补偿器,管道的热应力与管道柔性(即弹性)有关，因此在温度较高的管道系统中，常常设置一些弯曲的管段或可伸缩的装置以增加管道的柔性，减小热应力这些能减小热应力的弯曲管段和伸缩装置称为补偿器或伸缩器 补偿器可分成两类 由于工艺需要在布置管道时自然形成的弯曲管段，称自然补偿器，如L型补偿器和Z型补偿器 专门设置用于吸收管道热膨胀的弯曲管段或伸缩装置，称人工补偿器，如型补偿器 ,波纹式补偿器或填料函式补偿器等,121,自然补偿,自然补偿器在布置管道时自然形成，不必多费管材，也不增加管内介质的流动阻力，因此应尽量采用自然补偿器

40、，只有在自然补偿器不能满足要求时，才采用人工补偿器 管道在自然补偿时如选用立体形方式，则较平面形的补偿效果更好,122,自然补偿,123,人工补偿器,图6.25 型补偿器及其导向支座,型补偿器它是用与原管道材料、规格相同的无缝管弯制成，较其它型式的易制造，且补偿能力大，能用在温度、压力较高的管道上 型补偿器应布置在补偿段的中间位置，以使两壁伸缩均衡，充分发挥补偿器的补偿功能 如果受地形条件限制，不能将型补偿器布置在补偿段的中间位置上时，就应在补偿器两端对称布置两个导向支座，如图6.25。这样，就可以使管线伸缩均衡，不致弯曲。导向支座与补偿器管端的距离，一般取管径的3040倍,124,人工补偿器

41、,125,126,波纹式补偿器,127,判断管道有无足够的补偿能力的经验公式,管子公称直径,mm,管系合成热膨胀量,mm,管道的实际总长度,m,固定支架间的直线距离,m,128,6.5.5.2 管道的支吊架类型及选用,管道支吊架是管系中不可缺少的组成部分 支吊架的功能可概括为三个方面 承受管道载荷 限制管道位移 控制管道振动,129,钢管制管架,130,6.6 管道的振动,6.6.1 往复式压缩机管道振动分析及对策 6.6.2 管道的液击与对策 6.6.3气液两相流引起的管道振动,131,管道振动的原因,下面，我们以压缩机为例，分析其相连接管道的振动。,1、回转机械（如压缩机、泵）的回转部分动

42、平衡不良,2、管道内气体或液体的不稳定流而引起的振动，,3、外力引起的管道振动,引起的振动传递给连接的管道，将引起管道振动,如往复式机泵管道内流体周期性脉动引起的管道振动，液击产生的冲击波引起的管道振动等，汽液两相流也会引起管道振动,如强大的风力横向对着管道吹时，在管线的背风面产生卡曼涡流引起的管道振动，地震引起的管道振动等 。,132,6.6.1 往复式压缩机管道振动分析及对策,（一） 气流脉动,一、 往复式压缩机管道振动原因分析,二、管道振动的防治对策,（二） 气柱共振与机械共振,（一） 消减气流脉动,（二）改进管道系统结构,133,往复式压缩机在运行时，吸气和排气均是间歇性的，两者交替进

43、行。活塞运动速度又是变化的，这种现象必然造成气流压力脉动，较大的压力脉动会引起管道和机器设备的很大振动。,（一） 气流脉动,一、 往复式压缩机管道振动原因分析,134,135,压缩机P-V展开图,136,气流脉动大小 用压力不均匀度来表示 =(Pmax-Pmin)/Pm100% 气体压力不均匀度,% ； Pmax、Pmin在一个循环中最大、最小气体压力(MPa)； Pm在一个循环中平均气体压力,(MPa)， Pm=(Pmax+Pmin)/2,脉动幅度,振动能量,振动破坏,故气体压力不均匀度需要规定许用值,137,前苏联列宁格勒化工机械研究院对大型对置式压缩机的许用压力不均匀度提出了一个标准，见

44、表6.9,管道振动振幅的许用值及危险值可参考图6.31,图6.31 管道(双)振幅的许用值和危险值,138,压缩机的激振频率,管系的机械固有频率,管道的气柱固有频率,（二） 气柱共振与机械共振,气柱共振,机械共振,(解波动方程式可得到f ),139,Hz,n压缩机主轴转速，r/min m激发的谐量分析阶 对单缸单作用压缩机，m=1，2，3，., 其中m=1为主谐波 对单缸双作用压缩机，m=2，4，6，., 其中m=2为主谐波,压缩机的激振频率,例 某空压机转速n960rmin，气缸为单缸单作用。压缩机的激振频率,140,a. 概念解释,气柱:管道系统内所充满的气体称为气柱。气体可以压缩，膨胀，

45、具有一定的弹性，因而气柱是一个具有连续质量的弹性振动系统，在一定的激发作用下会产生振动; 气流脉动:压缩机气缸周期性地向管道吸气和排气，就是对管道中气柱的激发，使气柱产生振动，即气流脉动 ; 气柱固有频率 f:根据管道长度和管道两端边界条件等，气柱有一系列固有频率，叫气柱固有频率 f; 气柱共振:当压缩机的激振频率fex与管道的气柱固有频率f接近时，会产生气柱共振，这时管道内气流脉动将非常强烈 。 共振管长:共振时所对应的管道长度称为共振管长，即当压缩机的激振频率fex一定时，导致发生气柱共振的管道长度。,1、气柱共振,141,b.管道的气柱固有频率 f与共振管长l,通过平面波动理论方程式可得

46、简单管道气柱固有频率f和共振管长l ，分三种情况：,简单管道,一端封闭，另一端开口的管道。,两端均封闭的简单管道,两端均开口 的管道,（如:一端为压缩机气缸，另一端为容积较大的容器）,(如:两端均连接压缩机气缸),(如:两端均连接大容器),142,n=(0,1，2，3，）,n=0时，,n=1时,n=2时,f1、f2、f3是气柱的一阶、二阶、三阶固有频率。其中f1称为基频。,一端封闭，另一端开口的简单管道。,气柱固有频率为,一般认为 fex =(0.81.2)f 时将发生气柱共振,一阶共振管长为,二阶共振管长为,K气体绝热指数； R气体常数，（J/kgK）；T气体绝对温度，（K）,a 气体声速,

47、其中：,143,n=(1，2，3，）,n=1时，,n=2时,n=3时,f1、f2、f3是气柱的一阶、二阶、三阶固有频率。其中f1称为基频。,两端均封闭的简单管道。,气柱固有频率为,一般认为 fex =(0.81.2)f 时将发生气柱共振,一阶共振管长为,二阶共振管长为,K气体绝热指数； R气体常数，（J/kgK）；T气体绝对温度，（K）,a 气体声速,其中：,144,复杂管系气柱固有频率计算,复杂管系由若干直管，容器，三通，异径管等元件组成。在计算时将管系分解成若干元件的组合 复杂管系气柱固有频率的计算不像简单管道那样容易，一般都是在计算机上进行。目前已有不少计算管系气柱固有频率的专用软件,1

48、45,例 某空压机转速n960rmin，气缸为单缸单作用。排气温度为95，排气管与容积很大的储气罐相连。计算排气管一、二阶共振管长。,解,声速,激发频率,一阶共振管长,二阶共振管长,设计时应使排气管道长度避开4.817.21m和14.4321.63m这两个长度范围。,146,当管道的脉动气流遇到弯管、异径管、阀门、盲板时，就对管道产生激发，引起管道振动 两处的激振力幅值均较大，尤其是弯头处，足以引起管道振动 异径管处的激振力幅值随小端截面积的缩小而增大，如果A2=0，那就是盲板了。盲板处的激振力最大,(a)弯管 (b)异径管 图6.33弯管和异径管处的激振力,算出弯管和异径管处的激振力幅值R

49、在弯管处 在异径管处,2、机械共振,当压缩机的激振频率fex与管系的机械固有频率f固接近时，就会产生机械共振,a.容易导致机械共振的部位,147,解 由式（6-45）得弯管处的激振力幅值为 R =Pm Asin（/2） =0.0353210640.082sin45= 3981 N 由式(6-46)得异径管处激振力幅值为 R=0.5Pm(A1- A2) =0.50.035321064(0.082-0.062)=1232 N 可见，两处的激振力幅值均较大，尤其是弯头处，足以引起管道振动。异径管处的激振力幅值随小端面积的缩小而增大,如果A2=0,那就是盲板了。可见盲板处的激振力幅值最大。,例:某化肥厂合成工段压