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CAESARII-管道应力分析软件
（系列培训教材）
管道应力分析基础知识
北京市艾思弗计算机软件技术有限责任公司
2003年1月15日
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CAESARII 基础知识
管道应力分析基础知识
1．管道应力分析的原则
管道应力分析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、管道支撑或端点附加位移造成应力问题。
2．管道应力分析的主要内容
管道应力分析分为静力分析和动力分析。 静力分析包括：
1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏；
2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏；
3）管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行； 4）管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据； 5）管道上法兰的受力计算——防止法兰汇漏。 动力分析包括：
l）管道自振频率分析——防止管道系统共振； 2）管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力； 3）往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析——防止气柱共振； 4）往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。
3．管道上可能承受的荷载
（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：压力载荷包括内压力和外压力；
（3）位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支撑沉降等； （4）风荷载； （5）地震荷载；
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（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）机械振动荷载：如回转设备的振动。
4．管道应力分析的目的
（1）为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值；
（2）为了使与管系相连的设备的管道荷载在制造商或国际规范（如 NEMA SM-23、API-610、API-6 17等）规定的许用范围内；
（3）为了使与管系相连的设备管口的局部应力在 ASME Vlll的允许范围内； （4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载； （5）为了进行操作工况碰撞检查而确定管于的位移； （6）为了优化管系设计。
5．管道柔性设计方法的确定
一般说来，下述管系必须利用应力分析软件（如 CAESAR II）通过计算机进行计算及分析。
（1）与贮罐相连的，公称管径12”及以上且设计温度在100度及上的管线；
（2）离心式压缩机（API 617）及往复式压缩机（API 618）的3”及以上的进、出口管线： （3）蒸汽透平（NAME SM23）的入口、出口和抽提管线；
（4）泵（API 610）——公称管径4”及以上且温度 100度及以上或温度-20度及以下的吸入。排出管线；
（5）空冷器（API 661）——公称管径 6”及以上且温度 120度及以上的进、出口管线； （6）加热炉（API 560）——与管口相连的 6”及以上和温度 200度及以上的管线； （7）相当长的直管，如界区外的管廊上的管线；
（8）法兰处的泄漏会造成重大危险的管线，如氧气管线、环氧乙烷管线等。 （9）公称管径4”及以上且100度及以上或-50度及以下的所有管线；
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6．摩擦系数的确定
除非另有规定，在进行管道柔性分析时摩擦系数应作如下考虑：
滑动支架：
钢对钢 0.3 不锈钢对聚四氟乙烯 0.1 聚四氟乙烯对聚四氟乙烯 0.08 钢对混凝土 0.6 滚动支架：
钢对钢（滚珠） 0.3 钢对钢（滚柱） 0.3 注：滚珠沿轴向运动时应采用滑动摩擦系数．
7．管道柔性设计
管道柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念，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。
进行管道设计时，应在保证管道具有足够的柔性来吸收位移应变的前提下，使管道的长度尽可能短或投资尽可能少。在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑管道端点的附加位移。设计时，一般采用下列一种或几种措施来增加管道的柔性： （1）改变管道的走向；
（2）选用波形补偿器、套管式补偿器或球形补偿器；
（3）选用弹性支吊架。
8．管道柔性设计的目的
管道柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道回热胀冷缩、端点附加位移、管道支撑设置不当等原因造成下列问题；
（1）管道应力过大引起金属疲劳和（或）管道推力过大造成支架破坏；
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（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。
9．应进行详细柔性设计的管道
（1）进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道； （2）进出汽轮机的蒸汽管道；
（3）进出离心压缩机，透平鼓风机的工艺管道； （4）进出离心分离机的工艺管道； （5）进出高温反应器的管道； （6）温度超过400℃的管道；
（7）利用图表或其他简化法初步分析后，表明需要进一步详细分析的管道：（8）与有受力要求的其他设备相连的管道。
10．管道柔性设计计算结果的内容
（1）输入数据；
（2）各节点的位移和转角； （3）各约束点的力和力矩； （4）各节点的应力；
（5）二次应力最大值的节点号、应力值和许用应力范围值；
（6）弹簧参数表。
11．管道柔性设计合格的标准
（1）管道上各点的一、二次应力值应小于许用应力范围； （2）管道对设备管口的推力和力矩应在允许的范围内；
（3）管道的最大位移量应能满足管道布置的要求。
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