AutoPIPE管道应力分析讲座（一） AutoPIPE, 应力分析, 讲座, 管道
ASME B31《压力管道规范》由几个单独出版的卷所组成，每卷均为美国国家标准。它们是子ASME B31压力管道规范委员会领导下的编制的。
每一卷的规则表明了管道装置的类型，这些类型是在其发展过程中经考虑而确定下来的，如下所列：
B31.1 压力管道：主要为发电站、工业设备和公共机构的电厂、地热系统以及集中和分区的供热和供冷系统中的管道。
B31.3 工艺管道：主要为炼油、化工、制药、纺织、造纸、半导体和制冷工厂，以及相关的工艺流程装置和终端设备中的管道。
B31.4 液态烃和其他液体的输送管线系统;工厂与终端设备剑以及终端设备、泵站、调节站和计量站内输送主要为液体产品的管道。
B31.5 冷冻管道：冷冻和二次冷却器的管道
B31.8 气体输送和配气管道系统：生产厂与终端设备（包括压气机、调节站和计量器）间输送主要为气体产品的管道以及集汽管道。
B31.9 房屋建筑用户管道：主要为工业设备、公共结构、商业和市政建筑以及多单元住宅内的管道，但部包括B31.1所覆盖的尺寸、压力和温度范围。
B31.11 稀浆输送管道系统：工厂与终端设备间以及终端设备、泵站和调节站内输送含水稀浆的管道。
许用应力的确定：
管道材料的许用应力是管材的基本强度特性除以安全系数。钢材的基本强度特性应由钢铁生产部门提供，在国内可取自有关国家标准或冶金部门标准。
在温度较低时的许用应力以材料的抗拉强度和屈服点为基础。
产期处于400度以上高温时，许用应力以1000000h1%蠕变极限和1000000h断裂的持久强度为基础。
对于安全系数，不同规范有不同的规定。
设备的允许推力和力矩：
为了防止管道对设备的推力过大，造成设备损坏、转动设备不能正常运行、或阀门泄漏，应将推力限制在允许范围内。许多公司根据多年的经验采用经验数据。例如对转动设备的管嘴不计内压，由外部荷载产生的应力不大于35~42MPa；对压力容器和带阀门的法兰，由外部荷载产生的应力不大于70MPa。这些数据沿用多年，但理论依据是不严格的。
1. 离心泵的允许推力（API610）
美国石油学会标准API610(炼油厂用离心泵)对离心泵受力有所规定，但这些规定都是推荐性的，是泵的制造厂必须达到的最低要求。在国外定货，制造厂均以此标准
满足用户的要求。此标准要求的受力和力矩较小，有时在设计管道时较为困难，需要增加管长和转弯以增加管道的柔性。而实际调查已运行的泵，验算其受力情况大于此标准也运行良好。所以对于重型的泵此标准是比较保守的。 2. 汽轮机的允许推力（NEMA）
汽轮机对管道推力最敏感的设备。一般汽轮机的外壳（定子）均设有十字滑销系统，相互垂直的十字交点为外壳的固定点。外壳上的管嘴和“猫爪”均由固定点算起向四周膨胀。因此“猫爪”是有位移的，并不是完全固定在基础上，固定螺栓的螺母与“猫爪”有一定的间隙。有的汽轮机外壳和转子分别支撑在基础上，如果外壳受到管道推力产生位移或变形，外壳和转子之间的间隙可能改变或消失而引起设备的振动。有的汽轮机的转子制成在汽轮机的外壳上，比支撑在基础上好，但如果外壳变形太大，仍可能引起振动。汽轮机的轴中心和被其拖动的从动机的轴中心应该对中，近来许多设备采用有一定弹性的联轴器，允许有一定的偏差。不同生产厂家生产的汽轮机的结构不同，可以承受的推力也不相同，但生产厂家又难于准确说明。所以如果生产拖动机泵汽轮机的制造厂没有提出汽轮机的推力和力矩的允许值，一般按照美国电机制造协会（NEMA）的推荐方法（SM-23-1973）计算。但对于重型气轮机可能还是比较保守。
3. 离心式和轴流式压缩机管嘴的允许推力（API617）
4. 加热炉的允许推力（API560）
所有以上设备管嘴允许推力标准，都是推荐的操作情况下的最下值。一般情况是可以根
据买卖双方讨论，允许推力是可以增加的。
AutoPIPE管道应力分析讲座（二）
一：管道承受荷载及其应力状态。 1：压力荷载: 内压和外压：
内压：管壁上产生环向拉应力和纵向拉应力。其环向拉应力约为纵向拉应力的一半。 外压：管壁上产生环向压应力和纵向压应力。（外压出现的情况比较少） 2：持续外荷载:
包括：管道的基本荷载（管子及其附件的重量，管内介质的重量和管外保温的重量）、支吊架的反作用力、以及其他集中和均布的持续荷载。
持续外荷载可使管道产生弯曲应力，扭转应力，纵向应力和剪应力。
压力荷载和持续外荷载宰管道上产生一次应力，其特征是非自限性的。即应力随着荷载的增加而增加，当管道产生塑性变形时，荷载并不减少。 3：热胀和端点位移：
管道由安装状态过渡到运行状态，由于管内介质的温度变化，管道产生热胀或冷缩使之变形。与设备相连的管道，由于设备的温度变化而出现端点位移，端点位移也使管道变形。
这种变形使管道承受弯曲、扭转、拉伸和剪切等应力。属于二次应力，其特征是自限性的。当局部超过屈服极限而产生塑性变形时，可时应力不再成比例的增加，而限定在某个范围内。当温度恢复到原始状态时，则产生反方向的应力。 4：偶然性荷载
包括风雪荷载、地震荷载、水冲击以及安全阀动作而产生的冲击荷载。这些荷载都是偶然发生的临时荷载，而且不致同时发生。而一般静力分析中，不考虑这些荷载。 对于大口径，高温，高压，剧毒，可燃、易爆介质的管道应加以核算。 偶然荷载与压力荷载、持续外荷载组合后，允许达到许用应力的1.33倍。 作用在管道上荷载一览表: 荷载种类 荷载特点 荷载来源 备注 产生一次应力的荷载：为非自限性荷载，荷载过大，管道会被破坏。 装置运行时在操作温度因为在运行条件下管内压力和内压力或外压力 在装置运行时产生，属长期静荷载 下，管内流体的内压或温度有种种变化，所以取最不利外压 其中包括管道、阀门、的压力温度组合作为设计条件 重力 长期静荷载 管件、隔热材料和流动介质的重量 管内气体或蒸汽，在停应区分均布荷载和集中荷载 工时由于大气的冷却，通常在应力分析中不考虑，必要环境影响 短期静荷载 管内形成负压。由于气温升高或太阳直射使管内压力升高 管道安装完毕后，进行试验荷载 短期静荷载 水压试验或气压试验的荷载 积雪荷载 风荷载 地震荷载 短期静荷载 短期动荷载 短期静荷载 降雪地区的室外管道 作用于室外管道 由地震引起的振动 时设真空破坏器或安全阀防止管道破坏 一般试验压力根据有关压力规范确定 按气象资料确定 一般根据气象资料按静力计算 一般根据气象资料按静力计算 在运行规程中设定机泵启动和关闭的规定，蒸汽管暖管的规定。对大口径的水泵出口设缓闭的逆止阀，以减少冲击荷载 压力冲击（水锤） 机泵启动或关闭，阀门短期动荷载 快速启闭时和蒸汽管道暖管时等 产生二次应力的荷载为非自限性荷载，管道变形后何在减轻 在管道上产生交变应因管道热胀或冷缩，管热膨胀变形 力，每运行周期变化道变形而产生的交变应一次 冷紧可减少管道对设备和固定支架的力 在管道上产生交变应力 力 用计算机程序或有关图表计算 安装时冷紧 施工过程中产生 对二次应力无影响 管道端点位移 与管道连接的设备膨胀 用计算机程序或有关图表计算 管道受往复式机泵的压管道振动 长期振动荷载 力脉动、两相流的压力脉动和机泵喘振而引起的振动 可能引起管道对设备或支架的作用力改变或法兰泄漏 基础较差 往复式机泵的进出口设置缓冲罐或增加管道的刚度 设备或支架基础下沉 如果在设计时能预知可能的下沉量，应在设计中予以考虑
AutoPIPE里面各种工况的代表符号： GR T1 - T20 P1 - P20 E1 - E10 W1 - W10 U1 - U20 S1 - S10 重力 温度(操作)工况1到20 压力工况1到20 地震荷载1到10 风荷载1到10 自定义荷载1到20 地震时支座位移引起荷载1到 10
AutoPIPE管道应力分析讲座（三）
1管道支吊架的功能管道支吊架的功能主要可概括为：承受管道荷载、限制管道位移
和控制管道振动三个方面。其中以承受管道荷载为支吊架最主要、最普遍的功能。
1.1
承受管道荷载作用于管道上的荷载通常包括介质运行压力、自重、风、雪、地震、流动瞬
变引起的冲击或振动等机械荷载，还包括管道热胀冷缩和管道端点附加位移等位移荷载及由于温度梯度或热冲击引起的热荷载，它们都可能以使管道产生内力和变形。上述荷载按其作用的性质，还可分为静荷载和动荷载两类。静荷载是缓慢地、毫无振动地作用于管道上的荷载。它可分为永久荷
载（恒荷载）和变化荷载（活荷载）两种。永久荷载的大小和位置与时间无关，或者是极为缓慢地变化，因而其变化值可忽略不计。变化荷载则随时间变化，且变化值与平均值相比不可忽略。动荷载是指随时间有迅速变化的荷载，例如由于外部或内部条件引起的冲击力、地震以及热冲击等。这类荷载在管道运行期间不一定出现，也可能偶尔发生，故又可称为偶然荷载。上述管道荷载的主要
类型如表 1-1所示。
表 1-1
管道荷载的主要类型 荷载性质 荷载类型 引起荷载的原因 管道自重(包括阀门、管件及绝热层) 管内介质重力 机械荷载 内压(或外压) 静荷载 其他持续外载 热膨胀受约束 热荷载 稳定的温度梯度 压力波动或冲击 动荷载 机械荷载 受激扰(地震、管道破裂及流体排放等)