壓力管道設(shè)計(jì)概論

1、壓力管道設(shè)計(jì)概論,江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院繆 春 生,目 錄,1、概述2、壓力管道的材料選用3、壓力管道的布置4、內(nèi)壓下典型元件的強(qiáng)度計(jì)算5、壓力管道的應(yīng)力分析與柔性分析,1、概 述,基本要求：壓力管道設(shè)計(jì)單位應(yīng)當(dāng)取得相應(yīng)的設(shè)計(jì)許可證。工業(yè)壓力管道設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)符合《壓力管道安全監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道》以及GB20801的要求，保證所設(shè)計(jì)的管道能夠安全、持續(xù)、穩(wěn)定、正常地生產(chǎn)運(yùn)行。同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)保證使用單位

2、規(guī)定的附加要求。,1、概 述,目前大多數(shù)工程界認(rèn)為：壓力管道設(shè)計(jì)包括3個(gè)方面： ——管道的材料設(shè)計(jì) ——管道的布置設(shè)計(jì) ——管道的機(jī)械設(shè)計(jì)上述的3個(gè)方面的內(nèi)容是3個(gè)專業(yè)，也是3個(gè)設(shè)計(jì)工序。 管道的材料設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，管道的布置設(shè)計(jì)是目的，管道的機(jī)械設(shè)計(jì)是安全保障。,2、壓力管道的材料設(shè)計(jì),管道材料設(shè)計(jì)涉及到管道標(biāo)準(zhǔn)體系的選用、材料選用、壓力等級(jí)的確定、管道及其元件型式的選用

3、 管道標(biāo)準(zhǔn)體系的選用：管道標(biāo)準(zhǔn)體系是指管道壓力等級(jí)、管道規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)系列，從管子外徑、法蘭等級(jí)上體現(xiàn)有兩大類標(biāo)準(zhǔn)體系，即： 以德國(guó)為代表的歐洲體系：管子開始采用小外徑體系，后改為大外徑體系，法蘭等級(jí)從PN0.1, PN0.25, PN0.6 ,PN1.0, PN1.6 , PN2.5, PN4.0, PN6.4, PN10, PN16 , PN32, PN40等。 蘇聯(lián)

4、和我國(guó)的許多標(biāo)準(zhǔn)都采用歐洲體系。但國(guó)際工程中很少采用。,管道設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：配管制，即：選擇管子、管件等管道元件的規(guī)格、壓力等級(jí)、材料種類等。,2、壓力管道的材料設(shè)計(jì),以美國(guó)為代表的歐洲體系：,2、壓力管道的材料設(shè)計(jì),2、壓力管道的材料設(shè)計(jì)2、2 材料選用要求,壓力管道用材料的基本要求是：強(qiáng)度、塑性、韌性、材料穩(wěn)定性、工藝性、可焊性、與輸送介質(zhì)的相容性。（相容性包括了耐腐蝕性、介質(zhì)溫度的要求）——（見《規(guī)程》第二十一條），尤其注意延伸

5、率不低于14%?！艿涝O(shè)計(jì)應(yīng)有足夠的腐蝕裕量。腐蝕裕量應(yīng)當(dāng)根據(jù)預(yù)期的管道使用壽命和介質(zhì)對(duì)材料的腐蝕速率確定，并且還應(yīng)當(dāng)考慮介質(zhì)流動(dòng)時(shí)對(duì)管道或受壓元件的沖蝕量和局部腐蝕以及應(yīng)力腐蝕對(duì)管道的影響，以滿足管道的安全運(yùn)行。（《規(guī)程》第四十八條）。——介質(zhì)溫度考慮高溫、低溫和環(huán)境溫度對(duì)材料的影響。例： 當(dāng)金屬管道外壁溫度受大氣環(huán)境條件影響，壓力管道設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的最低環(huán)境溫度，可以按照該地區(qū)氣象資料，取歷年來月平均最低氣溫的最低值

6、。 （《規(guī)程》第四十四條）。,2、壓力管道的材料設(shè)計(jì)2、2 材料選用要求,——注意幾種特殊材料的使用限制 灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵的使用（《規(guī)程》第二十四、二十五條） 碳素結(jié)構(gòu)鋼的使用（《規(guī)程》第二十六、二十七條） 碳鋼、碳錳鋼、低溫用鎳鋼不宜長(zhǎng)期在425℃以上使用（《規(guī)程》第二十九條） 奧氏體不銹鋼使用溫度高于540 ℃時(shí)，應(yīng)當(dāng)控制材料含碳量不低于0.04%，并且在固溶狀態(tài)下使用。（《規(guī)程》第三十條）不同制造方法的鋼管的

7、使用（《規(guī)程》第二十八條）,2、壓力管道的材料設(shè)計(jì)2、3 壓力等級(jí)的確定,,壓力等級(jí)的確定三原則：彈性準(zhǔn)則、等強(qiáng)度原則、靠系列原則。注意法蘭等級(jí)的確定：因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)法蘭壓力等級(jí)中沒有考慮管系載荷，因此，需要校核壓力等級(jí)。,《規(guī)程》第四十一條明確了管道組成件壓力的選用要求。注意：設(shè)計(jì)壓力應(yīng)當(dāng)不小于在操作中可能的最苛刻的壓力溫度組合工況。,3、壓力管道的布置3、1 概述,,管道布置的實(shí)質(zhì)是：給出管系的設(shè)計(jì)圖紙。,3、壓力管道的布置

8、3、1 概述,,3、壓力管道的布置3、1 概述,,4、內(nèi)壓下典型元件的強(qiáng)度計(jì)算,4、內(nèi)壓下典型元件的強(qiáng)度計(jì)算,2、,4、內(nèi)壓下典型元件的強(qiáng)度計(jì)算,從圖中可以看出：彎頭或彎管內(nèi)側(cè)應(yīng)力大于外側(cè)應(yīng)力,4、內(nèi)壓下典型元件的強(qiáng)度計(jì)算,,3、,4、內(nèi)壓下典型元件的強(qiáng)度計(jì)算,4、,4、典型元件的強(qiáng)度計(jì)算,,4、內(nèi)壓下典型元件的強(qiáng)度計(jì)算,,或,理論上需要的補(bǔ)強(qiáng)面積,支管增厚多余的面積,主管增厚多余的面積,實(shí)際需要的補(bǔ)強(qiáng)面積,補(bǔ)強(qiáng)寬度,4、內(nèi)壓下典型元

9、件的強(qiáng)度計(jì)算,,5、管系的應(yīng)力分析,為什么要進(jìn)行應(yīng)力分析？——管系的載荷復(fù)雜，如：,5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,為什么要進(jìn)行應(yīng)力分析？——管系的變形復(fù)雜，如：溫差引起的變形必須加以約束，否則，與之相連的設(shè)備剛性較大，無法吸收其變形而引起設(shè)備破壞。支撐作用的影響：不同支撐方式和位置會(huì)產(chǎn)生不同的附加應(yīng)力。管道的空間方位的影響：具有角向變形，產(chǎn)生扭矩。管道附件和介質(zhì)的自重影響：具有彎曲變形，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力,分析管系應(yīng)力和變形是分不

10、開的。管道設(shè)計(jì)者要討論：,1、管系應(yīng)力分析和柔性分析的目的？,2、什么情況下需要進(jìn)行管系應(yīng)力分析和柔性分析,3、如何進(jìn)行管系應(yīng)力分析和柔性分析,4、什么條件下管系應(yīng)力分析和柔性分析是合格的？,5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,若干個(gè)基本概念：應(yīng)力分類（一）一次應(yīng)力。一次應(yīng)力指的是由壓力、重力和其他外力載荷作用所產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力，一次應(yīng)力必須滿足外部和內(nèi)部的力和力矩的平衡法則。一次應(yīng)力是非自限性的，它始終隨所加載荷的增加而增加，超

11、過材料的屈服極限或持久強(qiáng)度時(shí)，將使管道發(fā)生塑性破壞或總體變形，因此在管系的應(yīng)力分析中，首先應(yīng)使一次應(yīng)力滿足許用應(yīng)力值。（二）二次應(yīng)力。二次應(yīng)力指的是由熱脹、冷縮、端點(diǎn)位移等位移載荷作用的產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，二次應(yīng)力不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形要求而必須產(chǎn)生的應(yīng)力。（三）峰值應(yīng)力。峰值應(yīng)力是指局部應(yīng)力集中或局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部熱應(yīng)力等所引起的較大的應(yīng)力。,①管道的二次應(yīng)力通常是由位移載荷引起的（如熱膨脹

12、量、附加位移，安裝誤差，振動(dòng)載荷）②二次應(yīng)力是自限性的，當(dāng)局部屈服和產(chǎn)生少量塑性變形時(shí),通過變形協(xié)調(diào)就能使應(yīng)力降低下來。③二次應(yīng)力的許用極限是基于周期性和疲勞斷裂模式，不取決于一個(gè)時(shí)期的應(yīng)力水平，而是取決于交變的應(yīng)力范圍和交變的循環(huán)次數(shù)。,5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,若干個(gè)基本概念：安定狀態(tài),5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,若干個(gè)基本概念：安定狀態(tài),5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,若干個(gè)基本概念：安定狀態(tài),GB20801.2中（

13、32）式的由來，注意符號(hào)上不一致。,5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,若干個(gè)基本概念：應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則,5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,若干個(gè)基本概念：劇烈循環(huán)工況：管道系統(tǒng)中的管子、管道元件或接頭中的位移應(yīng)力范圍超過許用應(yīng)力范圍的0.8倍，同時(shí)當(dāng)量循環(huán)次數(shù)N超過7000次。,GB20801.2中(37)式.計(jì)及軸向彎曲應(yīng)力和扭矩的剪應(yīng)力,GB20801.2中(35)式.折算為最大應(yīng)力范圍時(shí)的循環(huán)次數(shù),5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,管

14、系應(yīng)力分析的目的,5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,哪些情況下要進(jìn)行管系應(yīng)力分析,5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,哪些情況下要進(jìn)行管系應(yīng)力分析,5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,管系應(yīng)力分析的方法,如何求Y？（1）選擇任一端為始端，另一端為未端（2）分別計(jì)算空間熱脹量,5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,管系應(yīng)力分析的方法,5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,管系應(yīng)力分析的方法,5、管系的應(yīng)力分析與柔性分析,管系應(yīng)力分析的方法,,謝 謝