管道應力分析-孫學軍

1、管道應力分析管道應力分析主主 講：孫學軍講：孫學軍電電 話話:-mail：壓力管道設計審批人員培訓班壓力管道設計審批人員培訓班主辦：石油天然氣儲運技術(shù)中心站主辦：石油天然氣儲運技術(shù)中心站2主要內(nèi)容主要內(nèi)容管道應力分析基本理論埋地管道應力分析管道振動分析技術(shù)3Man-hours4000500002000000l 先看一組數(shù)據(jù)先看一組數(shù)據(jù)與與6060年代相比年代相比增加增加500500倍倍與與6060年代相比年代相比增加增加1010倍倍l為什么？為什么？1960年與現(xiàn)在相比，一個化工廠和核電廠管道應力分析所需人工時。年與現(xiàn)在相比，一個化工廠和核電廠管道應力分析所需人工時。

2、 數(shù)據(jù)來源：數(shù)據(jù)來源：PIPE STRESS ENGINEERING（L.C. PENG）4管道應力分析基本理論主要內(nèi)容主要內(nèi)容一.管道應力分析基礎知識介紹二.應力分析標準詳解三.管道跨距計算四.管道柔性分析五.管道支吊架設計5一.管道應力分析基礎知識介紹管道應力分析的目的、范圍、內(nèi)容管道受到的載荷、變形及失效形式材料的物理性能及強度理論基本概念6管道應力分析的目的、范圍、內(nèi)容目的：保證管道結(jié)構(gòu)的整體安全各種設計載荷作用下管道的應力在規(guī)范的許用范圍內(nèi)。保證管道系統(tǒng)運行正常動（靜）設備管口載荷符合制造商或公認標準的要求；避免法蘭等連接件泄露；避免管道位移量過大，影響其它設備或管道的運行；避免明顯

3、的管道振動。優(yōu)化設計 7范圍：8內(nèi)容：應力分析規(guī)定關(guān)鍵管線表確定管道系統(tǒng)生命周期內(nèi)可能遇到的載荷定義載荷工況靜態(tài)/動態(tài)確定應力、位移、載荷的限值使應力、位移、載荷限值在許用范圍內(nèi)應力分析報告應力ISO圖設備管口載荷結(jié)構(gòu)所受載荷特殊件要求其它建議支撐設計、選型提交業(yè)主提交現(xiàn)場項目項目計劃工藝PID工藝管線表數(shù)據(jù)表設備設備圖紙管口許用載荷土建土建結(jié)構(gòu)圖紙地質(zhì)參數(shù)配管布置圖、3DISO圖管道等級特殊件要求9應力分析管線分類:sample10關(guān)鍵管線表:sample11應力ISO圖:sample在管道單線圖的基礎上增加應力分析的節(jié)點號、約束點的位置及類型、約束點的位移量及載荷、備注等信息。12管道受到

4、的載荷、變形及失效形式管道受到的載荷：壓力操作壓力、試驗壓力；溫度重量活荷載：管內(nèi)輸送介質(zhì)的重量、測試的介質(zhì)重量、由于環(huán)境或操作條件產(chǎn)生的雪/冰荷載等。死荷載：管道重量、保溫重量及閥門（含執(zhí)行機構(gòu)）、法蘭等管道組成件重量。位移設備管口熱位移；基礎沉降、潮汐運動、風等作用下在管道連接處產(chǎn)生的位移；支撐結(jié)構(gòu)的變形；壓力延長效應產(chǎn)生的位移；13安全閥瀉放、柱塞流、風、波浪、地震、水/汽錘等偶然荷載；壓力循環(huán)、溫度循環(huán)、轉(zhuǎn)動設備、渦激振動等循環(huán)荷載 。14管道變形的基本形式：拉伸、壓縮剪切扭轉(zhuǎn)彎曲15管道的失效形式：管道應力分析的主要目標是阻止管道失效，因此了解管道的失效形式非常重要。常見的管道失效形

5、式如下：靜態(tài)斷裂陰影部分表示吸收能量的能力16靜態(tài)斷裂韌性斷裂：隨著載荷增加，材料屈服并產(chǎn)生塑性變形直至破壞。斷裂前的伸長量可達到25%，可見韌性材料的能量吸收能力。能量吸收能力對于靜態(tài)載荷的影響較小，但對于抵抗沖擊載荷的影響較大。如果沒有較大的能量吸收能力，非常小的沖擊載荷都可能產(chǎn)生破壞性的應力。韌性斷裂主要發(fā)生在裂紋缺陷處或形狀不連續(xù)處。由于屈服，載荷將會轉(zhuǎn)移到管道系統(tǒng)的其它部位。17脆性斷裂：不可預期且突然發(fā)生；脆性材料；塑性材料當溫度低于某一限定值時韌性降低。18疲勞斷裂在低于材料強度的交變應力作用下突然斷裂。19蠕變斷裂在高溫情況下，溫度和應力保持不變而應變不斷增加最終斷裂。20失穩(wěn)

6、管道失穩(wěn)主要由壓應力導致；主要出現(xiàn)在大直徑薄壁管道；深水環(huán)境中的厚壁管也可能出現(xiàn)失穩(wěn)。21其它失效形式腐蝕：壁厚減??；小腐蝕坑處應力增大降低了疲勞強度。侵蝕：流體對管道的侵蝕，如漿體管道、兩相流、泵進口汽蝕；碳鋼管道氫蝕因素有喘流、低PH值、低含氧量。應力腐蝕：金屬材料在腐蝕介質(zhì)中經(jīng)歷一段時間拉應力后出現(xiàn)裂紋與斷裂的現(xiàn)象。氫蝕：氫脆現(xiàn)象（溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成應力集中，超過鋼的強度極限，在鋼內(nèi)部形成細小的裂紋。）22材料的力學性能及強度理論力學性能：1.強度極限 2.屈服強度 3.斷裂 4.強化階段 5.局部變形階段最大拉應力理論：該理論認為：該理論認為：最大拉應力是引起斷裂的主要原

7、因最大拉應力是引起斷裂的主要原因即認為：即認為：無論材料處于什么應力狀態(tài)，只要最大拉應力達到無論材料處于什么應力狀態(tài)，只要最大拉應力達到單向拉伸時的抗拉強度，材料就會發(fā)生脆性斷裂。單向拉伸時的抗拉強度，材料就會發(fā)生脆性斷裂。屈服判據(jù)：屈服判據(jù)：強度準則：強度準則：適用于鑄鐵等脆性材料。這一理論沒有考慮其它兩個主應力適用于鑄鐵等脆性材料。這一理論沒有考慮其它兩個主應力的影響，且對沒有拉應力的應力狀態(tài)無法應用。的影響，且對沒有拉應力的應力狀態(tài)無法應用。23最大伸長線應變理論：該理論認為：該理論認為：最大伸長線應變是引起斷裂的主要原因最大伸長線應變是引起斷裂的主要原因即認為：即認為：無論材料處于什么

8、應力狀態(tài)，只要最大伸長線應變無論材料處于什么應力狀態(tài)，只要最大伸長線應變達到單向拉伸時的極限應變，材料就會發(fā)生脆性斷裂。達到單向拉伸時的極限應變，材料就會發(fā)生脆性斷裂。屈服判據(jù)：屈服判據(jù)：強度準則：強度準則：適用于鑄鐵等脆性材料。適用于鑄鐵等脆性材料。24最大切應力理論(Tresca準則)：該理論認為：該理論認為：最大切應力是引起屈服的主要原因最大切應力是引起屈服的主要原因即認為：即認為：無論材料處于什么應力狀態(tài)，只要最大切應力達到無論材料處于什么應力狀態(tài)，只要最大切應力達到單向拉伸屈服時所對應的最大切應力值，材料就會發(fā)生塑性單向拉伸屈服時所對應的最大切應力值，材料就會發(fā)生塑性屈服。屈服。屈服

9、判據(jù)：屈服判據(jù)：強度準則：強度準則：適用于塑性材料。形式簡單，一般情況下與實驗結(jié)果相比偏適用于塑性材料。形式簡單，一般情況下與實驗結(jié)果相比偏于安全，工程中廣泛應用。于安全，工程中廣泛應用。25形狀改變比能理論(Mises準則)：該理論認為：形狀改變比能該理論認為：形狀改變比能是引起屈服的主要原因是引起屈服的主要原因即認為：即認為：無論材料處于什么應力狀態(tài)，只要形狀改變比能達無論材料處于什么應力狀態(tài)，只要形狀改變比能達到單向拉伸屈服時所對應的形狀改變比能值，材料就會發(fā)生到單向拉伸屈服時所對應的形狀改變比能值，材料就會發(fā)生塑性屈服。塑性屈服。屈服判據(jù)：屈服判據(jù)：強度準則：強度準則：適用于塑性材料。

10、考慮較全面，更加精確。適用于塑性材料?？紤]較全面，更加精確。2627基本概念壓力管道應力分類的必要性：管道應力的校核主要是為了防止管壁內(nèi)應力過大造成管道自身的破壞。各種不同荷載引起不同類型的應力，不同類型的應力對損傷破壞的影響各不相同，如果根據(jù)綜合應力進行應力校核可能導致過于保守的結(jié)果，因此管道應力的校核采用了將應力分類校核的方法。應力分類校核遵循的是等安全裕度原則，也就是說，對于危險性小的應力，許用值可以放寬;危險性大的應力，許用值要嚴格控制。應力分類是根據(jù)應力性質(zhì)不同人為進行的，它并不一定是能夠?qū)嶋H測量的應力。28一次應力：一次應力是由壓力、重力、和其它外力荷載所產(chǎn)生的應力。它必須滿足外部

11、、內(nèi)部力和力矩的平衡。一次應力的基本特征是非自限性的，它始終隨所加荷載的增加而增加，超過屈服極限或持久強度將使管道發(fā)生塑性破壞或者總體變形。管道承受內(nèi)壓和持續(xù)外載而產(chǎn)生的應力屬于一次應力。管道承受風荷載、地震荷載、水擊和安全閥瀉放荷載產(chǎn)生的應力也屬于一次應力，但這些荷載屬于偶然荷載。29二次應力：二次應力是由于熱脹、冷縮、端點位移等位移荷載的作用所產(chǎn)生的應力。它不直接與外力相平衡。二次應力的特點是具有自限性，即局部屈服或小量變形就可以使位移約束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)增大。一般在管系初次加載時，二次應力不會直接導致破壞，只有當應變在多次重復交變的情況下，才會引起管道疲勞

12、破壞。但也應該注意，當位移荷載極大，局部屈服或小量變形不足以滿足位移約束條件或自身變形連續(xù)要求時，管道也可能在一次加載過程中就發(fā)生破壞。 30應力增大系數(shù)：當管道幾何形狀發(fā)生急劇變化時，位移應力范圍的計算值與直管相比有所增加。對于平滑過渡的彎頭和彎管，受彎后管道出現(xiàn)扁平化，抗彎剛度有所減小,對于斜接彎管和支管連接，由于幾何不連續(xù)產(chǎn)生應力集中, 導致材料抗疲勞能力有所削弱。二次應力校核主要是為了防止疲勞破壞，為了考慮這種效應，在進行二次應力校核時引入了應力增大系數(shù)。定義: 受彎矩的作用，在非直管的組成件中，產(chǎn)生疲勞損壞的最大彎曲應力與承受相同彎矩、相同直徑及厚度的直管產(chǎn)生疲勞損壞的最大彎曲應力的

13、比值，稱為應力增大系數(shù)。因彎矩與管道組成件所在平面不同，有平面內(nèi)及平面外的應力增大系數(shù)。31確定方法:疲勞試驗方法:按照不同應力幅對直管進行一系列疲勞試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，擬合得到直管疲勞曲線表達式:按照不同應力幅對管件進行一系列疲勞試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，擬合得到管件疲勞曲線表達式:應力增大系數(shù):由以上兩式得:32ASME B31JASME B31J33數(shù)值分析方法:步驟:建立管件有限元分析模型;提取峰值應力強度和基準應力;計算應力集中系數(shù)SIF;應力增大系數(shù)取應力集中系數(shù)的1/2.FE PipeANSYS34這是因為依據(jù)規(guī)范進行柔性分析計算的彎曲載荷引起的應力范圍約是峰值應力范圍的一半。對于典型

14、的對焊管的焊接接頭，其應力集中系數(shù)為2。由于應力是與對焊管的疲勞曲線相比較，計算得到的是實際峰值應力范圍的一半。因此，理論應力，例如彎頭中由彎曲載荷產(chǎn)生的應力，是按規(guī)范進行管道柔性分析計算的應力的2倍。35柔性系數(shù)：表示管道元件在承受力矩時，相對于直管而言其柔性增加的程度。即:在管道元件中由給定的力矩產(chǎn)生的每單位長度元件的角變形與相同直徑及厚度的直管受同樣力矩產(chǎn)生的角變形的比值。36二.應力分析標準詳解ASME B31.1ASME B31.3ASME B31.4ASME B31.837ASME B31.1-2016持續(xù)應力：沒有包含持續(xù)軸向外載產(chǎn)生的軸向應力Fax/A；在計算持續(xù)外載彎扭合成力

15、矩產(chǎn)生的持續(xù)應力時考慮0.75i（且不小于1）的應力增大系數(shù)；38解釋：管道在內(nèi)壓作用下，管壁將產(chǎn)生內(nèi)壓環(huán)向應力SHP、內(nèi)壓軸向應力SLP和內(nèi)壓徑向應力SR。由于內(nèi)壓徑向應力較小，通常忽略不計。在持續(xù)外載作用下，將產(chǎn)生持續(xù)外載軸向應力SAX、彎曲應力和扭轉(zhuǎn)應力。由于外載產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應力較小，可以認為外載彎曲應力和扭轉(zhuǎn)應力組合的當量應力方向基本沿管道軸向。因此，管道在內(nèi)壓和持續(xù)外載作用下，管壁上的三個主應力仍為環(huán)向應力、軸向應力（包括內(nèi)壓軸向應力SLP 、持續(xù)外載軸向應力SAX 、當量應力SC）和徑向應力。39由于內(nèi)壓作用下直管壁厚計算公式是薄壁模型，基于第三強度理論：因此，合成軸向應力不大于內(nèi)壓

16、環(huán)向應力。合成軸向應力最大時與內(nèi)壓環(huán)向應力相等，此時再依據(jù)第三強度理論有：B31.1沒有包含持續(xù)軸向外載產(chǎn)生的軸向應力SAX，忽略內(nèi)壓徑向應力SR，上式變?yōu)椋杭矗?0偶然應力：許用應力放大系數(shù)K：1.15-每次作用時間不超過8h,每年不超過800h;1.20-每次作用時間不超過1h,每年不超過80h;41位移應力范圍：沒有區(qū)分平面內(nèi)和平面外應力增大系數(shù);采用最大剪應力理論.42結(jié)構(gòu)安定性條件：結(jié)構(gòu)安定性的定義:當荷載在一定范圍內(nèi)反復變化時，結(jié)構(gòu)不發(fā)生連續(xù)的塑性變形循環(huán)。也就是說，在初始幾個循環(huán)之后，結(jié)構(gòu)內(nèi)的應力應變都按線彈性變化，不再出現(xiàn)塑性變形。為防止結(jié)構(gòu)發(fā)生低周疲勞，結(jié)構(gòu)必須具有安定性。結(jié)

17、構(gòu)安定性條件:彈性應力范圍不大于屈服極限的二倍（準確地說是冷態(tài)屈服強度與熱態(tài)屈服強度的和）。材料的彈塑性應變循環(huán)43二次應力校核來源：根據(jù)結(jié)構(gòu)安定性條件，彈性許用應力范圍是冷態(tài)屈服強度與熱態(tài)屈服強度的和，即：一般許用應力取2/3屈服強度Markl suggested持續(xù)應力SPW最大為熱態(tài)許用應力Sh當循環(huán)次數(shù)低于7000時，許用應力范圍減小系數(shù)f不再增大，因為f =1時彈性許用應力范圍已經(jīng)達到安定性條件界限。但當循環(huán)次數(shù)低于7000時，實際的安全系數(shù)是增大的。44ASME B31.3-2016持續(xù)應力：ASME B 31.3要求由重量、內(nèi)壓和其它持續(xù)載荷所產(chǎn)生的縱向應力之和SL不超過在操作溫

18、度下材料的基本許用應力Sh，但ASME B 31.3 2010年以前的版本并沒有明確給出縱向應力的計算公式。ASME B31.3在1985年5月8日的釋義4-10中，要求計算縱向應力時考慮軸向力的作用。因此，一般認為管道縱向應力由附加軸向外力、彎矩和內(nèi)壓引起，計算公式為：SL=Fax/A+(iiMi)2+(ioMo)21/2/Z+Pdo/4t=Sh45自ASME B 31.3 2010版給出了縱向應力的計算公式：區(qū)分平面內(nèi)、平面外應力增大系數(shù)；應力增大系數(shù)取0.75i且不小于1。! 2014版本開始46解釋：管壁徑向應力很小，分析時通常忽略不計，管壁的應力狀態(tài)可以看作二向應力狀態(tài)。垂直紙面可以

19、看做壁厚方向因此，最大主應力和最小主應力為：）2222xyyxyxm inm ax （xy x xy yO47根據(jù)最大剪應力理論：最大許用剪應力是最大許用拉應力的一半,因此：假設x方向沿管道的軸向，則x主要由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應力SLP、持續(xù)軸向力產(chǎn)生的軸向應力SAX、彎矩產(chǎn)生的彎曲應力Sb組成，y主要是內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應力SHP，xy是扭轉(zhuǎn)應力。48則x= SLP+ SAX + Sb（注意的是SAX和Sb均存在正負）又y= SHP =2 SLP xy= St上式最大值為：由于：其最大值為：由于：已經(jīng)為正值。49偶然應力：公式與一次應力相同，應力放大系數(shù)K取1.33。50位移應力范圍：2010版：2

20、012版：位移應力范圍計算區(qū)分彎矩扭矩；區(qū)分平面內(nèi)和平面外應力增大系數(shù)；位移應力范圍許用值計算公式與B31.1一致，但兩個規(guī)范的許用應力取值不同。51ASME B31.4-2016管道的約束狀態(tài)影響管道的應力及所采用的分析方法，出于設計目的，B31.4將管道分為完全受約束（restrained）和非完全受約束（unrestrained）兩種情況。“非完全約束”指管道能夠產(chǎn)生軸向應變和橫向位移，能夠產(chǎn)生軸向應變和橫向位移，不能滿足以上兩個條件的為“完全約束” 。約束狀態(tài)可能變化，與施工、支撐條件、土壤屬性、地形、時間等因素有關(guān)。52（a）非完全約束的管道非完全約束的管道包含以下但不限于以下方面：

21、1）能夠吸收溫度膨脹和支撐移動的地上管道系統(tǒng)；2）敷設在軟質(zhì)或非固結(jié)土壤中的彎頭及與其相鄰的管道；3）埋地管道的未回填段（能夠橫向變形或包含彎頭）；4）未錨固段。（b）完全約束的管道1）遠離彎頭部分的埋地管道；2）靠近剛性支撐、兩端及方向改變處錨固的地上管道；3）敷設在堅硬或固結(jié)土壤中的彎頭及與其相鄰的管道。目的在于區(qū)分應力類型，自限性/非自限性。場站內(nèi)的埋地管道屬于非完全約束。線路埋地長直管道屬于完全約束，靠近彎管及錨固墩的部分應結(jié)合實際情況確定。53應力計算：54555657不超過1.258應力校核：2009版縱向應力SL校核條件是不大于0.54SY59ASME B31.8-2016ASM

22、E B 31.8輸氣和配氣管道系統(tǒng)也將管道分為完 全 受 約 束 （ r e s t r a i n e d ） 和 非 完 全 受 約 束（unrestrained）兩種情況，區(qū)分原則與ASME B 31.4一致。除ASME B31.4、B31.8以外，Z662、AS 2885.1等標準也區(qū)分“restrained”和“unrestrained”。60管件彎矩考慮應力增大系數(shù)，0.75i且大于1；扭矩不考慮應力增大系數(shù)；溫度應力計入縱向應力。2014變化61不超過1.06263由于大部分長輸管道相對簡單，管道應力相對容易預見，因此長輸管道規(guī)范許用應力與工藝管道相比較高。然而，由于采用大口徑高

23、強鋼、特殊地質(zhì)條件及自然災害導致的滑移、漂管、沉降等特殊問題對管道應力分析提出了更高的要求！64三.管道跨距計算影響管道跨距的因素管道跨距強度條件管道跨距剛度條件建議的管道跨距支撐位置設置原則65影響管道跨距的因素管道尺寸管道布置形式管內(nèi)流體管外絕緣管道上的集中質(zhì)量，如閥門等。防止管道振動管道材料在設計溫度的許用應力允許撓度，防止積液66管道跨距強度條件強度條件：管道中的最大縱向應力不大于設計溫度下的許用應力。（一次應力校核準則）式中：Mmax 最大彎距；W 管道抗彎截面模量；Di 管道內(nèi)徑；Do 管道外徑；D 管道平均直徑；S 管道壁厚。按薄壁理論，W也可以：6768管道跨距剛度條件剛度條件

24、：以固有頻率表示，避免管道在輕微干擾力下振動。對大部分非振動管線，固有頻率在4Hz以上基本可以避免振動。 靜態(tài)下管道在重力下的撓度，in。GB50316：裝置內(nèi)最大撓度15mm，裝置外最大撓度38mm。69建議的管道跨距不適用于立管70支撐位置設置原則盡量利用已有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,減小額外的設置（振動管道除外）；在方向改變處跨距應折減；在集中載荷附近設置支撐；在需要拆卸的設備或儀表附近設置支撐，以方便維護；支撐的位置應盡量減小設備管口的受力，敏感設備附近考慮足夠的空間設置補償；支撐的位置盡量使其本身受力減小，且不影響生根部件；振動管道應結(jié)合詳細應力分析確定支撐位置和類型；盡量少用彈簧支撐；盡量不影響

25、巡檢通行。71增加額外結(jié)構(gòu)增加額外結(jié)構(gòu)且有可能滑落且有可能滑落7273盡量靠近管嘴盡量靠近管嘴或至少在重心或至少在重心以上（承重以上（承重架）；架）；立管較高時下立管較高時下方應設置導向方應設置導向架。架。74四.管道柔性分析柔性分析的目的保證管道柔性足夠的方法支撐的剛度容器管口的柔性法蘭校核設備管口校核75柔性分析的目的管道柔性反映管道變形的難易程度，表示管道通過自身變形吸收熱脹、冷縮和其他位移變形的能力。柔性分析的目的是保證管道在設計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹、冷縮、端點附加位移等造成下列問題：管道應力過大或疲勞引起的破壞；管道連接處產(chǎn)生泄露；管道推力或力矩過大，使與其連接的設備

26、產(chǎn)生過大的應力或變形，影響設備正常運行；管道推力或力矩過大引起管道支吊架破壞。76保證管道柔性足夠的方法管道自身的柔性1ASME B31.377假設1臺泵運行：東西向膨脹長度：0.9m南北加豎直長度：1.5+1.2+0.6=3.3m南北向膨脹長度：1.2m東西加豎直長度：1.5+0.9+0.6=3.0m豎直向膨脹長度：0.3+1.5+0.6+0.9=3.3m南北加東西長度：1.2+0.9=2.1m50為粗粒土，通過0.075 mm篩的顆粒含量50為細粒土)，粗粒土按各粒徑的含量進行分類，細粒土按液限和塑性指數(shù)的關(guān)系點在塑性圖上的位置進行分類。但因試驗所用設備在尺寸、形狀以及其他的型號規(guī)格上有許

27、多差別之處，因此兩個標準也有不同點。119一.土壤分類與定義ASTM D2487粘土clay：在一定含水量范圍內(nèi)通過0.075mm標準篩，呈現(xiàn)塑性，風干后具有一定的強度。塑性指數(shù)4，位于塑性圖表A線之上。粉土silt：通過0.075mm標準篩，基本不呈現(xiàn)塑性，風干后沒有強度。塑性指數(shù)10的深埋管道不適用。的深埋管道不適用。126下方極限載荷：下方屈服位移：127注意： 軸向土彈簧采用回填土的參數(shù)，其它土彈簧通常采用原狀土的參數(shù)。 只有當管線的移動沒有受到管溝以外土壤的影響時，水平及上方土彈簧才采用回填土的參數(shù)。(通常管溝寬度3D時) 對于地表到管道埋深處土壤參數(shù)是變化的深埋管道，可能不能代表真

28、實的土壤載荷條件。 對于海底管道，水平土壤載荷將會隨著管道側(cè)方土壤的堆積逐漸增加。128Peng理論（CAESAR II Basic Soil Modal）129橫向極限載荷：管道單位長度上的橫向剛度：屈服位移：管道單位長度上的軸向剛度：屈服位移系數(shù)默認為0.015。130131132ASME B31.1 附錄VII管土接觸面最大相對應變：133土壤反作用模量（土壤剛度）：只給出水平方向的計算公式，豎直方向給出了參考文獻及相關(guān)建議134管土接觸面單位摩擦力：管土系統(tǒng)特征參數(shù)：135136錨固段長度計算137138三.內(nèi)壓對管道系統(tǒng)柔性分析的影響 內(nèi)壓作用下，管道壁厚上產(chǎn)生環(huán)向應力、軸向應力和徑

29、向應力，同時產(chǎn)生軸向和環(huán)向伸長。軸向伸長對管道系統(tǒng)的影響與溫度膨脹的影響相同，使柔性不足的管系產(chǎn)生較高的彎曲應力。內(nèi)壓的作用也會提高彎管的剛度，減小彎管柔性系數(shù)和應力增大系數(shù)。然而，大部分管道應力分析專業(yè)大部分管道應力分析專業(yè)軟件（軟件（CAESAR IICAESAR II、AutoPipe AutoPipe 等）采用梁單元，不能像三維殼體單元那樣直等）采用梁單元，不能像三維殼體單元那樣直接反映內(nèi)壓的影響接反映內(nèi)壓的影響，內(nèi)壓對管道的伸長作用和對彎管剛度的影響，是通過修改軟件的配置文件實現(xiàn)的。目前，大部分設計人員在進行管道應力分析時，通常采用軟件的默認設置，忽略了內(nèi)壓對管道系統(tǒng)柔性的影響，這種

30、做法可能導致非保守的應力分析結(jié)果。因此，有必要就內(nèi)壓對管道系統(tǒng)柔性的影響進行討論。139將內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向伸長轉(zhuǎn)換成等效溫度升高產(chǎn)生的軸向膨脹將內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向伸長轉(zhuǎn)換成等效溫度升高產(chǎn)生的軸向膨脹，上圖 所示為環(huán)向應力與等效溫度升高的關(guān)系。以設計壓力 12MPa 的某輸氣管道為例，對于線路 121918.4 X80 管道，內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向伸長相當于 32.97的溫度升高（環(huán)向應力 391.5MPa）產(chǎn)生的軸向膨脹，對于站內(nèi) 121927.5 X80 管道，內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向伸長相當于 21.89的溫度升高（環(huán)向應力 259.9MPa）產(chǎn)生的軸向膨脹，對于站內(nèi)21914 L245 管道，內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向伸長

31、相當于 7.39的溫度升高（環(huán)向應力 87.9MPa）產(chǎn)生的軸向膨脹?？梢姡瑑?nèi)壓對管道軸向伸長的影響較大，特別是大口徑高強度、溫度變化范圍小的管道大口徑高強度、溫度變化范圍小的管道（如長輸管道），內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向伸長不容忽視（如長輸管道），內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向伸長不容忽視。140 內(nèi)壓對管道的軸向伸長作用較大， 特別是對于長輸管道， 內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向伸長尤為顯著。因此，長輸管道的應力分析應考慮內(nèi)壓的軸向伸長作用。對于壁厚一致的彎管，內(nèi)壓有使彎管張開的作用，而實際彎管內(nèi)弧壁厚大于外弧壁厚，大大減小張開作用。根據(jù)經(jīng)驗，在進行應力分析時，通通常不考慮內(nèi)壓對彎管的張開作用常不考慮內(nèi)壓對彎管的張開作用。 內(nèi)壓使彎

32、管的柔性系數(shù)和應力增大系數(shù)折減， ASME B31 管道規(guī)范在計算彎管柔性系數(shù)和應力增大系數(shù)時考慮該影響，但在實際應用中，對于對于壓力迅速減小到零，而溫度處于逐漸減小壓力迅速減小到零，而溫度處于逐漸減小或維持狀態(tài)的工況，不應考慮內(nèi)壓對柔性系數(shù)和應力增大系數(shù)的折減作用。141四.地震分析GB 50316：地震烈度在9度及以上時，應進行地震驗算。SH 3039：對于懸臂結(jié)構(gòu)及僅有承重支撐的長管道也應考慮豎直方向。142GB50470：油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范143144GB50011：145管道系統(tǒng)阻尼比通常為0.020.08。146五.含缺陷管道的評價采用有限元法根據(jù)相關(guān)標準進行評價14

33、7管道振動分析技術(shù)主要內(nèi)容主要內(nèi)容一.振源二.設備振動引起的管道振動三.流體引起的管道振動四.振動評價五.振動預防和緩解措施148管道振動引起的疲勞失效會導致： 安全問題 產(chǎn)量降低 整改費用 環(huán)境影響等英國安全與健康部：發(fā)布的關(guān)于海上工業(yè)的數(shù)據(jù)顯示，英國北海區(qū)域碳氫化合物泄漏事故超過20%是由于管道振動和疲勞失效導致的。西歐：石油化工廠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，大約10%15%的管道疲勞失效是由于管道振動導致的。數(shù)據(jù)來源：數(shù)據(jù)來源：Guidelines for the Avoidance of Vibration Induced Fatigue in Process Pipework（Energy In

34、stitute）149導致管道振動的因素通常是多方面的，可能是管道結(jié)構(gòu)設計不合理，也可能是施工質(zhì)量差降低了管道的剛度或者運行操作不當導致。國外經(jīng)驗表明，減小或消除管道振動最好的辦法是在設計階段設計階段進行管道振動分析、在施工階段保證良好的施工質(zhì)量、在運營階段運營階段將管道振動監(jiān)測作為投產(chǎn)運行測試的一部分。在設計階段進行大量的分析是復雜的、且問題較多，目前除API618往復壓縮機管道外，很少有項目在設計階段進行系統(tǒng)的管道振動分析。這主要有兩方面原因：兩方面原因：一方面是管道規(guī)范關(guān)于管道振動方面的要求通常只是一些原則性的要求，這些原則性的要求在項目執(zhí)行過程中可操作性差，從而導致管道振動被認為是一種

35、特殊的、通常被忽視的情況；另一方面是管道振動分析技術(shù)涉及機械振動、材料力學、流體力學、聲學、數(shù)值分析等多個學科的知識及工程經(jīng)驗，一般設計人員較難掌握。振源設備振動導致的流體導致的直接的間接的設備振動引起結(jié)構(gòu)或基礎振動，再通過支撐傳遞給管道設備振動通過管嘴直接傳遞給管道脈動湍流葉片、活塞產(chǎn)生的周期性壓力脈動管內(nèi)形成湍流引起壓力波動振源液擊泵的啟停，閥門突然開關(guān)150氣蝕設備振動引起的管道振動兩種原因：通過管嘴直接傳到管道；通過安裝在橇裝設備上的支撐或剛度低的基礎傳到管道上。如果轉(zhuǎn)動設備動平衡差，振動頻率是旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動頻率。如果轉(zhuǎn)動設備沒有牢固固定在基礎上，比如某個螺栓沒有固定好，也以旋轉(zhuǎn)軸的頻率

36、振動。如果設備振動頻率接近管道固有頻率，管道發(fā)生振動，同時會放大泵或壓縮機的機械振動。151激發(fā)頻率60關(guān)鍵轉(zhuǎn)速 ,RPMf 152 分析時，確定主要振動頻率和振動方向后進行管道結(jié)構(gòu)諧響應分析，并進行評價。153流體引起的管道振動154葉片和活塞運動葉片和活塞運動往復機離心機155泵、壓縮機以平均壓力P輸送流體，當葉片通過出口管嘴或活塞完成一個沖程，下游流體會出現(xiàn)一個正弦壓力波動dP。連續(xù)排出的流體導致周期的壓力P+dP沿著管子向下游傳播，在方向改變或橫截面變化的位置產(chǎn)生一個不平衡力。通常，離心機產(chǎn)生的力很小，除非管道柔性較大，一般不會導致管道明顯振動，但對于往復機，將會產(chǎn)生明顯的振動。主頻率

37、 Hz葉片通過葉片數(shù)RPM/60活塞運動活塞數(shù)CPM注：RPM為每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)；CPM為每分鐘活塞完成沖程的個數(shù)。壓力脈動頻率156在流體剪切層，靠近壁面的流體流速低、遠離壁面的流體流速高，在分支處流體剝離，形成渦流。渦流對支管內(nèi)的流體產(chǎn)生周期性擠壓，從而引起管道振動。渦流引起的壓力波動也可能引起安全閥打開。 湍流引起的振動湍流引起的振動內(nèi)流157158流體在流過儀表套管等障礙物處，障礙物后方也會產(chǎn)生渦流，從而導致障礙物振動。外流159160where:v is the fluid velocity, d is the representative dimension of the compon

38、ent,S is the Strouhal number.161當壓力脈動從激振源(如泵或壓縮機進出口)向管道上下游傳播時，在不連續(xù)處(關(guān)閉的閥門、孔板等)或體積變大處(罐，匯管等)會發(fā)生反射，入射波和反射波的疊加在管道系統(tǒng)內(nèi)將形成駐波。當壓力脈動頻率與管道系統(tǒng)的聲學頻率接近時，便會發(fā)生聲學共振。聲學振動聲學振動復雜管道：通過轉(zhuǎn)移矩陣法或有限元法計算。氣柱固有頻率：波動方程：兩端為開口或兩端為閉口：)2/( LnafAP一端為開口一端為閉口：)4/()12(LanfAP162當往復機的激振頻率或渦流脫落頻率與流體聲學固有頻率相同或接近時，流體便發(fā)生共振，支管內(nèi)流體壓力的不均勻度會達到一個極大值

39、。：質(zhì)量因子（振幅放大因子）：激發(fā)頻率0：固有頻率：阻尼比對于天然氣，阻尼比非常小，當氣柱發(fā)生共振時，聲壓值會放大上百倍。聲學響應：163 聲壓分布力編號正常（N）共振時（N）FA-B93.715648FB-C22.23707氣柱共振時的激振力164165截止頻率：小于該頻率平面聲波沿管道軸向傳播平面波平面波橫向波橫向波方管方管圓管圓管166橫向波波形：管壁振動通常發(fā)生在高頻率下，特別是大直徑薄壁管 (直徑與壁厚比值D/t大于100)，其周向呈葉狀振型。167脈動源脈動源傳遞到管道系統(tǒng)傳遞到管道系統(tǒng)管道和結(jié)構(gòu)響應管道和結(jié)構(gòu)響應材料屬性和截面參數(shù)材料屬性和截面參數(shù)壓力和流量波動壓力和流量波動脈動

40、力脈動力振動振動位移位移循環(huán)應力和疲勞失效循環(huán)應力和疲勞失效聲學響應放大聲學響應放大結(jié)構(gòu)響應放大結(jié)構(gòu)響應放大脈動和振動：PulsimPulsAnsys FluentAnsys CFXPulsimPulsAnsys FluentAnsys CFXPulsimCAESAR IIPulsimCAESAR IIAnsys MechanicalAnsys Mechanical1680.1110100100010000012脈動幅值（脈動幅值（u/Uo）頻率（頻率（Hz）工藝介質(zhì)往復機流致振動離心機閥門噪音振動評價振動評價API 618 Reciprocating CompressorAPI 618 Re

41、ciprocating Compressor 按照API618標準, 根據(jù)設計項目中壓力的高低及功率的大小將管道振動評價分為三種設計方法。 方法一: 經(jīng)驗的脈動抑制裝置確定尺寸；脈動準則 方法二: 聲學模擬和管路約束力分析；脈動準則、激振力準則、固有頻率分離裕度準則 方法三: 聲學模擬和管路約束力分析，加上力學分析（如必要帶強制機械響應的分析）。振動準則/交變應力準則 方法一最簡單，但對壓力不均勻度的要求最嚴格，方法二、三較復雜，但所需分析的內(nèi)容更多。169170頻率低于10Hz：許用振幅0.5mm；頻率10200Hz：許用振動速度32mm/s；振動水平超過上述值，應確保循環(huán)應力峰峰值低于18

42、0N/mm2；僅用于設計階段，不宜用于現(xiàn)場振動驗收。171TNO頻率低于10Hz：許用振幅1.3mm；頻率10150Hz：許用振動速度80mm/s；TNO通常計算循環(huán)應力，為避免疲勞，附屬設備的振動也要計算。Energy Institute AVIFF GuidelineEnergy Institute AVIFF Guideline適用于新建、已建、改造項目定性評估:通過激振源初步評估風險等級；定量評估:對于高風險區(qū)域，進行定量評估。172Southwest Research InstituteSouthwest Research Institute 曲線的經(jīng)驗值是基于往復式壓縮機管道系統(tǒng)的

43、大量測試數(shù)據(jù)Note: Indicated vibration limits are for average piping system constructed in accordancewith good engineering practices. Make additional allowances for critical applications, unreinforced branch connections, etc.173174EFRCEFRC 測試程序： 主要測試21000Hz振動速度（mm/s RMS）； 對于低于10Hz的，同時測試振動幅值； 對于高于200Hz的，同時測試振動加速度； 所有位置的振動均應在規(guī)定范圍內(nèi)； 如果某一振動水平超過限值，應進行頻譜分析。175 定義： 176 不同部位振動水平限