管道應(yīng)力分析設(shè)計規(guī)定

1、 質(zhì) 量 管 理 體 系 文 件 HQB-B06-05.306PP-2003設(shè)計規(guī)定管道應(yīng)力分析設(shè)計規(guī)定版 號：0 受控號：2003年 月 日發(fā)布 2003年 月 日實施 管道應(yīng)力分析設(shè)計規(guī)定HQB-B06-05.306PP-2003版 號編 制校 核審 核批 準(zhǔn)批準(zhǔn)日期0主編部室：管道室 參編部室：參編人員： 參校人員：會簽部室簽 署會簽部室簽 署會簽部室簽 署 說明： 1文件版號為A、B、C.。 2每版號中局部修改版次為1/A、2/A，1/B、2/B，1/C、2/C。 本規(guī)定（HQB-B06-05.306PP-2003）自2003年 月實施。目 錄1.總則12. 應(yīng)力分析管線的分類及應(yīng)力分

2、析方法23. 管道應(yīng)力分析設(shè)計輸入和設(shè)計輸出64. 管道應(yīng)力分析條件的確定95. 管道應(yīng)力分析評定準(zhǔn)則11附件1 管線應(yīng)力分析分類表14附件2 設(shè)備管口承載能力表15附件3 柔性系數(shù)和應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)16附件4 API 610一般煉廠用離心泵(摘錄) 17附件5 NEMA SM23 (摘錄) 22附件6 API 661 一般廠用空冷器(摘錄) 231. 總則1.1 適用范圍 本規(guī)定適用于石油化工生產(chǎn)裝置及輔助設(shè)施中的碳鋼、合金鋼及不銹鋼管道的應(yīng)力分析設(shè)計工作。本規(guī)定所列內(nèi)容為管道應(yīng)力分析設(shè)計工作的最低要求。 管道應(yīng)力分析設(shè)計應(yīng)保證管道在設(shè)計和工作條件下，具有足夠的強(qiáng)度和合適的剛度，防止管道因熱脹冷

3、縮、支承或端點的附加位移及其它的荷載（如 壓力、自重、風(fēng)、地震、雪等）造成下列問題：1) 管道的應(yīng)力過大或金屬疲勞引起管道或支架破壞。2) 管道連接處泄漏。3) 管道作用在與其相聯(lián)的設(shè)備上的載荷過大，或在設(shè)備上產(chǎn)生大的變形或應(yīng)力，而影響了設(shè)備的正常運(yùn)行。4) 管架因強(qiáng)度或剛度不夠而造成管架破壞。5) 管道的位移量過大而引起的管道自身或其它管道的非正常運(yùn)行或破壞。6) 機(jī)械振動、聲頻振動、流體錘、壓力脈動、安全閥泄放等動荷載造成的管道振動及破壞。1.2 應(yīng)力分析設(shè)計工作相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范：1) GB150-1999 鋼制壓力容器2) GB50316-2000 工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范3) HG/T20

4、645-1998 化工裝置管道機(jī)械設(shè)計規(guī)定4) JB/T8130.295 可變彈簧支吊架5) JB/T8130.195 恒力彈簧支吊架6) HQB-B06-05.203PP-2003簡化柔性計算的規(guī)定7) ASME/ANSI B31.3 Process Piping8) ASME/ANSI B31.1 Power Piping9) ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution pipingsystems10) ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping system

5、s11) API 610 Centrifugal Pumps for General Refinery Services12) API 617 Liquid Transportation System for Hydrocarbone, Liquid ,Petroleum Gve, Anhydrone Ammonis , and Alcohols 13) NEMA SM-23 Steam Turbine14) API 661 Air-Cooled Heat Exchangers for General Refinery Service 15) HQB-B06-05.105PP-2003 管道配

6、管設(shè)計規(guī)定16) HQB-B06-04.301PP- 管架設(shè)計工程規(guī)定17) SHJ.41-91 石油化工企業(yè)管道柔性設(shè)計規(guī)范18) GB 50316-2000 工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范2. 應(yīng)力分析管線的分類及應(yīng)力分析方法2.1 應(yīng)力分析管線的分類 原則上，所有的管線均應(yīng)做應(yīng)力分析，并根據(jù)管線的類別（溫度、壓力、口徑、壁厚、所連接的設(shè)備的荷載要求等）確定應(yīng)力分析的方法和詳細(xì)程度。如果項目中沒有具體規(guī)定，可按以下方法對應(yīng)力分析管線進(jìn)行分類。 類管線（見附錄1） 此類管線采用目測檢驗或簡化分析方法。 類管線（見附錄1）此類管線要求進(jìn)行分析，并可采用公認(rèn)的簡化計算方法（或圖表）進(jìn)行分析計算。（詳見附錄

7、1） 此種分析計算應(yīng)有分析計算報告，分析報告適用于：1) 高壓管線2) 鍋爐水管線3) 工藝管線4) 天然氣及液化天然氣管線 類管線（見附錄1） 此類管線應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行計算機(jī)輔助計算分析，下列管線均屬于此類管線范疇：2.1.3.1 與具有對載荷敏感的轉(zhuǎn)動機(jī)械相連的管線，它包括以下幾類：1) 與泵相連的管線,由于泵口載荷校核依據(jù)操作工況下的載荷進(jìn) 行，故當(dāng)管線操作條件為以下條件時，應(yīng)做詳細(xì)應(yīng)力分析。a) 溫度150°C （或-140°C）， 公稱直徑大于或等于 DN100(4”)的管線；b) 溫度120°C （或-90°C）， 公稱直徑大于或等于DN300(1

8、2”) 的管線；c) 溫度150°C（或-140°C），且管線公稱直徑大于管口公稱直徑的管線。2) 與往復(fù)式、離心式壓縮機(jī)、透平相連接的管線，由于設(shè)備管口載荷校核依據(jù)操作工況下的載荷進(jìn)行，故當(dāng)管線操作溫度高于120°C，公稱直徑大于或等于DN80(3”)的管線，應(yīng)做詳細(xì)應(yīng)力分析。3) 與空冷器相連的管線，當(dāng)其管徑大于或等于DN150(6”)或設(shè)計溫度大于或等于120°C時，應(yīng)做詳細(xì)應(yīng)力分析。2.1.3.2 與對應(yīng)力敏感的設(shè)備相連的管道，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析。它包含以下幾 類：1) 與按照ASME第卷第二章部分設(shè)計的設(shè)備相連的管道；2) 與加熱器相連的管道；3)

9、 與鋁制設(shè)備相連的管道；4) 進(jìn)出加熱爐及蒸汽發(fā)生器的工藝管道，以及再生及除焦管道；5) 進(jìn)出汽輪機(jī)的蒸汽管道；6) 與襯里設(shè)備相連的管道。2.1.3.3 夾套管道。2.1.3.4 附錄1中所有的類管道。2.1.3.5 其它的用圖表法或公式法分析后，屬于應(yīng)力、柔性不能滿足要求 的管道。 類管線（見附件1） 應(yīng)力分析工程師對此類管線應(yīng)特別注意，應(yīng)采用特別的應(yīng)力分析方法,因為在得到設(shè)備和結(jié)構(gòu)的布置之前去做這些管線的分析是沒用的。這類管線有下列幾類：1) 管線的設(shè)計溫度和壓力高于ASME/ANSI B16.5中的定義的2500磅等級；2) 在下列溫度值下長期工作的管道 國內(nèi)材料國外材料碳鋼380&#

10、176;C375°C合金鋼450°C482°C不銹鋼520°C538°C3) 大直徑管線（DN1200即48”及以上）；4) 薄壁管線（t/D0.02 t:壁厚 D：管徑）；5) 管線的設(shè)計循環(huán)次數(shù)高于22000次；6) 根據(jù)應(yīng)力分析工程師的意見，上述第類管線中要求做其它附加的應(yīng)力分析的管線。2.2 應(yīng)力分析的方法 通常在設(shè)計中根據(jù)以下條件確定應(yīng)力分析方法：1) 介質(zhì)的危險性（有毒、易燃、易爆等）；2) 管線操作工況（溫度、壓力、脈動、工作循環(huán)強(qiáng)度等）；3) 地震烈度；4) 工廠類型（化工、石油、電力、核工業(yè)等）。 目測方法 根據(jù)以往的經(jīng)驗或與

11、已分析過的管線的比較相類似，則采用目測的方 法已經(jīng)足夠，不需要進(jìn)行更詳細(xì)的應(yīng)力分析。此時，需目測者具有相當(dāng) 的工程經(jīng)驗。 簡單分析（圖表法、公式法） 簡單分析將確保管線有足夠的柔性，以吸收位移（熱膨脹）。盡管簡單分析不能提供準(zhǔn)確的載荷和應(yīng)力，但這種分析簡單而快速，甚至可以由非專職應(yīng)力分析工程師來完成。 下面給出兩種簡單分析方法：2.2.2.1 第一種方法是采用公司標(biāo)準(zhǔn)簡化柔性計算的規(guī)定（HQB-B06-05.203PP-2002）的快速管道應(yīng)力分析方法。 它基于一種簡單的（可靠的）計算方法，更多的是考慮管線的位移在允許的范圍內(nèi)即管線有足夠的柔性，能夠吸收管線由于受熱荷載等產(chǎn)生的位移。需要注意的

12、是，此種方法不適合于下列管線：1) DN>600 （24”）；2) 設(shè)計溫度超出-20°C350°C范圍；3) 薄壁管（t/D0.02 t:壁厚 D：管徑）；4) 需準(zhǔn)確知道約束（端點）反力的管線；5) 夾套管；6) 非金屬管 。2.2.2.2 第二種簡單計算方法依據(jù)ASME/ANSI B31.3標(biāo)準(zhǔn)，它包含一個標(biāo)準(zhǔn)的計算過程；它要求管線具有同一直徑，兩端固定，無中間約束。 式中：D管子外徑，mm Y管子吸收的總位移， mm L兩固定點間管子總長度，m U兩固定點間的直線距離，m 需注意的是，此種分析方法不適用于下列管線1) 管線的約束多于兩個；2) 需準(zhǔn)確知道約束反

13、力的管線；3) 夾套管；4) 管線的工作循環(huán)次數(shù)大于7000次；5) 兩固定點間的管徑或壁厚有改變；6) 非金屬管道；7) 大直徑薄壁管（t/D0.02）；8) 端點附加位移量占總位移量大部分管道；9) L/U>2.5的不等腿U型管道或近似直線的鋸齒狀管道。 計算機(jī)輔助應(yīng)力分析 使用專門的管道應(yīng)力分析軟件（CAESAR）對管道進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計算和結(jié)果分析。計算并分析評定管道各分支點的應(yīng)力、約束點和端點（設(shè)備管口）的力和力矩等。 管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動力分析。對一般管道，通常只做靜力分析即可。但對一些特殊工況的管線則應(yīng)做動力分析（如往復(fù)泵、往復(fù)式壓縮機(jī)的進(jìn)出口管線）。2.2.3.1

14、靜力分析包括：1) 管道在持續(xù)外載（壓力、自重、集中力等）作用下的一次應(yīng)力計算及評定；2) 管道在溫度荷載及端點附加位移載荷作用下的二次應(yīng)力計算及評定； 3) 管道對設(shè)備管口的作用力計算；4) 管道支吊架的受力計算；5) 管道上的法蘭和分支點受力計算。2.2.3.2 動力分析包括：1) 管道固有頻率分析；2) 管道強(qiáng)迫振動響應(yīng)分析；3) 往復(fù)式壓縮機(jī)（泵）氣柱頻率分析；4) 往復(fù)式壓縮機(jī)（泵）壓力脈動分析。3.管道應(yīng)力分析設(shè)計輸入和設(shè)計輸出3.1 設(shè)計輸入 管道應(yīng)力分析設(shè)計輸入包括以下條件：1) 工藝流程圖（PID）2) 工藝管線表3) 設(shè)備數(shù)據(jù)表4) 結(jié)構(gòu)圖5) 建筑圖6) 總圖7) 機(jī)泵條

15、件8) 設(shè)備總裝配圖9) 設(shè)備布置圖10) 配管圖（平、立面）11) 管道軸測圖（如果需要）12) 管道等級規(guī)定3.2 設(shè)計輸出1) 應(yīng)力分析工程規(guī)定2) 臨界管線表3) 應(yīng)力分析報告（包括首頁、計算內(nèi)容頁、應(yīng)力分析軸測圖、輸入數(shù)據(jù)、各工況下的位移、應(yīng)力、約束反力、彈簧架表、有許用載荷要求的動設(shè)備管口校核報告等）4) 設(shè)備管口荷載條件5) 設(shè)備預(yù)焊件條件6) 結(jié)構(gòu)荷載條件7) 柔性件數(shù)據(jù)表8) 彈簧架數(shù)據(jù)表典型的管道應(yīng)力分析輸出報告見附件33.2 應(yīng)力分析報告標(biāo)準(zhǔn)格式應(yīng)力分析報告的標(biāo)準(zhǔn)格式參見標(biāo)準(zhǔn)管機(jī)專業(yè)入庫文件標(biāo)準(zhǔn)格式及規(guī)定(XXX-XX)。3.3 計算機(jī)輔助應(yīng)力分析工作程序圖3.3.1 管

16、道計算機(jī)輔助應(yīng)力分析工作程序如下圖所示。接收有關(guān)條件按需分析的管道重要性排計劃目測法圖表、公式法判斷分批計算的計劃交配管人員不可提出不合理配管的部位返回配管人員協(xié)商解決編節(jié)點號準(zhǔn)備有關(guān)數(shù)據(jù)確認(rèn)被計算條件調(diào)整管架或與配管人員專業(yè)人員協(xié)商修改走向分析結(jié)果上機(jī)NO合 格？分析位移荷載找出原因交管架人員打印結(jié)果交配管人員YES設(shè)備管口荷載條件交設(shè)備室結(jié)束3.4 管道應(yīng)力分析適用的軟件美國COADE公司的CAESAR。3.5 管道應(yīng)力分析的校審依據(jù)壓力管道設(shè)計文件校審與簽暑制度 及校審細(xì)則的規(guī)定執(zhí)行。4. 管道應(yīng)力分析條件的確定4.1 計算壓力 管道計算壓力應(yīng)根據(jù)工藝管線表中設(shè)計壓力確定。4.1.2 管

17、道計算壓力應(yīng)不低于正常操作中預(yù)計的最高壓力或在最苛刻溫度下同時發(fā)生的內(nèi)壓或外壓，取其最危險工況。對工藝有特殊要求的工況（指溫度與壓力的耦合）也應(yīng)予以考慮。4.2 計算溫度 管道計算溫度應(yīng)根據(jù)工藝管線表中的設(shè)計溫度確定。4.2.2 管道計算溫度應(yīng)不低于正常操作中預(yù)計的最高溫度或在其它工況下的最苛刻溫度，取其最高值，或二者均應(yīng)考慮計算。對工藝有特殊要求的工況（指溫度與壓力的耦合）也應(yīng)予以考慮。4.2.3 蒸汽伴熱管道、蒸汽夾套管道和需蒸汽吹掃的管道，取介質(zhì)設(shè)計溫度和蒸汽溫度的高者為計算溫度。4.2.4 帶內(nèi)襯里的管道應(yīng)利用計算值或經(jīng)驗數(shù)據(jù)并根據(jù)工藝管線表確定計算溫度。4.2.5 安全閥排泄管道，應(yīng)

18、取排放時可能出現(xiàn)的最高或最低溫度作為計算溫度，同時，還應(yīng)考慮正常操作時，排出管線處于常溫下的工況。4.2.6 進(jìn)行管道應(yīng)力分析時，不僅要考慮正常操作條件下的溫度，還要考慮短時超溫工況（如開車、停車、除焦、再生等）。4.2.7 當(dāng)管道的操作工況復(fù)雜，難以確定計算工況時，可選幾種工況進(jìn)行分析比較。4.3 管道安裝溫度 管道應(yīng)力分析的安裝溫度，應(yīng)依據(jù)建設(shè)項目所在地的氣象環(huán)境和安裝時間及業(yè)主的特殊要求來確定。 如無特殊規(guī)定，則管道安裝溫度取21°C。4.4 摩擦系數(shù)的確定 除非另有規(guī)定，在進(jìn)行管道應(yīng)力分析時，摩擦系數(shù)按下表確定。鋼對鋼0.3不銹剛對聚四氟乙烯0.1聚四氟乙烯對聚四氟乙烯0.0

19、8鋼對混凝土0.64.5 腐蝕裕量 腐蝕裕量依據(jù)管道等級規(guī)定確定。通常，碳鋼及合金鋼的腐蝕裕量一般為1.01.5mm，不銹鋼一般不考慮腐蝕裕量。4.6 附加載荷 除上述4.1，4.2所定義的溫度、壓力載荷外，尚應(yīng)考慮以下載荷：4.6.1 地震載荷取0.08g作為地震時的水平加速度，此時應(yīng)作為偶然載荷工況來計算，同時將相應(yīng)的許用應(yīng)力提高1/3。4.6.2 風(fēng)載荷 按基本風(fēng)壓值乘以管線的迎風(fēng)面積再乘以管線的形狀系數(shù)為作用力，即 式中：為力 （單位N） 為基本風(fēng)壓 （單位N/） A為迎風(fēng)面積 （單位） 形狀系數(shù)，對管子為0.6 此時，計算的工況為偶然載荷工況，同時將相應(yīng)的許用應(yīng)力提高1/3。4.6.

20、3 安全閥泄放載荷依據(jù)ASME/ANSI B31.1和API RP520標(biāo)準(zhǔn)來計算泄放載荷。把此載荷作為靜荷載加入到被計算的管系中。（需考慮此載荷引起的系統(tǒng)振動時，則應(yīng)做動力分析），此時計算的工況為偶然載荷工況， 同時將許用應(yīng)力提高1/3。4.6.4 有效冷緊 通常不建議采用冷緊，特別是與轉(zhuǎn)動設(shè)備相連的管線，不允許使用冷緊的方法。 有效冷緊是指冷緊量的有效值，通常取冷緊量的2/3。 在應(yīng)力分析中，對于在非蠕變溫度下工作的管線，其冷緊量（如果需要），取全補(bǔ)償量的50%。 對于在蠕變溫度下工作的管線，即 碳鋼： 370°C (375°C) 合金鋼：450°C (482

21、°C) 不銹鋼：520°C (538°C) 其冷緊量（如果需要），取全補(bǔ)償量的70%。(注：括號內(nèi)的溫度 是針對國外材料。)5. 管道應(yīng)力分析評定準(zhǔn)則5.1 應(yīng)力評定 所有被分析的管系的應(yīng)力評定準(zhǔn)則依據(jù)ASME/ANSI B31.3（工藝管道），ASME/ANSI B31.1(動力管道)，ASME/ANSI B31.4和ASME/ANSI B31.8（長輸管道），以及GB50316-2000等標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。 許用應(yīng)力 許用應(yīng)力的取值依據(jù)設(shè)計所采用的規(guī)范的不同，而分別依據(jù)ASME B31.1, ASME B31.3, ASME B31.4, ASME B31.8和GB5

22、0316-2000。 柔性系數(shù)和應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù) 管件的柔性系數(shù)和應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的計算方法見附件4，對于不同于附件4中的管件，應(yīng)參照GB50316-2000規(guī)范采用相應(yīng)的方法計算。5.2 位移評定 各種載荷在管系中各點產(chǎn)生位移應(yīng)控制在“GB50316-2000”規(guī)范允許的范圍內(nèi)，且應(yīng)滿足工藝、安裝、操作等諸方面要求。5.3 設(shè)備管口載荷評定5.3.1 泵 與泵相連的管線，除其應(yīng)力需滿足相關(guān)規(guī)范的要求外，泵口所承受的載荷應(yīng)滿足制造商和API610(針對離心泵)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且對于往復(fù)泵應(yīng)做動力分析。API 610一般煉廠用離心泵管口許用載荷見附件4。5.3.2 壓縮機(jī) 與壓縮機(jī)相連的管線，除其應(yīng)力需滿足相關(guān)規(guī)范的要求外，壓縮機(jī)管口所承受的載荷應(yīng)滿足制造商和API617（針對離心式壓縮機(jī)）標(biāo)準(zhǔn)的要求，且對于往復(fù)式壓縮機(jī)應(yīng)做動力分析。對于離心式壓縮機(jī)，其管口處承受的載荷應(yīng)不大于NEMA SM23規(guī)范中規(guī)定值的1.85倍，或依據(jù)API617第節(jié)進(jìn)行計算，計算的限定值由供貨商提供。5.3.3 蒸汽透平和汽輪機(jī) 與蒸汽透平或汽輪機(jī)相連的管線，除其應(yīng)力需滿足相關(guān)規(guī)范的要求外，透