全國壓力管道設計審批人員培訓6

全國壓力管道設計審批人員培訓.txt愛空空情空空，自己流浪在街中；人空空錢空空，單身

苦命在打工：事空空業(yè)空空，想來想去就發(fā)瘋；碗空空盆空空，生活所迫不輕松?？傊?，四

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全國壓力管道設計審批人員培訓

北京艾思弗計算機軟件技術有限公司

管道應力

1.管道應力分析基礎知識2.管道的柔性設計3.管道支吊架的設計4.往復式機泵

管道的防振設計5.管道的抗震設計

第一節(jié)管道應力分析基礎知識

壓力、重力、風、地震、壓力脈動、沖擊等外力載荷和熱膨脹的存在，是管道產(chǎn)生應力

問題的主要原因。其中，熱膨脹問題是管道應力分析所要解決的最常見和最主要的問題。通

俗來講管道應力分析的任務，實際上是指對管道進行包括應力計算在內(nèi)的力學分析，并使分

析結(jié)果滿足標準規(guī)范的要求，從而保證管道自身和與其相連的機器、設備以及土建結(jié)構(gòu)的

安全。一般來講，管道應力分析可以分為靜力分析和動力分析兩部分。

靜力分析是指在靜力載荷的作用下對管道進行力學分析

①壓力、重力等荷載作用下的管道一次應力計算防止塑性變形破壞；壓力、重力等荷

載作用下的管道次應力計算防止塑性變形破壞防止塑性變形破壞：熱脹冷縮以及端點附

加位移等位移荷載作用下的管道二次應力計算一②熱脹冷縮以及端點附加位移等位移荷載

作用下的管道二次應力計算一防止疲勞破壞；防止疲勞破壞；管道對機器、設備作用力的

計算防止作用力過大保證機器、防止作用力過大，③管道對機器、設備作用力的計算防

止作用力過大，保證機器、設備正常運行；正常運行；管道支吊架的受力計算未支吊架設

計提供依據(jù)未支吊架設計提供依據(jù)；④管道支吊架的受力計算未支吊架設計提供依據(jù)；管

道上法蘭的受力計算防止法蘭泄漏防止法蘭泄漏；⑤管道上法蘭的受力計算防止法蘭泄

漏；⑥管系位移計算防止管道碰撞和支吊點位移過大。管系位移計算防止管道碰撞和支吊

點位移過大。防止管道碰撞和支吊點位移過大

動力分析則主要指往復壓縮機和往復泵管道的振動分析、管道的地震分析、水錘和沖擊

荷載作用下管道的振動分析。

①往復壓縮機（泵）管道氣（液）柱固有頻率分析防止氣（液）柱共往復壓縮機（管

道氣（柱固有頻率分析防止氣防止氣（振；往復壓縮機（管道壓力脈動分析控制壓力脈

動值控制壓力脈動值；②往復壓縮機（泵）管道壓力脈動分析控制壓力脈動值；管道固

有頻率分析防止管道系統(tǒng)共振防止管道系統(tǒng)共振；③管道固有頻率分析防止管道系統(tǒng)共

振；管道強迫振動響應分析控制管道振動及應力控制管道振動及應力；④管道強迫振動

響應分析控制管道振動及應力；沖擊荷載作用下管道應力分析防止管道振動和應力過大防

止管道振動和應力過大；⑤沖擊荷載作用下管道應力分析防止管道振動和應力過大；管道

地震分析防止管道地震力過大防止管道地震力過大。⑥管道地震分析防止管道地震力過

大。

管道上可能承受的荷載

重力荷載，包括管道自重、保溫重、介質(zhì)重和積雪重等；壓力荷載，包括內(nèi)壓力和外壓

力；位移荷載，包括管道熱脹冷縮位移、端點附加位移、支承沉降等；風荷載；地震荷

載；瞬變流沖擊荷載，如安全閥啟跳或閥門的快速啟閉時的壓力沖擊；兩相流脈動荷載;

壓力脈動荷載，如往復壓縮機往復運動所產(chǎn)生的壓力脈動；機械振動荷載，如回轉(zhuǎn)設備的簡

諧振動。

節(jié)點的定義

由于目前管道應力分析軟件所采用數(shù)值分析方法均為有限元法，所以分析計算時，首先

要將管系通過節(jié)點劃分為有限個單元，建立管系的計算模型。管道應力分析軸測圖上感興趣

的點稱為節(jié)點。在應力分析計算過程中必須通過這些點給計算軟件提供信息和獲得信息。

通常管系中下列各處應編制節(jié)點

?????????管道端點；管道約束點、支吊點和給定位移處；管道方向改變點

或分支點；管徑、壁厚改變點；保溫厚度、保溫材料改變點；管道計算溫度、計算壓力改

變點；管道外力荷載改變處：管道材料改變處（包括剛度改變處，例如剛性元間、膨脹節(jié)）;

需要了解分析結(jié)果（例如跨距較長的跨中點處）；動力分析須增設節(jié)點。

管道應力分析提交計算書要求

管道應力分析計算書一般包括以下內(nèi)容：

①②③④⑤⑥⑦⑧⑨主要輸入數(shù)據(jù)；管道一次應力的校核結(jié)果；管道二次應

力的校核結(jié)果；管道端點和各約束點、與機器設備的連接點、固定點、支吊點、限位點和

導向點以及位移給定點處的安裝狀態(tài)和操作狀態(tài)的受力；各節(jié)點處安裝狀態(tài)和操作狀態(tài)的位

移和轉(zhuǎn)角；彈簧支吊架和膨脹節(jié)的型號等有關信息；離心壓縮機、汽輪機、離心泵等轉(zhuǎn)動

機器的受力校核結(jié)果；往復壓縮機、往復泵管系的固有頻率；經(jīng)分析計算最終得到的管道

軸測圖，包括支吊架的位置及型式、膨脹節(jié)位置等信息。

向相關專業(yè)提交的分析計算結(jié)果主要有：

①②③④向配管專業(yè)提交管道應力分析計算書：向設備和機械專業(yè)提交需要其確認

的設備和機器受力；如果支撐點、固定點、限位點、導向點的荷載較大，應向土建專業(yè)提交

荷載數(shù)值；將往復壓縮機的管道布置和支架設置提交壓縮機制造廠確認。

管道應力分析結(jié)果應能滿足以下要求：

①②③④⑤⑥⑦管道上各點的一次應力值應滿足標準規(guī)范的要求；管道上各點

的二次應力值應滿足標準規(guī)范的要求；管道對機器、設備管口的推力和力矩應在允許的范圍

之內(nèi)；管道對支吊架和土建結(jié)構(gòu)的作用力應在允許的范圍之內(nèi)；往復機泵管道的固有頻率

應避開共振區(qū)；管道的位移量應能滿足管道布置的要求；輸油、輸氣管道的剛度和穩(wěn)定性

應滿足標準規(guī)范的要求。

大多數(shù)情況下，不可能山計算程序計算一次便得到滿意的結(jié)果，因此需要對計算模型進

行反復修改，直至計算結(jié)果滿足標準規(guī)范要求。如須對管道布置及支吊架進行必要的修改,

應力工程師應與配管工程師緊密配合共同商討，得到滿意的修改方案。

計算結(jié)果不滿足要求時，通常存在以下問題：

a）b）c）d）一次應力超標：缺少支吊架；二次應力超標：管道柔性不夠或三通需加強;

冷態(tài)位移過大：缺少支吊架；熱態(tài)水平位移過大：缺少固定點或n形彎、管托應加長；

e）機器、設備受力過大：管道柔性不夠、支吊架設置不合理；f）固定支架、限位支

架水平受力過大：固定點、限位點位置選擇不當或管道柔性不夠；g）支吊點垂直力過大:

考慮采用彈簧支吊架；h）支吊點脫空：考慮采用彈簧支吊架；i）彈簧荷載、位移范圍選

擇不當：人為進行調(diào)整；j）計算工況組合不當：人為進行調(diào)整。

基本應力定義

基本應力定義

------------------------軸向

應力（Axialstress）：軸向應力（Axialstress）：軸向應力是由作用于管道軸向力引起

的平行管子軸線的正應力，：SL=FAXAm其中51=軸向應力MPa=軸向應力MPa八111=橫

截面上的內(nèi)力Nmm2=n（do2?di2）/4=橫截面上的內(nèi)力NFAX=管壁橫截面積管

道設計壓力引起的軸向應力為SL=Pdo/4t軸向力和設計壓力在截面引起的應力是均布的，

故此應力限制在許用應力［。h范圍內(nèi)。軸向力和設計壓力在截面引起的應力是均布的，故

此應力限制在許用應力［。］t范圍內(nèi)。彎曲應力(bendingstress)：彎曲應力(bending

stress)：由法向量垂直于管道軸線的力矩產(chǎn)生的軸向正應力。其中：作用在管道截面上

的彎矩N.mMb=作用在管道截面上的彎矩N.mC-從管道截面中性軸到所在點的距離mm一

從管道截面中性軸到所在點的距離mm4441一管道橫截面的慣性矩mm="(do?di)/

64當C達到最大值時，彎曲應力最大

Smax=MbRo/I=Mb/ZSL=Mbc/I

彎曲應力在斷面上是線性分布的，彎曲應力在斷面上是線性分布的,截面最外端應力達

到最大時，其它地方仍處于彈性狀態(tài)，故應力限制在態(tài)，故應力限制在1.5［。］之

內(nèi)。周向應力(circumferentialstress)：周向應力(circumferentialstress)：由于

內(nèi)壓在管壁圓周的切線方向引起的正應力。SH=Pdo/2t對薄壁管徑向應力(radial

stress)：徑向應力(radialstress)：由內(nèi)壓在管子半徑方向引起的應力剪應力(shearing

stress)：剪應力(shearingstress)：

Sr=Pri?riro/r2/ro?ri

2222

(

)(

2

)

由作用在截面上的剪切力引起的應力。-

tmax=最大剪應力，MPa最大剪應力，MPa

V=剪切力F=剪切力F、=剪切系數(shù)、=剪切系數(shù)由扭矩引起的剪切力tmax=MTC/R

其中，MT一作用在橫截面上的扭矩N.m其中，MT一作用在橫截面上的扭矩N.m

C一橫截面上的點到扭轉(zhuǎn)中心距離mm一橫截面上的點到扭轉(zhuǎn)中心距離mmR-抗扭截面模

量mm4=21="do4?di4/32

tmax=VQ/Am

-當C最大時，扭曲應力也最大，即C等于外半徑時最大時，扭曲應力也最大，即CT

max=MTR0/21=MT/2Z-把剪應力的各個分量求和：作用在管子截面上最大剪應力為

Tmax=VQ/Am+MT/2Z-CAESARII計算應力結(jié)果中有彎曲應力，軸向應力，扭轉(zhuǎn)應力.

CAESARII計算應力結(jié)果中有彎曲應力，軸向應力，扭轉(zhuǎn)應力.然后形成規(guī)范應力與許用應力

比較。-大多數(shù)美國管道規(guī)范標準要求應力計算時用以下公式：-軸向應力：SL=Mb/Z

+Fmax/Am+Pdo/4t軸向應力：T-剪切應力：=MT/2Z-周向應力：H=Pdo/

2tS

(

)

應力分類：

一次應力是由于壓力、重力與其他外力荷載的作用所產(chǎn)生的應力。它是平衡外力荷載所

需的應力，隨外力荷載的增加而增加。一次應力的特點是沒有自限性，即當管道內(nèi)的塑性

區(qū)擴展達到極限狀態(tài)，使之變成幾何可變的機構(gòu)時，即使外力荷載不再增加，管道仍將產(chǎn)

生不可限制的塑性流動，直至破壞。二次應力是由于管道變形受到約束而產(chǎn)生的應力，它由

管道熱脹、冷縮、端點位移等位移荷載的作用而引起。它不直接與外力平衡，而是為滿足位

移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必需的應力。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。二次應力引起的疲勞破壞。在管道中，二次應力一般由熱脹、冷縮和端點位移引

起。

管道應力分析判據(jù)

石油化工管道一般遵循B31.3或B31.1標準石油化工管道一般遵循B31.3或B31.1標準

B31.1電力管道標準B31.1電力管道標準——次應力(SUS)工況下的應力一次應力

(SUS)工況下的應力-SSUS=SI=0.75iMA/Z+Pdo/4tWSh-其中：SSUS,SI

=持續(xù)應力MPa=持續(xù)應力MPa-i一一強度系數(shù)(各種類型彎矩的單一系數(shù))依據(jù)B31.1

標準附錄D強度系數(shù)(各種類型彎矩的單一系數(shù))依據(jù)B31.1標準附錄D222-MA—由

于持續(xù)載荷產(chǎn)生的總彎矩=(Mx+My+Mz)-Sb一材料在設計溫度下的許用應力-二

次應力對應于CAESARII中EXP工況下的應力二次應力對應于CAESARII中EXP工況下的應力

-SE=iMC/Zf(1.25Sc+1.25Sh?SIMPa)-其中：SE=二次應力范圍SE=~

次應力范圍-i—強度系數(shù)(各種類型彎矩的單一系數(shù))依據(jù)B31.1標準附錄D強度系數(shù)

(各種類型彎矩的單一系數(shù))依據(jù)B31.1標準附錄D-Me-由于二次載荷引起的彎矩范圍=

(Mx2+My2+Mz2)Me一由于二次載荷引起的彎矩范圍-Sc—材料在環(huán)境溫度下的許用

應力。Sc-材料在環(huán)境溫度下的許用應力。-偶然應力，對應于風載等偶然載荷下產(chǎn)生的

應力

Socc=

-其中：Socc一偶然載荷引起的總的彎矩N.m=(Mx2+My2+Mz2)其中：Socc-

偶然載荷引起的總的彎矩N.m-K-偶然載荷系數(shù)(偶然載荷發(fā)生率小于運行時間1%,系數(shù)

為1.2,發(fā)生率處于運行一偶然載荷系數(shù)(偶然載荷發(fā)生率小于運行時間1系數(shù)為1.2,時

間的10%系數(shù)為1.15)時間的10%,系數(shù)為1.15)

0.75iMA0.75iMBPdo++WKShZZ4C

B31.3：化工廠和石油精煉管道標準B31.3：化工廠和石油精煉管道標準

----次應力：B31.3并沒有提供個明確等式來對持續(xù)應力作出定義，一次應力：B31.3

并沒有提供一個明確等式來對持續(xù)應力作出定義，但它僅要求工程師計算山于重力和壓力引

起的軸向應力并且要求它不超過，它通常表達式為：Sh------其中：FAX-

由于持續(xù)載荷產(chǎn)生的軸向力Mi一山于持續(xù)載荷產(chǎn)生的平面內(nèi)彎矩Mo一山于持續(xù)載荷產(chǎn)生

的平面外彎矩一平面內(nèi)、平面外應力增強系數(shù)，依據(jù)B31.3標準附錄Dii,io一平面內(nèi)、

平面外應力增強系數(shù)，依據(jù)B31.3標準附錄D二次應力：[(iiMi)2+(ioMo)2+4MT2]1/2

4M

SE=2WSA=f(1.25Sc+1.25Sh?SI)

SI=FAX/Am+(iiMi)+(ioMo)

2

[

21/2

]

/Z+Pdo/4t<Sh

-其中：Mi一由于溫度(二次)載荷引起平面內(nèi)的彎矩范圍Mo一由于溫度(二次)

載荷引起平面外的彎矩范圍-MT-由于溫度(二次)載荷引起的扭轉(zhuǎn)力矩--一在環(huán)境

溫度下材料的基本許用應力：依據(jù)B31.3附錄ASc一在環(huán)境溫度下材料的基本許用應力：依

據(jù)B31.3附錄A、-偶然應力：B31.3沒有明確定義計算偶然應力的方程，在簡單狀態(tài)下，

由于持續(xù)和偶然載荷引起的軸向應力的總和不應該超過Sh的1.33倍。1.33倍。

管道、管口應力分析評估

當管子的載荷作用在泵、壓縮機、汽輪機和熱交換器的管口處可能會由于載荷過大在設

備管上引起較大變形，影響設備正常運轉(zhuǎn)，故需對設備管咀受力進行限制，通常制造廠提供

設備管咀可承受的允許載荷，否則可參考通用標準：否則可參考通用標準：如NEMASM-23

（蒸汽輪機）、API610（離心泵）、API617（離心NEMASM-23（蒸汽輪機）、API610（離心泵）、

AP1617（離心式壓縮機），API661（空冷器）等。式壓縮機），API661（空冷器）等。

疲勞

在管道中，二次應力一般由熱脹、冷縮和端點位移引起。二次應力引起疲勞破壞。疲

勞破壞是指，在循環(huán)荷載的作用下，發(fā)生在構(gòu)件某點處局部的、永久性的損傷積累過程，經(jīng)

過足夠多的循環(huán)后，損傷積累可使材料產(chǎn)生裂紋，或使裂紋進一步擴展至完全斷裂。疲勞損

傷一般發(fā)生在應力集中處，例如管道的支管連接處。疲勞破壞分為高周疲勞和低周疲勞。疲

勞破壞分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞是指在荷載循環(huán)過程中材料中的應力始終保持在

彈性范圍之內(nèi)，高周疲勞是指在荷載循環(huán)過程中材料中的應力始終保持在彈性范圍之內(nèi)，達

到破壞時循環(huán)次數(shù)較高，轉(zhuǎn)動機器的疲勞屬于此類。低周疲勞是指荷載循環(huán)過程中應力應變

變化幅度較大，材料中反復出現(xiàn)正反兩個方向的塑性變形，材料在循環(huán)次數(shù)較低的情況下便

發(fā)生破壞。在壓力管道中發(fā)生的疲勞破壞，除往復機泵管道的振動外，主要是溫度變化時

管道的膨脹或收縮受到約束而產(chǎn)生的疲勞破壞。由于壓力管道在其使用壽命內(nèi)，荷載的循環(huán)

次數(shù)通常均不很高，但卻可能存在較大變形，使高應力部位達到屈服，所以要防止的主要是

低周疲勞破壞。

材料強度理論

1.

2.

3.

4.

第一強度理論最大拉應力理論，其當量應力為第一強度理論最大拉應力理論，其當量應

力為S=。1。它認為引起材料斷裂破壞的主要因素是最大拉應力。亦即不論材料處于何

種應力狀態(tài)，只要最大拉應力達到材料單向拉伸斷裂時的最大應力值，材料即發(fā)生斷裂破

壞。第二強度理論最大伸長線應變理論，其當量應力第二強度理論最大伸長線應變理論，

其當量應力為S=。1（。2+。3）。它認為引起材料斷裂破壞的主要因素是最大伸

長線應變。亦即不論材料處于何種應力狀態(tài)，只要最大伸長線應變達到材料單向拉伸斷裂時

的最大應變值，材料即發(fā)生斷裂破壞。第三強度理論最大剪應力理論，其當量應力為第三

強度理論最大剪應力理論，其當量應力為S=ol?o3。他認為引起材料屈服破壞的主要

因素是最大剪應力。亦即不論材料處于何時應力狀態(tài)，只要最大剪應力達到材料屈服時的最

大剪應力值，材料即發(fā)生屈服破壞。第四強度理論變形能理論，其當量應力為第四強度理

論變形能理論，其當量應力為

S=12

（o1?o2）2+（o2?o3）2+（。3?。1）2

他認為引起材料屈服破壞的主要因素是材料內(nèi)的變形能。亦即不論材料處于何種應力狀

態(tài)，只要其內(nèi)部積累的變形能達到材料單向拉伸屈服時的變形能值，材料即發(fā)生屈服破壞。

一般來講，脆性材料，如鑄鐵、石料、混凝土、玻璃等，在通常情況下以斷裂形式破壞,

所以宜采用第一和第二強度理論；塑性材料-，如碳鋼、銅、鋁等，在通常情況下以塑性流動

形式破壞，所以宜采用第三和第四強度理論。第三強度理論和第四強度理論都適用于塑性

材料，考慮的都是流動破壞。第三強度理論未考慮。2的影響，第四強度理論考慮較全面,

更加精確。但與第四強度理論相比，第三強度理論表達形式簡單，并在一般情況卜與實驗結(jié)

果相比偏于安全，且能足夠精確地應用于工程實際。在工藝管道的壓力設計（壁厚的確定）

過程中，以及二次應力的校核中采用了第三強度理論。

第二節(jié)

管道的柔性設計

當管道受熱膨脹和遇冷收縮時，將對與其相連的機器、設備和土建結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力，反

之機器、設備和土建結(jié)構(gòu)也將對管道產(chǎn)生反作用力，并在管道中引起應力。當管道系統(tǒng)比較

剛硬時，這種推力和應力都將較大，并可能導致管道和土建結(jié)構(gòu)的破壞以及影響到機器、設

備的正常運行。為此必須使管道系統(tǒng)具有足夠的柔性，從而避免上述情況的發(fā)生，這就是

管道柔性設計的目的。管道柔性是反映管道變形難易程度的概念，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。進行管道設計時，應在保證管道具有足夠柔性來吸

收應變的前提下，使管道的長度盡可能短或投資盡可能少。在管道柔性設計中，除考慮管道

本身的熱脹冷縮外，還應考慮管道端點的附加位移。設計時，一般采用下列一種或幾種措施

來增加管道的柔性：①改變管道的走向；②選用波形補償器、套管式補償器或球形補償

器；③選用彈簧支架。管道柔性設計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、管道支承設置不當?shù)仍蛟斐上铝袉栴}：

①②③④①②③④⑤⑥⑦⑧

管道應力過大或金屬疲勞引起管道破壞；管道連接處產(chǎn)生泄漏；管道推力或力矩過大，

使與其相連接的設備產(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

起管道支架破壞。操作溫度大于4000C或小于-500C的管道；操作溫度大于400或小于

進出加熱爐及蒸汽發(fā)生器的高溫管道；進出反應器的高溫管道；進出汽輪機的蒸汽管道；進

出離心壓縮機、往復式壓縮機的工藝管道；與離心泵相連的管道，參見下圖；設備管U有

特殊受力要求的其他管道；利用簡化分析方法分析后，表明需要進一步詳細分析的管道。

下列管道宜采用計算機分析方法進行詳細的柔性設計：

管道柔性設計中計算溫度的確定

管道計算溫度應根據(jù)工藝設計條件及下列要求確定。

①②③④⑤⑥⑦對于無隔熱層管道：介質(zhì)溫度低于650C時，取介質(zhì)溫度為計算

溫對于無隔熱層管道：介質(zhì)溫度低于65度；介質(zhì)溫度等于或高于65時，取介質(zhì)溫度的95%

為計算溫度；度；介質(zhì)溫度等于或高于650c時，取介質(zhì)溫度的95%為計算溫度；對于有外

隔熱層管道，除另有計算或經(jīng)驗數(shù)據(jù)外，應取介質(zhì)溫度為計算溫度；對于夾套管道應取內(nèi)

管或套管介質(zhì)溫度的較高者作為計算溫度；對于外伴熱管道應根據(jù)具體條件確定計算溫度：

對于襯里管道應根據(jù)計算或經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定計算溫度；對于安全泄壓管道，應取排放時可能出

現(xiàn)的最高或最低溫度作為計算溫度；進行管道柔性設計時，不僅應考慮正常操作條件下的

溫度，還應考慮開車、停車、除焦、再生及蒸汽吹掃等工況。

管道端點的附加位移

在管道柔性設計中，除考慮管道本身的熱脹冷縮外,還應考慮下列管道端點的附加位移：

①靜設備熱脹冷縮時對連接管道施加的附加位移：②轉(zhuǎn)動機器熱脹冷縮在連接管口處產(chǎn)生

的附加位移；③加熱爐管對加熱爐進出口管道施加的附加位移；④儲罐等設備基礎沉降

在連接管口處產(chǎn)生的附加位移；⑤不和主管一起分析的支管，應將分支點處主管的位移作

為支管端點的附加位移。

柔性系數(shù)和應力增大系數(shù)

柔性系數(shù)：將同一彎矩作用于管件和直管后，管件的位移與直管的位移之比。應力增

大系數(shù)：在疲勞破壞循環(huán)次數(shù)相同的情況下，作用于直管的彎曲應力與作用于管件的名義彎

曲應力之比。采用柔性系數(shù)和應力增大系數(shù)的目的，是在進行管道柔性設計時考慮彎管、三

通等管件的柔性和應力增大的影響。管道中的彎管在彎矩作用下與直管相比較，其剛度降低

柔性增大，同時應力也將增大。因此，在計算管件時就要考慮它的柔性系數(shù)和應力增大系數(shù)。

而管道中的三通等管件，由于存在局部應力集中，在驗算這些管件的應力時，采用了應力增

大系數(shù)使問題簡化。

管道熱補償

管道熱補償?shù)姆椒ㄓ袃煞N，即自然補償和補償器補償。管道熱補償?shù)姆椒ㄓ袃煞N，即自

然補償和補償器補償。

管道的自然補償就是管道的走向按具體情況呈各種彎曲形狀，管道利用這種自然的彎曲

形狀所具有的柔性補償其自身的熱膨脹和端點位移。自然補償?shù)奶攸c是構(gòu)造簡單、運行可靠、

投資少。

可采用下列方法增加管道的自然補償能力：

①②③改變管道的走向，以增加整個管道的柔性；利用彈簧支吊架放松約束；改變

設備布置。壓力管道設計中常用的補償器有三種：n壓力管道設計中常用的補償器有三種：

n形補償器、波形補償器和套管式補償器或球形補償器。n形補償器結(jié)構(gòu)簡單.、運行可靠、

投資少，在壓力管道設計中廣泛采用。（泛采用。（n形補償器的設置要求：n形補償器

宜設置在兩固定點中部，為防止管道橫向位移過大，應在n定點中部，為防止管道橫向位

移過大，應在n形補償器兩側(cè)設置導向架。導向架應與彎頭有一定距離，以防止彎頭處彎曲

應力過大）波形補償器補償能力大、占地小，但制造較為復雜，價格高，適用于低壓大直

徑管道套管式或球形補償器因填料容易松弛，發(fā)生泄漏，因此很少采用。在有毒及可燃介

質(zhì)管道中嚴禁采用。

無約束金屬波紋管膨脹節(jié)選用的注意事項：

①②③④兩個固定支座之間的管道中僅能布置一個波紋管膨脹節(jié)；兩個固定支座之

間的管道應具有同樣的直徑并成一條直線；固定支座必須具有足夠的強度，以承受內(nèi)壓推力

的作用；對管道必須進行嚴格地保護，尤其是靠近波紋管膨脹節(jié)的部位應設置導向支架，

第一個導向支架與膨脹節(jié)的距離應小于或等于4DN,第二個導向支架與第一個導向支架的距

離應小于或等4DN,第二個導向支架與第一個導向支架的距離應小于或等于14DN,以防止

管道產(chǎn)生彎曲和徑向偏移造成膨脹節(jié)的破壞；14DN,以防止管道產(chǎn)生彎曲和徑向偏移造成膨

脹節(jié)的破壞；⑤正確地進行預拉伸或預壓縮量的計算。帶約束的金屬波紋管膨脹節(jié)有以下

兒種型式：①單式錢鏈型膨脹節(jié)用于吸收單平面角位移：單式較鏈型膨脹節(jié)用于吸收單平

面角位移；②單式萬向錢鏈型膨脹節(jié)能吸收多平面角位移；單式萬向錢鏈型膨脹節(jié)能吸收

多平面角位移；③復式拉桿型膨脹節(jié)能吸收多平面橫向位移和拉桿間膨脹節(jié)本復式拉桿型

膨脹節(jié)能吸收多平面橫向位移和拉桿間膨脹節(jié)本身的軸向位移；④復式較鏈型膨脹節(jié)能吸

收單平面橫向位移和膨脹節(jié)本身的軸復式較鏈型膨脹節(jié)能吸收單平面橫向位移和膨脹節(jié)本

身的軸向位移；⑤復式萬向較鏈型膨脹節(jié)能吸收互相垂直的兩個平面橫向位移復式萬向

較鏈型膨脹節(jié)能吸收互相垂直的兩個平面橫向位移和膨脹節(jié)本身的軸向位移；⑥彎管壓力

平衡型膨脹節(jié)能吸收軸向位移和/或橫向位移。拉彎管壓力平衡型膨脹節(jié)能吸收軸向位移和

/或橫向位移。拉桿能約束波紋管壓力推力。常用于管道方向改變處：⑦直管壓力平衡型

膨脹節(jié)能吸收軸向位移。拉桿能約束波紋管直管壓力平衡型膨脹節(jié)能吸收軸向位移。拉桿能

約束波紋管壓力推力。

冷緊和自冷緊

冷緊是指在安裝時使管道產(chǎn)生一個預變形的一種方法。通過這種預變形使管道在安裝狀

態(tài)對設備或固定點施加一個與操作狀態(tài)時相反的作用力。冷緊的目的時將管道熱應變的一

部分集中在安裝狀態(tài)，從而降低管道在操作狀態(tài)對設備或固定點的推力和力矩，同時在安裝

狀態(tài)下管道對設備或固定點的作用力也應限制在所能承受的范圍之內(nèi)。由于冷緊可以降低

操作狀態(tài)下的管道應力，對于蠕變溫度下工作的管道，冷緊可以避免或減少蠕變的發(fā)生。冷

緊也可以防止法蘭連接處彎矩過大而發(fā)生泄漏。但冷緊不能改善一次應力和二次應力的校核

結(jié)果。如果熱膨脹產(chǎn)生的初應力較大時，在運行初期，初始應力超過材料的屈服極限而產(chǎn)

生塑性變形，或在高溫和應力的持續(xù)作用下，管道中產(chǎn)生蠕變或應力松弛，在管道重新回到

安裝溫度時，將產(chǎn)生反向的應力，管道的固定點也相應地作用了一個與操作溫度卜方向相反

的作用力，這種現(xiàn)象稱為自冷緊。冷緊通常是在安裝時采用將管道割短(適用于操作溫度

高于安裝溫度情況)或加長(適用于操作溫度低于安裝溫度情況)的方法來完成。

冷緊比為冷緊值與全補償量(安裝狀態(tài)到操作狀態(tài)的總變形值)的比值。冷緊比的數(shù)值

在0形值)的比值。冷緊比的數(shù)值在0—1之間，冷緊比為。時之間，冷緊比為0表示沒有

冷緊，冷緊比為I時表示100%冷緊。表示沒有冷緊，冷緊比為1時表示100%冷緊。冷緊有

效系數(shù)是指實際有效的冷緊值與理論冷緊值之比?？紤]到在實際管道安裝過程中理論冷緊值

往往難以完全實現(xiàn),所以一般將冷緊有效系數(shù)取2現(xiàn),所以一般將冷緊有效系數(shù)取2/3.與

轉(zhuǎn)動機器相連的管道不宜采用冷緊。由于轉(zhuǎn)動機器管道在安裝時要求對機器的作用力盡可能

小，以滿足標準規(guī)范對管道法蘭與機器法蘭間的同軸度和平行要求，如果采用冷緊這一要

求將無法滿足。

第三節(jié)

管道支吊架的設計

支吊架是管道系統(tǒng)的重要組成部分，支吊架的設計是管道設計中的重要環(huán)節(jié)。如果支吊

架設計不當，不能承受管道重量等引起的荷載，將可能導致管道一次應力超標。另外，通過

支吊架的設置換可以對管系的變形加以控制，從而減小管道的二次應力和管道對設備的推

力，保證管道與設備的正常運行。對于往復機械的振動管道，通過設置適當?shù)闹Ъ苓€可以達

到減小管道振動的目的。管道支吊架的功能主要可以概括為：承受管道荷載、限制管道位移

和控制管道振動三個方面。支吊架的種類多種多樣，但從功能和用途可劃分為承重支吊架、

限制性支架和防振支架三大類。

①②③④①②③①②承重支吊架的作用是承受管道荷載，可細分為：剛性支

吊架；可調(diào)剛性支吊架；可變彈簧支吊架；恒力彈簧支吊架。限制性支吊架的作用是限

制管道位移，可細分為：固定支架；限位支架；導向支架。防振支架的作用是控制管道

振動，可細分為：防振管卡；阻尼減振器

管道支吊架的選用原則如下：

①②③a)b)c)d)e)f)g)④a)b)c)d)應按照支承點所承受的荷載大小和方

向、管道的位移情況、工作溫度、是否保溫或保冷、管道的材質(zhì)等條件選用合適的支吊架:

設計管道支吊架時，應盡可能選用標準管卡、管托和管吊；焊接型的管托、管吊比卡箍型的

管托、管吊省鋼材，且制作簡單，施工方便。因此，除下列情況外應盡量采用焊接型的管托

和管吊：管內(nèi)介質(zhì)溫度等于或大于400C的碳鋼管道；管內(nèi)介質(zhì)溫度等于或大于400c的碳

鋼管道；輸送冷介質(zhì)的管道；輸送濃堿液的管道；合金鋼材質(zhì)的管道；生產(chǎn)中需要經(jīng)常

拆卸檢修的管道；架空敷設且不易施工焊接的管道；非金屬襯里管道。為防止管道過大的

橫向位移和振動，一般在下列位置設置導向管托，以保證管道只沿軸向位移；可能產(chǎn)生振

動的兩相流管道；橫向位移過大可能影響臨近管道時；固定支架之間的距離過長，可能產(chǎn)

生橫向不穩(wěn)定時；設計只允許有軸向位移時。

⑤⑥⑦⑧⑨

當架空敷設的管道熱膨脹量超過100mm時，應選用加長管托，當架空敷設的管道熱膨脹

量超過100mm時，應選用加長管托，以免管托滑到管架梁下；凡支架生根在需整體熱處理

的設備上時，應向設備專業(yè)提出所用墊板的條件；對于荷載較大的支架，其位置要事先與

有關專業(yè)設計人聯(lián)系，并提出支架位置、標高和荷載情況；凡需要限制管道位移量時，應

考慮設置限位支架；管道在支承點處存在垂直位移時，應考慮選用彈簧支吊架。

恒力彈簧支吊架適用于垂直位移量較大或受力要求苛刻的場合，避免冷熱態(tài)受力變化太

大，導致設備受力或管系應力超標。恒力彈簧的恒定度應小于或等于6%,以保證支吊點發(fā)

生位移時，支承力簧的恒定度應小于或等于6%,以保證支吊點發(fā)生位移時，支承力的變化

很小。可變彈簧適用于支承點有垂直位移，用剛性支承會脫空或造成過大熱脹推力的場合。

與恒力彈簧相比，使用可變彈簧會造成一定的荷載轉(zhuǎn)移，為防止過大的荷載轉(zhuǎn)移，可變彈簧

的荷載變化率應小于或等于25%?；虻扔?5%。⑩可變彈簧吊架串聯(lián)安裝時，應選用最大

荷載相同的彈簧，每個彈簧的位移量應按其工作位移范圍比例進行分配。11當可變彈簧支

吊架并聯(lián)安裝時，應選用同一型號的彈簧，每個彈簧承受的荷載應按并聯(lián)彈簧個數(shù)平均分配。

確定管道支吊架位置的要點

①②③④⑤⑥⑦⑧⑨應滿足管道最大允許跨度的要求：當有集中載荷時，支

架應布置在靠近集中載荷的地方，以減少偏心載荷和彎曲應力；在轉(zhuǎn)動機器附近，應設置

支架，以防止機器管口承受過大的管道荷載；往復式壓縮機的吸入或排出管道以及其他有

強烈振動的管道，宜單獨設置支架，（支架生根于地面的管墩或管架上），以避免將振動傳

遞到建筑物上；除振動管道外，應盡可能利用建筑物、構(gòu)筑物的梁柱作為支架的生根點，

且應考慮生根點所能承受的荷載，生根點的面積和形狀應能同時滿足生根件的要求。對于

復雜的管系，尤其是需要作詳細應力計算的管系，尚應根據(jù)應力計算結(jié)果調(diào)整其支吊架的位

置；管道支吊架應設在不妨礙管道與設備的連接和檢修的部位；彎管和大直徑三通分支管

附近應設置支吊架；安全泄壓裝置出口管道應設剛性支架。

管道固定點的設置要求：

①②③④⑤⑥⑦①②③④⑤⑥⑦對于復雜管道可用固定點將其劃分成幾

個形狀較為簡單的管段，如L形對于復雜管道可用固定點將其劃分成幾個形狀較為簡單的管

段，如L管段、U形管段、Z管段、U形管段、Z形管段等以便進行分析計算；確定管道固

定點位置時，使其有利于兩固定點間管段的自然補償；選用口形補償器時，宜將其設置在兩

固定點的中部；選用n固定點宜靠近需要限制分支管位移的地方；固定點應設置在需要承

受管道振動、沖擊載荷或需要限制管道多方向位移的地方。作用于管道中固定點的載荷，

應考慮其兩側(cè)各滑動支架的摩擦反力：進出裝置的工藝管道和非常溫的公用工程管道，宜在

裝置分界處設固定點。在靠近泵的管段上設置支、吊架或彈簧支吊架；泵出口管嘴垂直向

上時，在距泵最近拐彎處，于泵基礎以外的位置