压力管道应力设计规定

1 总则

1.1 本规定适用于设计压力不大于 42 MPa，设计温度不超过材料允许使用温度，非直接埋地且无衬里的低碳素钢、合金钢或不锈钢管道。

1.2引用标准

使用本规定时，应使用下列标准的最新版本。

GB 50316	《工业金属管道设计规范》
GBJ 9	《建筑结构荷载规范》
SH 3039 API 610 API 617	《石油化工企业非埋地管道抗震设计通则》 《石油、化工和气体工业用离心泵》 《石油、化工和气体工业用离心式压缩机》
NEMA  SM23	《机械驱动用汽轮机》

2 设计规定

2.1 一般要求
2.1.1 应兼顾管道热补偿及防振要求。
2.1.2 应兼顾管道及设备安全，应避免管道对相关设备造成危害。
2.1.3 应优先采取自然补偿方法解决管道柔性问题，安装空间狭小而不具备自然补偿条件时方考虑采用金属膨胀节。采用膨胀节应考虑满足工艺条件及防腐要求，不得采用填函式伸缩节和球形补偿器。
2.1.4 可采取冷紧措施减小管道对设备、法兰以及固定架的作用力，但不可以应用在敏感转动设备的管道上。
2.1.5 存在明显振源的管道应优先考虑防止其振动。
2.1.6 往复式压缩机管道应按照与制造商签定的合同要求进行防振计算。

2.2 设计条件
2.2.1 计算基础数据应由相关各专业提供。
2.2.2 计算工况应涵盖最不利工况，如烘炉、催化剂再生、烧焦、吹扫等特殊工况。
2.2.3 另有规定除外，热态计算温度按最高操作温度状态确定。对于有外隔热层管道，计算温度取介质温度；对于无外隔热层管道，计算温度可取95%介质温度；对于有内隔热层管道，计算温度应根据热传导计算确定。
2.2.4 另有规定除外，安装温度取 20 ℃。
2.2.5 另有规定除外，冷态计算温度取安装温度。
2.2.6 另有规定除外，计算压力取最高操作压力。
2.2.7 金属管道的许用应力按 GB50316附录A取值。

图片来自管道随手小程序

2.2.8 金属弹性模量及膨胀系数按GB50316附录B 取值。

 

2.2.9 柔性系数及应力加强系数按GB50316附录E计算。

图片来自管道随手小程序

 

2.3 荷载
2.3.1 另有规定除外，仅需考虑管道重力和介质压力及温度变化因素。
2.3.2 另有规定除外，仅需考虑热位移荷载，即沿管道轴线发生的热胀冷缩以及与温度有关的设备附加位移，不考虑沉陷位移。
2.3.3 如需要考虑风荷载，则其计算按GBJ9进行。
2.3.4 另有规定除外，九级以下地震不需要进行地震验算，但应按SH3039 采取防震措施。
2.3.5 不需要考虑风和地震同时发生的情况。
2.3.6 对于冲击荷载，动力放大系数取2。

2.4 冷紧

2.4.1力与力矩的计算中应计入冷紧因素。

2.4.2在应力校核中应不考虑冷紧效应。

2.5 摩擦力

2.5.1 下列管道不得忽略摩擦力的不利影响：
a) 公称直径大于或等于 600 mm 的管道；
b) 敏感转动设备管道。
2.5.2 滑动摩擦系数按下列取值：
a) 滑动面为钢对钢时，取 0.3；
b) 滑动面为钢对混凝土时，取 0.6；
c) 滑动面为不锈钢对聚四氟乙烯时，取 0.1。
2.5.3 滚动摩擦按不锈钢对聚四氟乙烯滑动摩擦考虑。
2.5.4 仅需要考虑载重支承面上摩擦效应。

2.6 应力计算
2.6.1 计算由持续荷载引起的管道纵向应力时，计算壁厚中应剔除腐蚀裕量；计算热应力变化范围时，计算壁厚取管道名义厚度。
2.6.2 按常温下管材弹性模量计算热应力变化范围。
2.6.3 引入应力增大系数计算管件应力。计算持续荷载引起的管件应力时，应力增大系数取 0.75i，但不得小于 1；计算管件热应力变化范围时，应力增大系数取 i。i 值按 GB 50316 的附录E计算。

2.7 力与力矩计算

2.7.1按管道名义厚度计算力与力矩。

2.7.2按操作温度下弹性模量计算管道在操作状态下对设备的作用力。

2.8 校核标准

2.8.1 管道应力
2.8.1.1 由重力、压力等持续荷载引起的管道纵向应力之和不得超过材料在最高操作温度下的许用应力。
2.8.1.2 由风或地震等偶然荷载与重力、压力等持续荷载共同引起的管道纵向应力不得超过 1.33 倍材料在最高操作温度下的许用应力。
2.8.1.3 由热位移荷载引起的应力变化范围不得超出许用范围，该许用范围按式（ 2.8.1.3）计算。

 

式中：
δE—应力许用范围，MPa；
[δ]—管材在冷态的许用应力，MPa；
[δ]t—管材在热态下的许用应力，MPa；
δL—由于重力、压力等持续荷载引起的管道纵向应力之和，MPa；
f—管道应力许用范围减小系数，按 GB 50316 取值。
2.8.2 作用于法兰的力与力矩
管道施加到法兰上的力与力矩应满足式（ 2.8.2-1）和式（ 2.8.2-2），若不满足，应减小力与力矩，或提高法兰压力等级。

 

式中：
Peq—当量压力，MPa；
Pp—计算温度下管道介质压力，MPa；
Pf—计算温度下法兰允许使用压力，MPa；
M—作用于法兰的外加弯矩，N· mm；
F—作用于法兰的外加拉力，N；
DG—垫片作用中心圆直径，mm。
2.8.3 作用于设备的力与力矩
2.8.3.1 对于转动设备，管道在工作状态下作用于机器管口的力与力矩应符合机器制造厂提出的限制性条件或取得机器制造厂的书面认可， 在机器制造厂没有提出要求情况下，应符合以下标准的相关规定：
a) 对于离心泵，应遵守 API 610；
b) 对于离心压缩机，应遵守 API 617；
c) 对于汽轮机，应遵守 NEMA SM23。
管道在安装状态下作用于机器管口的力与力矩应接近于零值。
2.8.3.2 对于静设备，管道作用于设备管口的力与力矩应符合设备专业提出的要求或取得设备专业认可。

2.9 柔性分析方法
2.9.1 进行柔性分析可以采取多种方法，如对比分析法、经验公式判断法和数值解析法。应根据具体情况选择采用。
2.9.2 对比分析法
符合下列条件之一的管道，可认为满足柔性要求：
a) 与实际运行良好的管道相同；
b) 与经过详细柔性分析并合格的管道相比，没有实质变化。
2.9.3 经验公式判断法
具有同一直径、同一壁厚、无分支管、两端固定、中间无支承约束的非剧毒管道若不存在下列情况则可以按式（ 2.9.3）进行判断：
a) 存在剧烈冷热循环变化的管道；
b) 大直径薄壁管；
c) 不等腿的管路展开长度大于端点连线长度 2.5 倍的 U 形管道；
d) 不在端点连线方向上的端点附加位移占总位移量的大部分；
e) 近似直线的“锯齿”形状的管道。

 

式中：
Do—管道外直径，mm；
L—管道的伸展长度，m；
U—固定点之间的连线长度，m；
δ —作用于管道的总热位移荷载，mm，由管端处管道自由热胀冷缩位移以及设备热胀冷缩位移叠加构成，前者在热胀条件下取正值，在冷缩条件下取负值，后者以造成端点相向移动取正值，相背移动取负值。
2.9.4 数值解析法
符合下列条件之一的管道，应采取数值解析分析方法：
a) 进、出加热炉的工艺管道；
b) 进、出高温反应器的工艺管道；
c) 进、出蒸汽发生器的管道；
d) 进、出汽轮机的蒸汽管道；
e) 进、出离心式压缩机、鼓风机的工艺管道；
f) 进、出往复式压缩机、往复泵的工艺管道；
g) 符合图 2.9.4-1 规定的泵管道；

 

图 2.9.4-1 泵管道柔性分析方法划分

 

h) 有特别要求的管道；
i) 其它直径及温度符合图 2.9.4-2 及图 2.9.4-3 的管道。

 

图 2.9.4-2 低碳钢及低合金钢管道柔性分析方法划分

 

 

图 2.9.4-3 不锈钢管道柔性分析方法划分

3 项目和规范的差异

随着应力分析水平的不断提高和工业化设计的安全意识的加强，特别是针对不同的项目，设计单位普遍调整管道应力计算的条件范围，因此，上述图表在使用时需结合项目实际情况进行适当调整。

如《GB/T20801.3-2020》中规定的管道应力分析的范围及方法：

1、所有管线均应做应力分析，工程设计中宜根据管道的温度、压力、口径及连接的设备类型确定分析方法和详细程度。

2、符合下列条件之一的管道系统，可使用目测或简化分析方法：

a）口径小于DN50；

b）设计温度高于-46℃低于150℃；

c）设计温度高于或等于150℃，低于200℃，口径大于或等于DN50，小于或等于DN400；

d）设计温度高于或等于200℃，低于350℃，口径大于或等于DN50，小于或等于DN200；

e）设计的管道系统与已成功运行的管道系统的结构和布置一致，或在结构和布置上仅有很少且不影响管道系统柔性要求的差异；

f）可以容易的判定，所设计的管道系统的柔性不低于一已经过柔性分析的管道系统。

3、符合一下条件之一的管道系统应按本章要求进行详细应力分析：

a）设备管口有特殊的载荷要求；

b）预期寿命内温度循环次数超过7000的管道；

c）设计温度高于或等于350℃，或低于或等于-46℃的管道；

d）利用简化分析方法后，表明需要进行详细分析的管道。