压力管道机械.ppt
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1、压力管道材料与管道机械,沈阳化工大学 李志安,1绪 论 1996年劳动部以“劳部发1996140号”文发出“关于颁发压力管道安全管理与监察规定(以下简称监察规定)的通知”,标志着我国压力管道的管理进入了法制管理阶段。监察规定就压力管道的定义及压力管道的设计、制造、安装、使用、检验和修理改造等方面作出了安全管理和监察的框架规定,以期最大限度地减少压力管道运行中的事故发生,有效地保障压力管道的安全运行,保护人民生命和财产的安全。,压力管道与压力容器一样重要,从压力管道的设计制造到安装,都陆续制定了相应法规和规范。如: TSG R1001-2008压力容器压力管道设计许可规则; TSG3001200
2、9压力管道安装许可规则; GB/T20801.1-62006压力管道规范 工业管道; GB50316-2000工业金属管道设计规范; 等等。,1.1 压力管道的特点 压力管道与压力容器相比较,具有以下主要特点: 1)种类多,数量大,设计、制造、安装、应用管理环节多 2)长细比大,跨越空间大,边界条件复杂 3)现场安装工作量大 4)材料应用种类多,选用复杂 5)管道及其元件生产厂的生产规模较小,产品质量保证较差,1.2 压力管道的研究范畴 要实现一条压力管道安全、长周期地运行,同时又是最经济的,必须从设计、制造、安装和应用四个环节进行把握,而且缺一不可。 我们主要研究设计问题。 压力管道工程设计
3、分成管道布置、管道材料设计和管道机械设计三个部分,或者说分成这三个专业来完成。 管道材料设计是基础,管道布置是目的,而管道机械设计是保障。,(一)管道布置 管道布置(设计)过程大致可分为以下三个环节,即配管研究、管道详细设计、设计文件编制及归档。 1)配管研究 配管研究首先要了解设计条件和用户要求,然后确定设计应用标准规范,并委托管道材料专业确定管道等级,最后进行管道走向、支撑、操作平台等方面的综合规划和布置,并将有关的、认为有必要的管道委托给管道机械专业进行力学分析。,2)管道详细设计 (1)管道定位 (2)阀门定位 (3)操作平台设置 (4)放空排凝设计 (5)隔热设计 (6)防腐设计 (
4、7)支撑设计 (8)仪表元件定位 (9)采样设计 (10)图例标识及图幅安排 (11)委托资料,3)设计文件的编制及归档 文件资料应包括资料: 图纸目录、 管道设计说明书、 管道表、 管道等级表、 管段材料表、 管道材料表、 管道设备规格表、 管道设备规格书、 管道支吊架汇总表、 非标管道设备图、 非标支吊架图等。,(二)管道材料 管道材料是整个管道设计过程中的基础部分,它直接影响到压力管道的可靠性和经济性。因此,许多法规性的标准如ANSI B31.1、ANSI B313、ANSI B314、SH3059等都是主要针对管道材料的设计编写的, “压力管道安全技术监察规程”也主要围绕着这部分内容进
5、行规定。 管道的材料设计: 管道器材标准体系的选用、 材料选用、 压力等级的确定、 管道及其元件型式的选用等内容。,(三)管道机械 管道的机械设计一般是由管道机械工程师(以下简称为机械工程师)来完成的。 管道机械研究的核心是管道的机械强度和刚度问题,它包括: 管道及其元件的强度、刚度是否满足要求; 管道对相连机械设备的附加载荷是否满足要求等。,2管道材料 21金属材料基础 金属材料基本性能: 1)机械性能: 强度指标:设计中常用的有强度极限b和屈服极限s,高温时还要考虑蠕变极限n和高温持久极限D。 弹性指标:是稳定性计算的主要依据,主要参数有弹性模量E,抵抗弹性变形能力指标。 塑性和韧性指标:
6、是材料受冲击载荷作用时的主要设计依据,也是低温或超低温条件下对材料使用性考核的一个重要指标。主要参数有延伸率,断面收缩率,冲击韧性k,冲击功Ak。 疲劳强度:是指材料在交变载荷作用下,发生破坏时的最大应力,通常用用疲劳持久极限来衡量,它是反映材料抗交变应力破坏的强度指标。 断裂韧性:是判断材料内部裂纹危险性的一个指标,用在断裂力学设计中,或用于在役压力管道的安全评定。 硬度:是材料抵抗局部塑性变形的能力。材料硬度高,其耐磨性好。 2)耐蚀性能:3)物理性能:4)制造工艺性能:5)材料的经济性: 2.2管道材料选用(见GB/T20801.2-2006压力管道规范 工业管道 材料) 规定了压力管道
7、材料的基本要求。,2.3管道器材标准体系及选用 管道器材包括:管子,管件,法兰及其连接件,阀门等。 这些器材标准通过一定的规则在一个管路(系)中得到应用,它们之间相互衔接,相互配合,从而确定了管道及其元件的基本参数。 这些标准中尤其以管子标准和法兰标准最具有代表性,它们是其它应用标准的基础。,1)管子系列标准: 管径系列:大外径()系列;小外径()系列。另一分类为英制管和公制管。 公称直径DN 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350 400 450 500 600 大外径 22 27 34 42 48 60 76 89 114 1
8、40 168 219 273 324 356 406 457 508 610 小外径 18 25 32 38 45 57 73 89 108 133 159 219 273 325 377 426 480 530 630,2)壁厚等级(壁厚表示方式):三种:表号法;重量法;壁厚尺寸法。 管表号表示法:用管子表号Sch表示壁厚。管表号是管子设计压力与设计温度下材料许用应力的 比值乘以1000,并经圆整后的数值。即:Sch=1000P/t 。这是美国钢管壁厚的一种表示法,是以外径为基准的管子系列。同一外径管表号不同则壁厚不同。 重量法:以管子重量表示管壁厚度。将管壁厚分为三种:标准重量管,以STD
9、表示;加厚管,以XS表示;特厚管,以XXS表示。 壁厚尺寸法:外径X壁后,我国、 ISO等标准系列。,3)法兰系列标准:两大体系: 欧式法兰(欧洲体系):以200度作为计算基准温度,压力等级分为(公称压力): PN0.1,0.25,0.6,1.0,1.6,2.5,4.0,6.3,10.0,16,25,40(MPa)。 美式法兰(美洲体系):以约430度(150Psi(CL150)级则是300度)作为计算基准温度,压力等级为: PN2.0 (CL150), 5.0(CL300),6.8(CL400), 10.0(CL600),15.0(CL900),25.0(CL1500), 42(CL2500
10、)。 注意:无论是管子还是法兰,上述两个系列或体系是不能互换的,即不能混合使用。,4)国际上常用的标准体系: 德国及前苏联应用的标准体系,典型的欧洲体系; 美国及日本应用的标准体系; 国际标准化组织的应用体系; 英国及法国的应用体系。 5)国内常用的标准体系: 国内压力管道常用管法兰标准有以下四类: a)国家标准GB/T91129124-2000钢制管法兰。 参国际ISO/DIS7005-1钢法兰编制而成,有2个公称压力等级。 b)中国石油化工总公司标准SH3406-1996石油化工钢制管法兰。 参美国标准,属于美洲体系。 c)化工部标准HG2059320635-1997钢制管法兰、垫片、紧固
11、件。 有欧洲和美洲两个体系。( GB/T20801.3-2006 中规定标准) d)机械行业标准JB/T7490-94管路法兰及垫片。 属于欧洲体系。 这些标准各有各自的温度压力等级表、密封面型式和接管尺寸,相互之间互换性差,有些不能配套使用,设计时要加以注意。 6)常用压力管道应用标准体系配伍表,2.4 管道压力等级 压力管道的组成件一般都是标准件,所以压力管道组成件的设计主要是其标准件的选用,管道压力等级的确定也就是其标准件等级的确定。对于一般管道,其标准件可以分为两大类: 一是以公称压力表示,并规定了压力温度对应值的标准管道配件(如管法兰,伐门等)等; 其二是给出压力等级(壁厚等级)系列
12、,但未规定压力温度对应值的标准管道配件(如管子,弯头,三通,异径管等。只有公称直径和壁厚)。 管道的压力等级包括两部分: 一是以公称压力表示的标准管件的公称压力等级; 二是以壁厚等级表示的标准管件的壁厚等级。 通常把管道中由标准管件的公称压力等级和壁厚等级共同确定的能反映管道承压特性的参数叫做管道的压力等级。,2.4.1 设计条件 1)设计压力: 2)设计温度: 2.4.2 影响管道压力等级确定的因素 1)影响公称压力等级确定的因素:应用标准体系;材料;操作介质;介质温度及管系附加力。 2)影响壁厚等级确定的因素:材料的许用应力;腐蚀裕量;管子及其元件的制造壁厚偏差;焊缝系数;铸造质量系数;设
13、计寿命。,2.4.3 压力等级的确定方法 1)管道压力等级确定的原则:三个原则:弹性原则;等强度原则;靠系列原则。 2)公称压力等级的确定方法:法兰同时承受内压和管系力作用时,其当量设计压力为: Pd=P+16M/(DG3)+4F/(DG2) 式中:P管道中介质压力 MPa;M法兰连接承受的管系附加外力矩 N.mm;F-法兰连接承受的管系附加轴向力 N;DG垫片压紧力作用中心圆直径 mm。(M,F的计算后面介绍) 3)壁厚等级的确定方法: 直管壁厚计算公式:ts=PDo/2 ( t +PY) 设计壁厚:td=ts+C (公式来历后面介绍) 壁厚等级的确定:圆整厚度查相应标准,选择管壁厚。,2.
14、5 管子及其元件的选用 压力管道的管子及其元件的选用包括:应用标准体系、材料标准、结构形式、连接形式等内容的选定,是管道压力等级内容的延伸。 2.5.1 管子 管子是压力管道中应用最普遍用量最大的元件,它的重量占整个压力管道的近2/3,而投资占近3/5。 值得注意的是在我国的钢管制造标准中,有结构用钢管和流体输送用钢管之分。结构用管主要用于一般金属结构,如桥梁钢构架等,它只要求保证强度与刚度,而对钢管的严密性不作要求。流体输送用管主要用于带有压力的流体输送,除要保证强度和刚度外,还要求保证密封性,即钢管出厂前要求逐根进行水压试验。 压力管道必须采用流体输送管道。,常用管子有以下几种类型: 1)
15、焊接钢管:连续炉焊(锻焊)钢管;电阻焊钢管;电弧焊钢管。 管子标准有: 2)无缝钢管:碳素钢无缝钢管;铬钼钢无缝钢管;不锈钢无缝钢管。 管子标准有: 3)复合管和衬里管:,2.5.2 管件 管件的作用:管件是用来改变管道方向、改变管径大小、进行管道分支、局部加强、实现特殊连接等作用的管道元件。 常用的管件有弯头、三通、异径管(大小头)、管帽、加强管嘴、加强管接头、活接头、丝堵、管箍等。 1)连接形式:管件之间,管件与管道之间常用的连接方式有三种:对焊连接,承插焊连接和螺纹连接。 2)对焊管件:常用的对焊管件有弯头,三通,大小头,管帽等。 3)承插焊和螺纹连接管件:常用的管件有弯头,三通,大小头
16、,管帽等。,2.5.3 法兰及紧固件: 法兰、垫片、螺栓组成管道中可拆的连接结构,是一种重要而普遍应用的连接方式。法兰是确定管道公称压力等级的基准件。 2.5.4 阀门及其它管道设备 1)各种阀门: 2)其它管道设备:常见的管道设备还有波纹管膨胀节,过滤器,阻火器,消音器,视镜等。主要注意波纹管(补偿器)膨胀节的设计与选用。,3管道机械 3.1概述 管道机械是研究管道的机械强度和刚度问题。 3.1.1管道载荷及其工况组合 1)管道载荷分类 管道承受载荷总体分为两大类,即静载荷和动载荷。 静力是指不随时间而变化的力(载荷)。在压力管道所承受的载荷中,大多都属于静载荷。 动载荷相对于静载荷,是随时
17、间变化的载荷。 GB/T20801.3-2006将管道上可能承受的载荷分为: 持久性载荷:永久作用于管道系统的载荷,主要有压力载荷(内压和外压,主要以内压为多);重力载荷(包括管道元件的自重,管道内介质重量,保温层等,但不包括冰和积雪载荷)。 临时性载荷:短时间作用于管道系统的载荷,主要有风载荷;地震载荷;冰雪载荷;阀门开、关时的反冲力和压力升高等载荷。 交变性载荷:大小和方向随时间发生变化的载荷,主要有温差引起的位移载荷(管道热胀冷缩位移,端点附加位移,支撑沉降等引起的载荷);风力引起的端点位移载荷;两相流脉动载荷;压力脉动载荷(如往复压缩机的往复运动所产生的压力脉动);瞬变流冲击载荷(如安
18、全阀起跳或阀门的快速开闭时的压力冲击等);机械振动载荷(如回转设备的简谐振动)。,2)应考虑的载荷组合工况 (1)压力、重力等持久载荷同时作用工况。 (2)以上持久载荷与风载荷或地震载荷等临时载荷同时作用工况。 (3)因温差引起的载荷及其他交变载荷。 (4)必要时,需考虑端点或支吊架永久性位移引起的载荷,但在结构设计时应尽可能消除该载荷的影响。 3)应考虑临时性载荷的条件和要求 (1)同时满足以下条件时,应计及地震载荷: GC1类管道、介质毒性为高度危害的GC2类管道或介质为可燃的GC2管道;地震烈度大于等于8度,且设计基本地震加速度大于等于0.3g。(GB503162000工业金属管道设计规
19、范规定,地震烈度 9度及以上时,应在管道设计时进行地震验算。) (2)如需计及风载荷,则风载荷和地震载荷无需同时与其他临时性载荷构成组合工况。 (3)如需计及因阀门开、关产生的载荷,则该载荷与地震载荷无需同时与其他临时性载荷构成组合工况。,3.1.2应力强度条件 1)持久载荷的应力强度条件 对于持久载荷组合工况,管子和管道元件的轴向应力SL应不大于最高工作温度下的材料许用应力Sh ,即强度条件为: SLSh, SL=PD/4Te+MA/Z 式中:MA所考虑载荷组合工况下产生的弯矩(N.mm); MA=(iiMAi)2+(ioMAo)21/2 MAi所考虑载荷组合工况下产生的平面内的弯矩; MA
20、o所考虑载荷组合工况下产生的平面外的弯矩; Z管子或管道元件的抗弯截面模量(mm3); ii平面内应力增大系数,见GB/T20801.3-2006附录C; io-平面外应力增大系数,见GB/T20801.3-2006附录C。,2)持久载荷与临时载荷组合工况的应力强度条件 SL21.33Sh, SL2=PD/4Te+MB/Z 式中:MB所考虑载荷组合工况下产生的弯矩(N.mm); MB=(iiMBi)2+(ioMBo)21/2 MBi所考虑载荷组合工况下产生的平面内的弯矩; MBo所考虑载荷组合工况下产生的平面外的弯矩;,3.2管系静应力分析 管系静应力分析的主要内容: 1)压力载荷和持续载荷作
21、用下的一次应力计算,防止管道元件局部发生过度塑性变形而破坏。 2)管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移载荷作用下的二次应力计算,防止管道元件发生疲劳破坏。 3)管道对相连设备作用力的计算,防止管系对相连设备的作用力太大,保证设备正常运行。 4)管道支吊架的受力计算,为支吊架强度设计提供载荷数据。 5)管道上法兰的受力计算,防止法兰泄露。,3.2.1管道元件变形及其应力 1)拉伸和压缩 =4F/(Do2-Di2) 此为管道元件受拉、压时的强度条件。 2)剪切 =N/A N为剪力, A横截面积 A=(Do2-Di2)/4 3) 扭转 n=Mn/Wn Mn扭矩,Wn抗扭截面模量 Wn=(Do4-Di4
22、)/16Do 4) 弯曲 w= M/Wz M弯矩,Wz抗弯截面模量 Wz=(Do4-Di4)/32Do,3.2.2承受压力载荷管道元件的强度分析 一承受内压回转壳体应力分析 1)薄壳与厚壳: 薄壁容器/D i0.1 Do/Di=K1.2 厚壁容器/D i0.1 K1.2 2)有力矩与无力矩理论: 同时考虑所有内力分量的分析方法称为有力矩理论; 当壳体较薄时,弯曲内力与法向力相比很小,可以略去,称为无力矩理论。也称为薄膜理论,按此理论得出的应力也称为薄膜应力。,薄膜理论的两个基本方程: 拉普拉斯方程 / R1+/ R2=Pz/ , 区域平衡方程(承受气体压力时) =N/= PR2/2 式中:-经
23、向应力,-周向应力,R1-第一曲率半径,R2-第二曲率半径。 3)无力矩理论薄壁圆柱壳应力分析: 圆筒:R1=,R2=R 则=PR/2 =2= PR/ 特点:=2,4) 厚壁筒应力表达形式: 厚壁园筒与薄壁园筒比较其应力有以下三个特点: a)、应力状态是三向应力,径向应力不能忽略; b)、应力沿壁厚方向不再均布,有应力梯度; c)、温差应力不能忽略,(内、外壁间温差产生的温差应力)。 仅受内压时,令K= R0/ Ri=D0/Di得: r=Pi(1-R02/r2)/ (K2 -1) = Pi(1+R02/r2)/ (K2 -1) Z= Pi/ (K2 -1),在内压作用下应力分布特点: 、Z均为
24、拉应力(正值),r为压应力。 、r沿壁厚不均布,且内壁处有最大值;Z沿厚度均布(常量),且为和r的平均值Z=(+r)/2; 、r沿壁厚不均匀程度与径比K有关,K越大,不均匀程度越强;注意:当K=1.1时,内外壁应力只相差10%; 当K=1.3时,内外壁应力相差35%。所以一般规定K 1.2作这薄厚筒分界限。 以绝对值大小而论,内壁面为所有应力中之最大,设计校核要特别注意此应力。 5)外压圆筒的稳定性分析(简介)按GB150,二承受内压管道元件的强度设计 1)压力管道失效形式 压力管道的失效形式有:强度失效;刚度失效;失稳失效;泄漏失效。 a)强度失效:因材料屈服或断裂引起的失效。 韧性断裂(塑
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