1、3/27/20171北京市艾思弗计算机软件技术有限责任公司Beijing AECsoft Engineering Software Co.,Ltd架空管道柔性设计原理架空管道柔性设计原理架空管道柔性设计原理架空管道柔性设计原理周洪宇周洪宇周洪宇周洪宇压力管道基本荷载压力管道基本荷载压力管道基本荷载压力管道基本荷载?持续性荷载持续性荷载持续性荷载持续性荷载包括重量W和压力P，其中重量包含管道、介质、阀门、法兰、附加重量等?热胀（位移）荷载热胀（位移）荷载热胀（位移）荷载热胀（位移）荷载包括沉降、设备位移、振动、热胀/冷缩位移?偶然荷载偶然荷载偶然荷载偶然荷载包括风、地震、雪、安全阀泄放、水锤气锤
2、等。3/27/20172温度温度温度温度?热胀将导致管道伸长，管系发生变形?管道柔性直接反映了管道变形的难易程度。管道的变形将吸收热胀、冷缩、沉降等位移变形。管道柔性设计的目的管道柔性设计的目的管道柔性设计的目的管道柔性设计的目的管道柔性设计的目的就是使管道系统具有足够的柔性，以防止下列情况的出现：?因应力过大金属的疲劳破坏?管道的推力过大导致管支架的失效?设备管口的推力过大导致转动设备无法启动、设备振动、压力容器开孔的局部应力超标等?法兰，法兰连接的阀门连接处泄漏3/27/20173?应力评定（使热胀满足二次应力对位移疲劳的校核要求）?推力评定-设备管口推力的评定（依据厂家提供或遵循相关的设
3、备规范，如API610、NEMA SM23、API617、API661等）-作用于管支架、固定点、楼板、平台等结构的推力（依据结构设计承载能力）?位移的评定管道变形的线位移和角位移预防碰撞、支架脱落、不超过所允许的正常角位移管道柔性评定管道柔性评定管道柔性评定管道柔性评定管道柔性应力评定管道柔性应力评定管道柔性应力评定管道柔性应力评定二次应力二次应力二次应力二次应力?由位移变形引起的应力（沉降、设备初始位移、振动、热胀冷缩等）?遵循胡克定律：K =F?载荷是自限性的?疲劳是其主要的破坏形式3/27/20174管道柔性应力评定管道柔性应力评定管道柔性应力评定管道柔性应力评定二次应力二次应力二次应
4、力二次应力?二次应力校核公式:iM SE=SA=f(1.25Sc+1.25Sh Ssus)Z?我们通过控制弯矩来控制管道柔性应力评定管道柔性应力评定管道柔性应力评定管道柔性应力评定二次应力二次应力二次应力二次应力3/27/20175?SE=i6ER /L2 SA?增加管道的非约束段长度能够解决二次应力的问题?添加膨胀弯成为解决二次应力的典型方法:管道柔性应力评定管道柔性应力评定管道柔性应力评定管道柔性应力评定二次应力二次应力二次应力二次应力?冷态冷态冷态冷态安装态的推力计算安装态的推力计算安装态的推力计算安装态的推力计算考虑自重、蠕变和自冷紧、弹簧冷载、压力的影响?热态热态热态热态工作状态的推
5、力计算工作状态的推力计算工作状态的推力计算工作状态的推力计算对推力的计算要综合考虑热胀、冷缩、设备的端点附加位移、沉降、冷紧、支架刚度与布置管道柔性评定管道柔性评定管道柔性评定管道柔性评定推力推力推力推力3/27/20176管道柔性推力评定管道柔性推力评定管道柔性推力评定管道柔性推力评定热胀荷载热胀荷载热胀荷载热胀荷载与长度无关与长度无关与长度无关与长度无关管道柔性推力评定管道柔性推力评定管道柔性推力评定管道柔性推力评定热胀荷载热胀荷载热胀荷载热胀荷载=al=无约束的管子的热态轴向伸长量=材料从环境温度到操作温度的线性热态膨胀量L=管子的长度3/27/20177=Pl/AE其中:=管子在载荷作
6、用下的轴向压缩量P=作用在管子上的压缩载荷A=管子的横截面积E=管子材料的弹性模量使上述两式相等，轴向力可以按下式估算:l=Pl/AE，或P=AE管道柔性评定管道柔性评定管道柔性评定管道柔性评定热胀荷载热胀荷载热胀荷载热胀荷载影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素结构尺寸结构尺寸结构尺寸结构尺寸?在管道系统布置形式，支架布置等外部边界条件不变的情况下，管道本身的结构尺寸将对管道的柔性产生影响。减小管道元件的直径或者壁厚将使管道端点的推力减小，对于并行布置的一些列管道，在支架布置也相同的情况下，管道的直径和壁厚越小，管道的柔性就越好。?改变现有的自然补偿器的尺寸
7、，将有助于改善管道对现有变形的吸收能力。例如增加自然补偿器的臂长等3/27/20178?根据经验判断，我们一般不会将管道在两点之间直接连接?增加弯头的个数将使管道的柔性增加-在膨胀量一定的情况下，使用多个弯头来吸收变形-自然补偿器原理?改善弯头的变形能力将使管道的柔性增加-要改善弯头本身的变形能力，要使其抗弯截面模量减小，进而使弯头截面更加容易椭圆化。通过改变弯头的弯曲半径可以实现这个目的。这样是安全的吗？影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素空间走向空间走向空间走向空间走向?此时的弯头会出现应力集中现象，这是我们能够引入应力增大系数的概念来计算弯头处的应力?
8、弯头的变形加剧将导致弯头处应力变大，即弯头的柔性越好，应力效果越差。反之弯头的柔性越差应力水平越好?压力对弯头柔性的影响。-当弯头为吸收管道的热位移而发生变形时，弯头受弯矩作用而产生向内侧的角度变形，而弯头由于受到管道内压的作用还会产生变直的弯矩，此时将对弯头吸收热胀变形产生影响。需要对弯头柔性系数和应力增大系数的计算进行修正。影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素空间走向空间走向空间走向空间走向3/27/20179管道直连，错误的设计！管道直连，错误的设计！管道直连，错误的设计！管道直连，错误的设计！影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响
9、管道柔性的因素空间走向空间走向空间走向空间走向A设备管口B设备管口设备管口错开，管道柔性仍然不能满足！设备管口错开，管道柔性仍然不能满足！设备管口错开，管道柔性仍然不能满足！设备管口错开，管道柔性仍然不能满足！拉长水平管长，没有太大改观！拉长水平管长，没有太大改观！拉长水平管长，没有太大改观！拉长水平管长，没有太大改观！直径DN200温度200C管道柔性满足！管道柔性满足！管道柔性满足！管道柔性满足！?管道管口连接处刚度?支架约束点的布置和支架刚度影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素管道边界条件刚度管道边界条件刚度管道边界条件刚度管道边界条件刚度3/27/2
10、01710管道的两端是要与设备管口相连接的，如果将设备的管口是为固定端，往往会导致大的管口推力。接口处的刚度能够决定吸收变形的能力 对于转动机械一般用初始位移来模拟，考虑成固定端不一定是最保守的 对于压力容器等设备，除初始位移之外。在管口受到外部施加的力或力矩时，将产生微量变形。此时将对管道应力和管口推力的计算产生影响。详见WRC297或者压力容器相关的规范。影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素管道边界条件刚度管道边界条件刚度管道边界条件刚度管道边界条件刚度?管道支架在系统当中起到对系统的约束作用，同时也限制了系统的位移变形?在系统当中不要添加过多的轴向限位
11、，否则将组织管道的自由轴向位移的传导。影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素管道边界条件刚度管道边界条件刚度管道边界条件刚度管道边界条件刚度3/27/201711?刚性元件是指刚度比较大的管道元件，如阀门、法兰、过滤器等元件，自身刚度较大，自身无法变形?高压系统中的管道元件，在高压或者超高压系统中，往往弯头等管道元件需要定制，定制的弯头一般没有柔性，要当做刚性元件来考虑。?管道系统的摩擦力，管道的摩擦力会对管道的热变形产生阻碍作用，可能会使管道的热胀无法传导。影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素影响管道柔性的因素管道柔性改善的方法管道柔性改善
12、的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法?改变管道结构走向管道的位移变形的吸收需要体现在柔性元件中，最简单的柔性元件为弯头。通常管道设计人员会通过改变管道的走向以增加系统中弯头的个数来达到增大柔性的目的：在长直管道中，在管道中增加行补偿器是最常见的，能够减小管道的应力和推力 改变管道的空间走向以增加柔性。在正常的管道布置中，在考虑设备位置、支架生根条件、操作要求后往往要求管道尽量短，以便节省材料，减小沿程阻力等。3/27/201712?一般来讲性补偿器都是二维的，当如果由于空间、美观、支架生根点的问题，也可以采取三维布置的补偿器?此时的结构尺寸中W、H相当于二维尺寸的0.7倍，竖直管段高度大
13、概在，小管道800mm到1000mm，大管道1500mm到2500mm管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法经典管型经典管型经典管型经典管型3/27/201713?金属波纹管 需要管道支架辅助或者拉杆附件 典型应用在大口径、高温、非高压系统膨胀节由于寿命等问题，对系统的安全及稳定性有影响，在调整管道柔性时优先考虑自然补偿。膨胀节具体讲解管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法?管口柔性连接 橡胶连接器 金属软管?对温度高系统较敏感，可用于设备接口处、以减小管口推力管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法3/27/201714管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法?使用弹簧支吊架增加管道柔性使用弹簧支吊架增加管道柔性使用弹簧支吊架增加管道柔性使用弹簧支吊架增加管道柔性弹簧相对于普通的刚性支吊架来说能够在起到约束作用的同时允许管道变形，使管道变形能够被释放。进而增大了管道的柔性。管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法管道柔性改善的方法
