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1、压力管道设计概论江苏省特种设备安全监督检验研究院缪 春 生目 录1、概述2、压力管道的材料选用3、压力管道的布置4、内压下典型元件的强度计算5、压力管道的应力分析与柔性分析1、概 述基本要求：压力管道设计单位应当取得相应的设计许可证。工业压力管道设计应当符合压力管道安全监察规程工业管道以及GB20801的要求，保证所设计的管道能够安全、持续、稳定、正常地生产运行。同时，也应当保证使用单位规定的附加要求。1、概 述目前大多数工程界认为：压力管道设计包括3个方面：管道的材料设计 管道的布置设计 管道的机械设计上述的3个方面的内容是3个专业，也是3个设计工序。管道的材料设计是基础，管道的布置设计是目
2、的，管道的机械设计是安全保障。2、压力管道的材料设计 管道材料设计涉及到管道标准体系的选用、材料选用、压力等级的确定、管道及其元件型式的选用 管道标准体系的选用：管道标准体系是指管道压力等级、管道规格的标准系列，从管子外径、法兰等级上体现有两大类标准体系，即：以德国为代表的欧洲体系：管子开始采用小外径体系，后改为大外径体系，法兰等级从PN0.1,PN0.25,PN0.6,PN1.0,PN1.6,PN2.5,PN4.0,PN6.4,PN10,PN16,PN32,PN40等。苏联和我国的许多标准都采用欧洲体系。但国际工程中很少采用。管道设计的特点是：配管制，即：选择管子、管件等管道元件的规格、压力
3、等级、材料种类等。2、压力管道的材料设计 以美国为代表的欧洲体系：以美国为代表的欧洲体系：2、压力管道的材料设计2、压力管道的材料设计2 2、2 2 材料选用要求材料选用要求 压力管道用材料的基本要求是：强度、塑性、韧性、材料稳定性、工艺性、可焊性、与输送介质的相容性。（相容性包括了耐腐蚀性、介质温度的要求）（见规程第二十一条），尤其注意延伸率不低于14%。管道设计应有足够的腐蚀裕量。腐蚀裕量应当根据预期的管道使用寿命和介质对材料的腐蚀速率确定，并且还应当考虑介质流动时对管道或受压元件的冲蚀量和局部腐蚀以及应力腐蚀对管道的影响，以满足管道的安全运行。（规程第四十八条）。介质温度考虑高温、低温和
4、环境温度对材料的影响。例：当金属管道外壁温度受大气环境条件影响，压力管道设计时所考虑的最低环境温度，可以按照该地区气象资料，取历年来月平均最低气温的最低值。（规程第四十四条）。2、压力管道的材料设计2 2、2 2 材料选用要求材料选用要求 注意几种特殊材料的使用限制注意几种特殊材料的使用限制 灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁的使用灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁的使用（规程规程第二十四、二十五条）第二十四、二十五条）碳素结构钢的使用碳素结构钢的使用（规程规程第二十六、二十七条）第二十六、二十七条）碳钢、碳锰钢、低温用镍钢不宜长期在碳钢、碳锰钢、低温用镍钢不宜长期在425以上使用以上使用（规程规程第二十九第
5、二十九条）条）奥氏体不锈钢使用温度高于奥氏体不锈钢使用温度高于540 时，应当控制材料含碳量不低于时，应当控制材料含碳量不低于0.04%，并且在固溶状态下使用。并且在固溶状态下使用。（规程规程第三十条）第三十条）不同制造方法的钢管的使用不同制造方法的钢管的使用（规程规程第二十八条）第二十八条）2、压力管道的材料设计2 2、3 3 压力等级的确定压力等级的确定 压力等级的确定三原则：弹性准则、等强度原则、靠系列原则。注意法兰等级的确定：因为在标准法兰压力等级中没有考虑管系载荷，因此，需要校核压力等级。规程第四十一条明确了管道组成件压力的选用要求。注意：设计压力应当不小于在操作中可能的最苛刻的压力
6、温度组合工况。3、压力管道的布置3 3、1 1 概述概述 管道布置的实质是：给出管系的设计图纸。3、压力管道的布置3 3、1 1 概述概述 3、压力管道的布置3 3、1 1 概述概述 4、内压下典型元件的强度计算内压下典型元件的强度计算4、内压下典型元件的强度计算内压下典型元件的强度计算2、4、内压下典型元件的强度计算内压下典型元件的强度计算从图中可以看出：弯头或弯管内侧应力大于外侧应力从图中可以看出：弯头或弯管内侧应力大于外侧应力4、内压下典型元件的强度计算内压下典型元件的强度计算 3、4、内压下典型元件的强度计算内压下典型元件的强度计算4、4、典型元件的强度计算典型元件的强度计算4、内压下
7、典型元件的强度计算内压下典型元件的强度计算 或 理论上需要的补强面积支管增厚多余的面积主管增厚多余的面积实际需要的补强面积补强宽度4、内压下典型元件的强度计算内压下典型元件的强度计算5、管系的应力分析为什么要进行应力分析？管系的载荷复杂，如：5、管系的应力分析与柔性分析为什么要进行应力分析？管系的变形复杂，如：温差引起的变形必须加以约束，否则，与之相连的设备刚性较大，无法吸收其变形而引起设备破坏。支撑作用的影响：不同支撑方式和位置会产生不同的附加应力。管道的空间方位的影响：具有角向变形，产生扭矩。管道附件和介质的自重影响：具有弯曲变形，产生弯曲应力分析管系应力和变形是分不开的。管道设计者要讨论
8、：1、管系应力分析和柔性分析的目的？2、什么情况下需要进行管系应力分析和柔性分析3、如何进行管系应力分析和柔性分析4、什么条件下管系应力分析和柔性分析是合格的？5、管系的应力分析与柔性分析若干个基本概念：应力分类（一）一次应力。一次应力指的是由压力、重力和其他外力载荷作用所产生的正应力和剪切应力，一次应力必须满足外部和内部的力和力矩的平衡法则。一次应力是非自限性的，它始终随所加载荷的增加而增加，超过材料的屈服极限或持久强度时，将使管道发生塑性破坏或总体变形，因此在管系的应力分析中，首先应使一次应力满足许用应力值。（二）二次应力。二次应力指的是由热胀、冷缩、端点位移等位移载荷作用的产生的正应力或
9、剪应力，二次应力不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形要求而必须产生的应力。（三）峰值应力。峰值应力是指局部应力集中或局部结构不连续或局部热应力等所引起的较大的应力。管道的二次应力通常是由位移载荷引起的（如热膨胀量、附加位移，安装误差，振动载荷）二次应力是自限性的，当局部屈服和产生少量塑性变形时,通过变形协调就能使应力降低下来。二次应力的许用极限是基于周期性和疲劳断裂模式，不取决于一个时期的应力水平，而是取决于交变的应力范围和交变的循环次数。5、管系的应力分析与柔性分析若干个基本概念：安定状态5、管系的应力分析与柔性分析若干个基本概念：安定状态5、管系的应力分析与柔性分析若干个
10、基本概念：安定状态GB20801.2中（32）式的由来，注意符号上不一致。5、管系的应力分析与柔性分析若干个基本概念：应力评定准则5、管系的应力分析与柔性分析若干个基本概念：剧烈循环工况：管道系统中的管子、管道元件或接头中的位移应力范围超过许用应力范围的0.8倍，同时当量循环次数N超过7000次。GB20801.2中(37)式.计及轴向弯曲应力和扭矩的剪应力GB20801.2中(35)式.折算为最大应力范围时的循环次数5、管系的应力分析与柔性分析管系应力分析的目的5、管系的应力分析与柔性分析哪些情况下要进行管系应力分析5、管系的应力分析与柔性分析哪些情况下要进行管系应力分析5、管系的应力分析与柔性分析管系应力分析的方法如何求Y？（1）选择任一端为始端，另一端为未端（2）分别计算空间热胀量5、管系的应力分析与柔性分析管系应力分析的方法5、管系的应力分析与柔性分析管系应力分析的方法5、管系的应力分析与柔性分析管系应力分析的方法建立建立CAESARCAESAR模型模型上机进行应力解析上机进行应力解析应力校核应力校核提供计算结果提供计算结果绘制管系空视绘制管系空视图图载荷分析载荷分析管道竣工资料管道竣工资料管道走线管道走线管道几何参数、约束条件管道几何参数、约束条件服役条件服役条件谢谢 谢谢请批评指正请批评指正