壓力管道應力分析部分

第一章任務與職責

1.管道柔性設計的任務

壓力管道柔性設計的任務是使整個管道系統具有足夠的柔性，用以防止由于管系的溫度、自

重、內壓和外載或因管道支架受限和管道端點的附加位移而發生下列情況；

1）因應力過大或金屬疲勞而引起管道破壞；

2）管道接頭處泄漏；

3）管道的推力或力矩過大，而使與管道連接的設備產生過大的應力或變形，影響設備正常

運行；

4）管道的推力或力矩過大引起管道支架破壞；

2.壓力管道柔性設計常用標準和規范

1）GB50316-2000《工業金屬管道設計規范》

2）SH/T3041-2002《石油化工管道柔性設計規范》

3）SH3039-2003《石油化工非埋地管道抗震設計通則》

4）SH3059-2001《石油化工管道設計器材選用通則》

5）SH3073-95《石油化工企業管道支吊架設計規范》

6）JB/T8130.1-1999《恒力彈簧支吊架》

7）JB/T8130.2-1999《可變彈簧支吊架》

8）GB/T12777-1999《金屬波紋管膨脹節通用技術條件》

9）HG/T20645-1998《化工裝置管道機械設計規定》

10）GB150-1998《鋼制壓力容器》

3.專業職責

1）應力分析（靜力分析動力分析）

2）對重要管線的壁厚進行計算

3）對動設備管口受力進行校核計算

4）特殊管架設計

4.工作程序

1）工程規定

2）管道的基本情況

3）用固定點將復雜管系劃分為簡單管系，盡量利用自然補償

4）用目測法判斷管道是否進行柔性設計

5）L型U型管系可采用圖表法進行應力分析

6）立體管系可采用公式法進行應力分析

7）宜采用計算機分析方法進行柔性設計的管道

8）采用CAESARII進行應力分析

9）調整設備布置和管道布置

10）設置、調整支吊架

11）設置、調整補償器

12）評定管道應力

13）評定設備接口受力

14）編制設計文件

15）施工現場技術服務

5.工程規定

1）適用范圍

2）概述

3）設計采用的標準、規范及版本

4）溫度、壓力等計算條件的確定

5）分析中需要考慮的荷載及計算方法

6）應用的計算軟件

7）需要進行詳細應力分析的管道類別

8）管道應力的安全評定條件

9）機器設備的允許受力條件（或遵循的標準）

10）防止法蘭泄漏的條件

11）膨脹節、彈簧等特殊元件的選用要求

12）業主的特殊要求

13）計算中的專門問題（如摩擦力、冷緊等的處理方法）

14）不同專業間的接口關系

15）環境設計荷載

16）其它要求

第二章壓力管道柔性設計

1.管道的基礎條件

包括：介質溫度壓力管徑壁厚材質荷載端點位移等。

2.管道的計算溫度確定

管道的計算溫度應根據工藝設計條件及下列要求確定：

1）對于無隔熱層管道：介質溫度低于65℃時，取介質溫度為計算溫度；介質溫度等于或

高于65℃時，取介質溫度的95%為計算溫度；

2）對于有外隔熱層管道，除另有計算或經驗數據外，應取介質溫度為計算溫度；

3）對于夾套管道應取內管或套管介質溫度的較高者作為計算溫度；

4）對于外伴熱管道應根據具體條件確定計算溫度；

5）對于襯里管道應根據計算或經驗數據確定計算溫度；

6）對于安全泄壓管道，應取排放時可能出現的最高或最低溫度作為計算溫度；

7）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.

3.管道安裝溫度宜取20℃（除另有規定外）。

4.管道計算壓力應取計算溫度下對應的操作壓力。

5.管道鋼材參數按《石油化工管道柔性設計規范》SH/T3041—2002執行

1）鋼材平均線膨脹系數可參照附錄A選取。

2）鋼材彈性模量可參照附錄B選取。

3）計算二次應力范圍時，管材的彈性模量應取安裝溫度下鋼材的彈性模量。

6.管道壁厚計算

1)內壓金屬直管的壁厚

根據SH3059-2001《石油化工管道設計器材選用通則》確定:

當S<><Do/6時，直管的計算壁厚為：

So=PDo/(2［o］l<D+2PY)

直管的選用壁厚為：S=So+C

式中So一一直管的計算壁厚，mm；

P—-設計壓力，MPa；

Do---直管外徑，mm；

［。了一一設計溫度下直管材料的許用應力，MPa；

①---焊縫系數，對無縫鋼管，中=1；

S---包括附加裕量在內的直管壁厚，mm；

C---直管壁厚的附加裕量，mm；

Y一一溫度修正系數，按下表選取。

溫度修整系數表

溫度℃

材料

<4825105385665932621

鐵素體鋼0.40.50.70.70.70.7

奧氏體鋼0.40.40.40.40.50.7

當S°2D0/6或P/［。］'>0.385時，直管壁厚應根據斷裂理論、疲勞、熱應力及材料特性等

因素綜合考慮確定。

2)對于外壓直管的壁厚

應根據GB150-1998《鋼制壓力容器》規定的方法確定。

7.管道上的荷載

管道上可能承受的荷載有：

1）重力荷載，包括管道自重、保溫重、介質重和積雪重等；

2）壓力荷載，壓力荷載包括內壓力和外壓力；

3）位移荷載，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；

4）風荷載；

5）地震荷載；

6）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；

7）兩相流脈動荷載；

8）壓力脈動荷載，如往復壓縮機往復運動所產生的壓力脈動；

9）機器振動荷載，如回轉設備的振動。

8.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）轉動設備熱脹冷縮在連接管口處產生的附加位移；

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。

9.管道布置

管道的布置盡量利用臼然補償能力：

1）改變管道的走向，以增加整個管道的柔性;

2）利用彈簧支吊架放松約束；

3）改變設備布置。

4）對于復雜管道可用固定點將其劃分成兒個形狀較為簡單的管段，如L形、口形、Z形等

管段。確定管道固定點位置時，宜使兩固定點間的管段能夠自然補償。

10.宜采用計算機分析方法進行詳細柔性設計的管道

1）操作溫度大于4000c或小于一50℃的管道：

2）進出加熱爐及蒸汽發生器的高溫管道；

3）進出反應器的高溫管道；

4）進出汽輪機的蒸汽管道；

5）進出離心壓縮機、往復式壓縮機的工藝管道：

6）與離心泵連接的管道，可根據設計要求或按圖17確定柔性設計方法；

圖1T與離心泵連接管道柔性設計方法的選擇

7）設備管口有特殊受力要求的其他管道；

8）利用簡化分析方法分析后，表明需進一步詳細分析的管道。

11.不需要進行計算機應力分析的管道

1）與運行良好的管道柔性相同或基本相當的管道；

2）和已分析管道相比較，確認有足夠柔性的管道；

3）對具有同一直徑、同一壁厚、無支管、兩端固定、無中間約束并能滿足式（1）和式（2）要

求的非極度危害或非高度危害介質管道。

Do?Y/（L-U）2<208.3一-（1）

Y=（ZIX2+ZY2+ZIZ2）1/2一一（2）

式中：Do——管道外徑，mm；

Y一一管道總線位移全補償值，mm；

△x、Ay、Az分別為管道沿坐標軸x、y、z方向的線位移全補償值，mm；

L一一管系在兩固定點之間的展開長度，m；

U一一管系在兩固定點之間的直線距離，m。

式(1)不適用于下列管道：

(1)在劇烈循環條件下運行，有疲勞危險的管道：

(2)大直徑薄壁管道(管件應力增強系數i》5)：

(3)不在這接固定點方向的端點附加位移量占總位移量大部分的管道；

(4)L/U>2.5的不等腿"U"形彎管，或近似直線的鋸齒狀管道。

12.管道端點無附加角位移時管道線位移全補償值計算

當管道端點無附加角位移時，管道線位移全補償值應按下列公式計算：

/丫=/丫'-/丫*-/丫3

Ai

zJZ=ZZ-ZlZ-ZZl'

AB

ZlXt=a,(x?-XA)(T-TO)

AB

ZJY<=a,(YB-%)(T-TO)

AB

z1Zt=a,(ZB-ZA)(T-TO)

式中：

ZX、ZY、ZZ——分別為管道沿坐標軸X、Y、Z方向的線位移全補償值，mm：

ZY\ZIZ'—分別為管道的始端A沿坐標軸X、Y、Z方向的附加線位移，mm；

/X%AX\分別為管道的末端B沿坐標軸X、Y、Z方向的附加線位移，mm；

ZXMZZl一分別為管道AB沿坐標軸X、Y、Z方向的熱伸長值，mm；

at——管道材料在安裝溫度與?計算溫度間的平均線膨脹系數，mm/rnm-℃；

XA>YA、ZA一一管道始端A的坐標值，mm；

XB、YB、ZB一一管道末端B的坐標值，mm；

T一一管道計算溫度，。C；

To一—管道安裝溫度，

13.例題

利用判別式解題有兩種方法：

第一種方法注意如下四點和上面“+”、“一”號的取值。

1）假定一個始端，一個終端

2）始端固定，終端放開

3）熱膨脹方向由始端向終端

4）熱伸長量取正直

第二種方法注意如下四點。和SH/T3041-2002中的公式一致

1）假定一個始端，一個終端

2）始端固定，終端放開

3）熱膨脹方向由始端向終端

4）建立坐標系，端點附加位移和熱伸長量與坐標軸同向取“+”，與坐標軸反向取

“_，，

O

匕題計算如下：

/丫=/丫'一』丫'-/丫1=0-4-12=-16mm

BAAB

z1Y=Z)Y-zlY-zlYt=4-(-5)-(-20)=29mm

BAAB

Z1Z=ZZ-ZIZ-ZJZ1=2-0-(-24)=26mm

Y=(Z1Y2+Z1Y2+ZIZ2)1/2=C(-16)2+292+262]1/2=42.1mm

Do.Y/(L-U)Z=159*42.1/(14-8.4)2=6693.9/31.36=213.45>208.3

所以需要進行詳細分析，與上面的計算結果不同。這里需要說明的是，不是計算過程錯誤,

而是新舊標準管徑取的不一致，新標準為外徑。

第三章補償器的選用

首先應利用改變管道走向獲得必要的柔性，但由于布置空間的限制或其他原因也可采用補償

器獲得柔性。

1.補償器的形式

壓力管道設計中常用的補償器有三種：

n型補償器、波形補償器、套管式或球形補償器

2.n型補償器

n型補償器結構簡單.、運行可靠、投資少，在石油化工管道設計中廣泛采用。采用n形管

段補償時，宜將其設置在兩固定點中部，為防止管道橫向位移過大，應在n型補償器兩側

設置導向架。

3.波形補償器

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。

1)波形補償器條件

(1)比用彎管形式補償器更為經濟時或安裝位置不夠時。

(2)連接兩個間距小的設備的管道。其補償能力不夠時。

(3)為了減少壓降，推力或振動，在工藝過程上可行而且在經濟上合理時。

(4)為了保護有嚴格受力要求的設備嘴子。

2)波形補償器的形式及適用條件

(1)直管段使用軸向位移型；

(2)兩個方向位移的L形，Z形管段使用角型：

(3)三個方向位移的Z形管段使用萬向角型；

(4)吸收平行位移的使用橫向型。

3)選用無約束金屬波紋管膨脹節時應注意的問題

(1)兩個固定支座之間的管道中僅能布置一個波紋管膨脹節；

(2)固定支座必須具有足夠的強度，以承受內壓推力的作用；

(3)對管道必須進行嚴格地保護，尤其是靠近波紋管膨脹節的部位應設置導向架，第一個導

向支架與膨脹節的距離應小于或等于4DN,第二個導向支架與第?個導向支架的距離應小于

或等于14DN,以防止管道有彎曲和徑向偏移造成膨脹節的破壞；

4)帶約束的金屬波紋管膨脹節的類型

帶約束的金屬波紋管膨脹節的共同特點是管道的內壓推力(俗稱盲板力)沒有作用于固定點

或限位點處，而是由約束波紋管膨脹節用的金屬部件承受。

(1)單式較鏈型膨脹節，由一個波紋管及銷軸和軌鏈板組成，用于吸收

單平面角位移；

(2)單式萬向較鏈型膨脹節，由一個波紋管及萬向環、銷鈾和錢鏈組

成，能吸收多平面角位移；

(3)復式拉桿型膨脹節，由用中間管連接的兩個波紋管及拉桿組成，能

吸收多平面橫向位移和拉桿問膨脹節本身的軸向位移；

(4)復式較鏈型膨脹節，由用中間管連接的兩個波紋管及銷軸和錢鏈板

組成，能吸收單平面橫向位移和膨脹節本身的軸向位移：

(5)復式萬向較鏈型膨脹節，由用中間管連接的兩個波紋管及銷軸和較鏈板組成，能吸收互

相垂直的兩個平面橫向位移和膨脹節本身的軸向位移；

(6)彎管壓力平衡型膨脹節，由一個工作波紋管或用中間管連接的兩個工作波紋管及一個平

衡波紋管構成，工作波紋管與平衡波紋管間裝有彎頭或三通，平衡波紋管一端有封頭并承受

管道內壓，工作波紋付和平衡波紋管外端間裝有拉桿。此種膨脹節能吸收軸向位移和/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,一般位于兩端的兩個工作波紋管及有效面積等于二倍工作波紋

管有效面積、位中間的一個平衡波紋管組成，兩套拉桿分別將每一個工作波紋管與平衡波紋

管相互連拔起來。此種膨脹節能吸收軸向位移。拉桿能約束波紋管壓力推力。

5)波紋管膨脹節在施工安裝中應注意的問題

(1)膨脹節的施工和安裝應與設計要求相一致；

(2)膨脹節的安裝使用應嚴格按照產品安裝說明書進行；

(3)禁止采用使膨脹節變形的方法來調整管道的安裝偏差；

(4)固定支架和導向支架等應嚴格按照設計圖紙進行施工，需要改動時應經原分析設計人員

認可；

(5)膨脹節上的箭頭表示介質流向，應與實際介質流向相-致，不能裝反；

(6)安裝較鏈型膨脹節時，應按照施工圖進行，較鏈板方向不能裝錯；

(7)在管道系統(包括管道、膨脹節和支架等)安裝完畢，系統試壓之前，應將膨脹節的運

輸保護裝置拆除或松開。按照國標GB/T12777的規定，運輸保護裝置涂有黃色油漆，應注

意不能將其他部件隨意拆除；

(8)對于復式大拉桿膨脹節，不能隨意松動大拉桿上的螺母，更不能將大拉桿拆除；

(9)裝有膨脹節的管道，做水壓試驗時，應考慮設置適當的臨時支架以承受額外加到管道和

膨脹節上的荷載。試驗后應將臨時支架拆除。

3.套管式或球形補償器

套管式或球形補償器因填料容易松弛，發生泄漏，在石化企業中很少采用。在有毒及可燃介

質管道中嚴禁采用填料函式補償器。

4.冷緊

1)冷緊

冷緊可降低操作時管道對連接設備或固定點的推力和力矩，防止法蘭連接處彎矩過大而發

生泄漏。冷緊是將管道的熱應變一部分集中在冷態，在安裝時（冷態）使管道產生一個初位

移和初應力的一種方法。

當管道沿坐標軸X、y、Z方向的冷緊比不同時，每個方向的冷緊值應根據該方向的冷緊進行

計算。當管道上有幾個冷緊口時，沿坐標軸X、y、Z方向的冷緊值分別為各冷緊口在相應坐

標軸方向冷緊值的代數和。

管道采用冷緊時，熱態冷緊有效系數取2/3,冷態取1。

2）連接轉動設備的管道不應采用冷緊

由于施工誤差使得冷緊量難于控制，另一方面，在管道安裝完成后要將與敏感設備管口相連

的管法蘭卸開，以檢查該法蘭與設備法蘭的同軸度和平行度，如果采用冷緊將無法進行這一

檢查。

3）自冷緊

如果熱脹產生的初應力較大時，在運行初期，初始應力超過材料的屈服強度而發生塑性變形,

或在高溫持續作用下，管道上產生應力松弛或發生蠕變現象，在管道重新回到冷態時，則產

生反方向的應力，這種現象稱為自冷緊。但冷緊不改變熱脹應力范圍。

4）冷緊比

冷緊比是冷緊值與全補償量的比值。

對于材料在陽變溫度下工作的管道，冷緊比宜取0.7。對于材料在非蠕

變溫度下工作的管道，冷緊比宜取0.5。

第四章支吊架選用

1.管道跨距

管道基本跨距的確定實際上就是管系承重支架（或起承重作用的支架）的位置和數量的確定，

也就是說管系中承重支架的位置和數量應滿足管道基本跨距的要求。為了簡化計算，對于水

平連續敷設的管道，以三跨連續梁作為計算模型，并按承受均布載荷（指管道自重、介質重

和隔熱材料重之和）分別根據剛度條件和強度條件計算其最大允許跨距，?。↙1和L2）兩者之

間的小值。

（1）剛度條件：

L1=0.039(EtI/q)1/4(裝置內)

L'1=0.048（Etl/q）1/4（裝置外）

式中

”、LT一一裝置內（外）由剛度條件決定的跨距，m：

E.——管材在設計溫度下的彈性模量，MPa；

I一一管子扣除腐蝕裕量及負偏差后的斷面慣性矩，mm'；

q一一每米管道的質量，N/m。

（2）強度條件:

L2=0.1（［。］%分）“2（不考慮內壓）

Lz=0.071（［。］'W/q）”2（考慮內壓）

式中

［。了一一管材在設計溫度下的許用應力，MPa；

W一—管子扣除腐蝕裕量及負偏差后的抗彎斷面模數，mm%

I和W分別按以下二式計算：

I=n（a'-D.4）/64

W=n（Do'-Di'）/32D?

式中Di---管道內徑，mm；

Do---管道外徑，mm。

2.管道支吊架的形式：

管道支吊架的用途為：

1）承受管道的重量荷載（包括自重、介質重和隔熱材科重等）;

2）限制管道的位移，阻止管道發生非預期方向的位移；

3）用來控制管道的振動、擺動或沖擊。

因此，管道支撐的位置確定、支撐型式的確定以及管道支吊架本身的強度設計也主要是圍繞

著上述支吊架的三個功能展開的。根據管道支吊架的用途可以分為三大類：

剛性支吊架

可調剛性支吊架

承重支吊架

可變彈簧支吊架

恒力彈簧支吊架

固定支架

限制性支吊架限位支架

導向支架

減振器

防振支架

阻尼器

固定架限制了三個方向的線位移和三個方向的角位移：導向架限制了兩個方向的線位移支

托架（或單向止推架）限制了一個方向的線位移。

3.承重支吊架

以支撐管道自重及其它持續載荷為目的的支吊架統稱為承重支吊架，它主要用于防止管道因

自重及其它持續載荷（如介質重、隔熱材料重、雪載荷等）而導致的管道強度或剛度超出標

準要求。

根據管道相對于支撐結構的空間位置不同，承重支吊架可分為支架和吊架兩大類。支撐件將

管道支撐在它的上方時，這類支撐件叫做支架。用可以空間擺動的支撐件（吊桿）將管道吊在

其下面支撐時，這類支撐件叫做吊架。支架和吊架都可以完全或部分限制管道的向下位移，

但二者的支撐效果有所不同。支架因與支撐管道之間可能存在摩擦而使得管道的水平位移受

到一定的阻礙，同時產生摩擦力?支架的剛度也比較大，故其穩定性較好。吊架對管道的約

束剛度相對較?。ǔQ直方向外），也不存在摩擦力，如果在一根較長的管道中吊架用的太多，

會使管系不穩定，故在一條管道中，一般不宜均用吊架進行支撐。根據承受管道重量的特

點不同，承重支吊架又分為剛性支吊架、可調剛性支吊架、可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊

架四類。

1）剛性支吊架

剛性支吊架僅限制管道一個方向（通常為-Y方向）的自由度。它常用于管道在支撐點無向上

垂宜熱位移和附加位移的情況下，或用于支撐點有較小的向下位移和附加位移但不會由此在

管系中造成較大的管系力的情況下。剛性支吊架是應用最多的一種支吊架。根據應用場合和

生根條件的不同，常用的剛性支吊架系列有平（彎）管支托、假管支托、懸臂支架、臨管支架

等。

2）可調剛性支吊架

可調剛性支吊架是一般剛性支吊架的一種特殊型式，即通過旋擰可調螺絲，使支吊架的高度

在一定范圍內得到調整，用于有少量豎直方向的熱位移或附加位移的場合。在工作工況下，

當支撐點有豎直方向的熱位移或附加位移時，會使管道脫離支架（俗稱支架脫空）而起不到支

撐作用，或使支架被頂死而產生較大的管系力，此時應采用下面將要介紹的彈簧支吊架。如

果支撐點豎直方向的熱位移或附加位移比較小而且又位于容易接近的地方時，采用可調剛性

支吊架比彈簧支吊架會更經濟、更方便。

3）可變彈簧支吊架

可變彈簧支吊架適用于支撐點有垂直位移、用剛性支吊架會脫空或造成過大熱脹推力的場

合。與恒力彈簧支吊架相比，使用可變彈簧支吊架會造成一定的荷載轉移。為防止過大的荷

載轉移，可變彈簧支吊架的荷載變化率應控制在25%以下。當然，有時根據實際需要而有意

識地去分配管系在各支撐點的載荷，即有意識地給定一個較大的安裝載荷而獲得較大的載荷

轉移。常用強型的可變彈簧支吊架有支、吊兩種，根據載荷情況和受力條件還可采用串聯和

并聯兩種型式。

4）恒力彈簧支吊架

恒力彈簧支吊架適用于管道支撐點垂直位移量較大或管系受為要求較苛刻的場合。通過采用

恒力彈簧支吊架，可以避免管道支撐點冷態和熱態的受力變化太大而導致管系本身的應力或

相連設備的受力超標。恒力彈簧的恒定度應小于或等于6%,以保證支吊點發生位移時，支

承力的變化很小。恒力彈簧支吊架一般采用描架型式，且根據受力情況可并聯使用。

如果認為剛性支吊架的剛度理論上為無窮大的話，那么恒力彈簧支吊架的剛度理論上則為

零，而可變彈簧支吊架的剛度介于二者之間，它等于彈簧產生單位變形所需要的力。

4.限位支吊架

以限制和約束因熱脹而引起的管系位移為目的支吊架稱為限位支吊架。管系受熱而發生熱脹

時，管系中的各點將發生位移。在管系中適當設置限位支吊架，可控制支撐點的位移或某些

方向的位移，使管系的變形或各點的位移朝著有利于保護敏感設備或有利于熱補償的方向進

行。根據對管系熱位移約束的方式不同，限位支吊架又可分為固定支架、導向支架和止推支

架三種。

1）固定支架

固定支架可限制管道支撐點三個方向的線位移和三個方向的

角位移，因此它常用于管道上不允許有任何位移的地方。固定支架一般同時又能起承重作用。

常用的固定支架型式有焊接型管托和螺拴固定管托兩種。

2）導向支架

導向支架可限制管道支撐點兩個方向的線位移，因此常用于引導管道位移方向、使管道能沿

軸向位移而不能橫向位移的情況。當用于水平情況時，導向支架又同時能起承重作用。常用

的導向支架型式有管托型導向支架、光管型導向支架、管卡型導向支架等型式。

3）止推支架

止推支架常代替固定支架用于限制管道的軸向位移。根據限位方式的不同，常用的止推支架

又分為“+X/+Z"和雙向止推支架和“+X/+Z”或"-X/-Z”單向止推支架兩種。常用的止推

支架為單向止推架，它可限制管道支撐點一個方向的線位移。

5.防振支架

專門用于控制管道振動的支吊架叫做防振支架。防振支架常用于控制或緩解往復式機泵迸出

口管道或由地震、風載荷、水擊、安全閥排出反力引起的管道振動場合。應該說，前面所講

的支吊架類型中，除吊架以外，其它支架都在某種程度上起到防振作用，但它們中要么防振

作用的效果不好，要么會帶來其它問題（如降低或限制了管系的熱補償能力），因此，工程上

對于防振情況則給出了專用支架。常用的防振支架主要有兩類，其一是防振管卡，其二是阻

尼器。

1）防振管卡

防振管卡能有效地控制管系的高頻率強迫振動。防振管卡與固定支架不同，它允許管道有一

定的軸向位移而使管系不會因熱脹而破壞。防振管卡與?般的剛性承重支架和導向支架不同

它對管道施加了較大的剛度約束（從型式和數量上實現），且增加了架對管道的阻尼作用從而

有效地阻滯了管系的振動。

2）阻尼器

阻尼器與減振支架的最大區別遮于它給予了管系較大的自由度，因而對連續強迫型高頻機械

振動的抑制效果較差，它常用于緩解瞬間激振（如主汽門突然關閉、泵突然停車、地震、水

錘等）引起的有阻尼自由振動。工程上應用的阻尼器有油壓式阻尼器、摩擦式阻尼器等。

6.目前工程上常用的彈簧支吊架主要有兩類：

即可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架，而且已形成標準系列。對應的國家標準為GB10181

《恒力彈簧支吊架》和GB10182《可變彈簧支吊架》。

1）可變彈簧支吊架的工作原理

可變彈簧支吊架的核心部件是個被控制的圓柱彈簧，當被支撐管道發生豎向位移時，會帶

動圓柱彈簧的控制板使彈簧壓縮或被拉長。

由虎克定律可知，此時彈簧壓縮或伸長所需要的力（也等于對管子的作用力）UJ■用下式表示：

F=k?8

式中

F——彈簧被壓縮或被拉長8量時所需要的力，N；

K彈簧剛度，N/mzm

5一一彈簧被壓縮或被拉伸的變形量，mm。

彈簧剛度是一個只與彈簧自身參數（如彈簧直徑、彈簧材料等）有關的物理量，一旦彈簧參數

一定，它是個常數（在其允許總變形量的30或70%范圍內是個常數）。因此，此時彈簧對管道

的作用力則與變形量成正比。工程上正是糊糊的這一性質來進行有垂直位移的管道支撐的。

對于標準彈簧支吊架來說，彈簧都是經過預壓縮然后裝入彈簧箱中的。因此，對于同樣一個

變形量6,此時壓縮彈簧所需耍的力F應按下式計算：

F=（8i+8）k=8ik+S?k=Fi+k8

式中

6?——彈簧預壓縮的變形量，mm

F,——彈簧預壓縮時的壓縮力，N；

F、8、k意義同前。

設F為彈簧支吊架的工作載荷，并用符號FG表示：設F1為彈簧支吊架的安裝荷載，并用

FA表示：設S為彈簧在由安裝載荷變為工作載荷時的變形量，并在彈簧被壓縮時取正號，

被拉伸時取負號。S在管道支撐中即為管道支撐點的豎直位移量，支撐點的豎直位移向上時

取正號，向下時取負號。可變彈簧支吊架的選型公式為：

FA=k6+氏

2）常用可變彈簧支吊架系列

國家標準GB1018s共給出了A、B、C、D、E、F、G七種標準型式，見圖所示。

A型一一上螺紋懸吊型；

B型一一單耳懸吊型；

C型一一雙耳懸吊型；

D型一一上調節擱置型；

E型一一下調節擱置型；

F型一一支撐擱置型；

G型一一并聯懸吊型。

7.可變彈簧支吊架的選用

工程匕一般按熱態吊零的載荷分配原則確定彈簧支吊架的受力。所謂熱態吊零，是指彈簧

支吊架在熱態時承受的力應等于冷態時由管系分配給它的力。按這樣的原則確定的彈簧支吊

架受力使得整個管系中各支撐點承受的自重力在熱態時比較均勻，但在熱態時管系中各點的

總載荷會因位移荷載的作用而不再均勻甚至會出現嚴重的不合理現象，為此，工程上有時也

采用冷態吊零的載荷分配原則。所謂冷態吊零是指彈簧支吊架在冷態時承受的載荷取冷態時

由管系分配給它的載荷?與熱態吊零相反，此時在熱態情況下管系各支撐點承受的自重載荷

已不在均勻，而總載荷（包括位移載荷）則是自然分配。

為防止可變彈簧支吊架引起管系在熱態或冷態時有較大的載荷轉移，工程上?？刂扑妮d荷

變化率不超過25%。根據這一限制條件，就可以確定彈簧支吊架的剛度k。在確定彈簧支吊

架的剛度時應遵守這樣一個原則：在彈簧支吊架能滿足管系熱態和冷態的承載要求而且載荷

變化率不超過規定值的情況下，應盡可能選用剛度最小（指最小規格和最小允許位移值）的彈

簧。按這樣的原則選取的彈簧支吊架，其安裝尺寸最小，價格最便宜，而且實際的載荷變化

率最小。

1）串聯可變彈簧支吊架的選用

當管系中某點的垂直位移量較大時，從標準彈簧支吊架表中可能已選不到合適的彈簧支吊

架，即要么找不到最大工作位移能滿足載荷要求的標準系列，要么因剛度較大而使載荷變化

率超出標準要求，此時可考慮采用串聯可變彈簧支吊架。彈簧串聯時，應選最大載荷相同的

彈簧，即彈簧的牌號相同，以保證每個彈簧的工作載荷和安裝載荷都落在允許范圍內，而此

時每個彈簧變形量則按其剛度的大小成反比分配。

2）并聯可變彈簧支吊架的選用

當管道支撐點的載荷超出標準可變彈簧支吊架的最大允許載荷時，或者受支撐條件（如豎管

支撐）、生根條件等限制不宜采用單個可變彈簧支吊架進行支撐時，可選用兩個或兩個以匕

的可變彈簧支吊架并聯支撐。可變彈簧支吊架并聯使用時，各彈簧應為同一型號，以避免各

彈簧支承力不同而導致管子的傾斜或偏轉。并聯時的各彈簧變形量相同，均等于管道在支撐

點的位移量。并聯后的彈簧支吊架總剛度等于各分彈簧支吊架的剛度之和，即n個彈簧支吊

架并聯時其總剛度為k=k,+k2+……+k”，而各分彈簧承受的載荷平均分配，并等于總載

荷的1/n。

3）可變彈簧支吊架的安裝要求

可變彈簧支吊架在安裝前務必要壓縮到要求的安裝定位刻度（與安裝載荷對應的刻度值），

并用定位銷進行定位。設置定位銷的另一個作用是使可變彈簧支吊架起暫時成為一個剛性支

架，可以防止諸如水壓試驗等非工作工況下因管道載荷臨時增加而引起的不利影響，對于大

直徑氣體管道更應考慮這個問題。管系在工作狀態下，有時也會出現非預期的載荷突然增加

現象，如減壓轉油線的“淹塔"現象。"淹塔"現象會造成管內液體的突然驟增，從而使其彈簧

支吊架承受的載荷也驟然增大，彈簧支吊架的變形量也將隨之增大，使管系出現較大的載荷

轉移，從而可能造成相鄰支架或設備接口處的超載破壞。對于可能出現上述現象的管系，工

程上常在彈簧支吊架的附近設置保險桿，以控制彈簧的最大變形量，即當彈簧支吊架的變形

量超過某一規定值時，保險桿將受力而成為剛性支撐?？勺儚椈芍У跫艿亩ㄎ讳N應在管系水

壓試驗之后、裝置開車升溫之前拆除。

8.恒力彈簧支吊架

當管系在支撐點的豎向位移較大而選用可變彈簧會引起較大的載荷轉移時，應考慮選用恒力

彈簧支吊架。所謂的豎向位移較大只是一個相對概念，關鍵要看若選用可變彈簧支吊架時是

否會引起較大的載荷轉移，而且較大的載荷轉移能否為管系自身強度和邊界條件所接受。如

果管系的柔性不好，剛度較大，那么既使在較小的位移值情況下，也會引起支撐點熱態和冷

態的載荷差值較大，此時為減少載荷變化率也宜采用恒力彈簧支吊架。嚴格說來，恒力彈簧

在其工作過程中對管道支撐點的力并不是恒定不變的，這是因為彈簧支架各運動部件之間存

在摩擦力，而且各部件的尺寸、彈簧的剛度等都可能存在制造偏差，這些因素都會導致恒力

彈簧在其工作行程范圍內對支撐點的力有少量的變化。一般情況下，標準恒力彈簧支吊架在

其全程位移過程中的最大和最小載荷偏差應控制在某個數值范圍內，而工程上常用恒定度這

一概念來評判恒力彈簧的載荷變化。所謂恒定度是指恒力彈簧在其全行程范圍內的最大、最

小載荷值之差與最大、最小載荷值之和的百分比，用式子表示即為：

D=[（Fmax-Fmin）/（Fmax+Fmin）]X100%

式中

D一—恒力彈簧的恒定度。一般情況下，D應不大于6%

Fmax——恒力彈簧在全行程范圍內出現的最大載荷值，N；

Fmin——恒力彈簧在全行程范圍內出現的最小載荷值，N。

1）恒力彈簧支吊架的工作原理

當恒力彈簧支吊架承受一個管道載荷磯時，F1將產生一個相對于0點的轉動力矩Ml。Ml將

拉動三連桿AOB向下轉動，同時三連桿會帶動B點向右移動，從而使彈簧受到壓縮，產生一

個彈簧力F2。F2相對于主軸0點也將產生一個轉動力矩M2。通過適當的結構和力的平衡設

計，可以使兩個力矩Ml和M2始終保持平衡，并通過適當的結構尺寸設計，在保持力矩平衡

的情況下，只不斷變換位置但大小不變，即實現對管道的恒力支撐。

2）恒力彈簧支吊架的選用

換句話說，吊架的承載能力與其結構設計有關。因此，支撐點的管道載荷是選擇恒力彈簧吊

架的參數之一。根據熱態吊零原則，一般取管道荷載為冷態情況下管系的分配載荷。另外，

受吊架中各運行部件的結構限制，吊點的位移是有限制的，甚至它不能按運行部件的最大運

行位置來確定吊點的位移范圍，因為運行部件到達極限位置時，會造成較大的承載偏差值。

因此，對于一個結構參數一定的恒力彈簧吊架，它允許的最大位移值也是確定的?；蛘哒f，

管道上時最大位移量也是確定恒力彈簧吊架的參數之一.有關的標準已將常用的恒力彈簧吊

架進行了系列化，并對它進行了編號，每個編號的吊架其允許的最大承載和最大位移己列表

給出，設計人員只要根據管道支撐點的載荷和位移查表即可確定所需要的恒力彈簧吊架規格

型號。

9.在管道中多設彈簧支吊架更安全嗎？

不一定更安全，因為彈簧支吊架的剛度遠低于剛性支吊架，所以過多設置彈簧支吊架會使管

系各點位移方向失去控制，管系穩定性較差，易產生偏斜和振動。

10.為什么要在高聳設備布置的豎直管道上設置導向架？如何設置？

答：為了約束由風裁、地震、溫度變化等引起的橫向位移。沿直立設備布置的立管應設置導

向支架。立管導向支架間的允許間距應符合下表規定：

管道公稱氣體管道/m液體管道/m

直徑mm光管隔熱光管隔熱

254.33.44.03.4

405.24.04.63.7

505.84.64.94.3

807.06.16.15.5

1007.97.06.76.1

1509.88.87.97.3

20011.310.18.88.2

25012.511.69.89.4

30013.712.810.410.1

35014.613.410.710.4

40015.514.311.311.0

45016.515.211.611.6

50017.416.212.512.2

60019.218.013.413.4

11.為什么在沿反應器布置的高溫豎直管道上，通常要設置彈簧支吊架？

答：沿反應器布置的高溫管道與反應器之間，或高溫管道與構架之間有較大的位移差，所以

通常要設彈簧支吊架來承受管道荷重。

12.管道在支架上滑動的軸向最大允許位移量不宜超過定型滑動管托長度的40%,以免管道

在熱脹時將管托滑落于支架梁的下面，而在冷縮時不能恢復原位造成管道或支架損壞。如在

補償值允許的范圍內，管道的位移量超過管托長度的40%時，可將管托長度適當加大.

13.支吊架的位置確定

從前面的介紹中可以看出，不同的支吊架型式對生根條件有不同的要求，而從保障管系的自

身強度、穩定性、防振以及對邊界條件的要求來說，總存在著在管系的某個地方支撐、并以

特定的支架型式支撐為最理想。上述的兩個條件有時是矛盾的，即最理想的支撐位置并不一

定具備支架生根條件，可用的生根條件并不一定滿足最理想的支架型式需要。要處理好這樣

的問題是比較難的，或者說要將它上升到理論上去論述是比較難的，有時工程經驗比理論更

適用。實際的空間管系也是多樣化的。

1)基本原則

(1)對于不同的管系，在確定其支吊架位置時都應遵守下列基本原則：管道支吊架的位置、

數量、型式等應能滿足管系靜應力分析的要求。這個要求包括管系自身的強度、穩定性、最

大位移以及對相連設備、生根設施的力學要求；

(2)管道支吊架的位置、數量、型式應能滿足管系動應力分析的要求。這個要求包括管系對

管道的機械振動、水擊、放空反沖擊、地震、風載等載荷作用下的力學要求；

(3)管道支吊架應具備相應的生根條件。當該條與上述兩條發生沖突肘，應考慮改變管系的

走向，最終使上兩條要求得到滿足；

(4)支吊架應盡可能利用已有的建構筑梁柱、平臺、設備本體、加熱爐鋼結構、地面等作為

生根點。對于有可能集中支撐的管道，應盡可能選擇適宜的地方和方式集中支撐；

(5)支吊架位置應不妨礙操作人員的通行、設備的檢修和管道的拆卸等；

(6)支吊架的位置尚應考慮經濟性原則。例如，對于管道比較集中的管廊，其跨距應視多數

管道的允許跨距而定，而不宜以少數較小直徑管道的允許跨距確定；

(7)支吊架的位置應盡可能整齊有序，使支撐效果美觀大方。

2)承重支吊架位置的確定

承重支吊架的位置除滿足上述的基本原則之外，尚應符合下列要求：

(1)支吊架位置應能滿足管道最大允許跨度的要求?？缇嘁笠姾竺嫠?；

(2)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；

(3)在敏感設備(泵、壓縮機)的附近，宜設置承重支架，以防止設備嘴子承受過大的管道荷

載；

(4)支吊架應設在彎管和大直徑三通式分支管附近；

(5)當塔器的水平管嘴直接安裝DN注150的閱門時，應在閥門附近設承重支架；

(6)沿立式容器、立式設備等敷設的豎直管道，應在盡可能靠近嘴子處的豎管上設承重支架;

(7)?般較長的豎直管道，應在靠近上面的端部設承重支架；

(8)當某些管道元件需要拆卸移走或相連設備需要拆卸移走時，應考慮相連管子的穩定性必

要時應設承重支架。

3)固定支架位置的確定

固定支架的位置除滿足上述的基本原則之外，尚應符合下列要求：

(1)對于復雜管系，可用固定支架將它劃分成幾個形狀較先簡單的管段，如L形管段、U形

管段、Z形管段等，以便分段遇行分析計算和柔性設計；

(2)確定管道固定支架位置時，應使其有利于兩固定點之間管段的自然補償；

(3)選用n形補償器時，宜將其設置在兩固定支架的中部不能位于兩固定支架的中部時，

n型補償器距固定支架的距離不宜小于兩支架間距的1/3；

(4)固定支架宜靠近需要限制分支管位移的地方；

(5)固定支架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；

(6)迸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支架；

(7)落地生根的調節閱組、蒸汽分配管、其它閥組和分配管等，應一端設固定支架，但此時

固定支架的位置不應阻礙管系的熱補償。

4)導向支架位置的確定

(1)豎直管道較長時，為了防止因風載荷等引起的管道大幅度振動或擺動，應在中間若干位

置設置導向支架，以增加其穩定性。

(2)管廊上管道直線距離較長而且中間無固定點和止推支架時，應在中間若干點設置導向支

架，以防止管道產生橫向不穩定：

(3)管道在拐彎處有較大位移并影響到鄰近管道或其它設施時，應在適當位置設置導向支

架；

(4)允許管道軸向位移而不允許橫向位移的位置應設置導向支架；

(5)水平設置的n型補償器兩側應設置導向支架，導向支架距補償器的中心位置應為

32DN~42DN；

(6)水平設置的自由型波紋管膨脹節兩端應設置若干導向支架，第一組導向支架距膨脹節中

心位置應不大于4DN,第二組導向支架距第一組應不大于14DN；

(7)導向支架的位置應不影響管道的自然補償。一般情況下，管道的彎頭、分支處不應設導

向支架。

5)限位支架位置的確定

限位支架的位置除滿足上述的基本原則之外，尚應符合下列要求：

(1)限位支架在某些場合可代替固定支架，如補償器的兩端，裝置邊界線的管道固定點等：

(2)在熱態情況下，當管系的熱脹方向朝向敏感設備嘴子時，可在適當的位置設置逆熱膨脹

方向的止推支架；

(3)剛度較大的管道對設備、設備基礎等產生較大推力時，可在適當的位置設止推支架。

1)防振支架位置的確定

防振支架的位置除滿足上述的基本原則之外，尚應符合下列要求：

(1)有機械振動的管道，應設防振管卡。防振管卡的數量及位置應滿足管系動應力分析的要

求；

(2)有地震設防要求的管道應在適當位置設置防振支架；

(3)可能發生水擊、兩相流等而且能引起管道的振動時，應在適當位置設置防振管卡；

(4)防振支架的生根部分應有足夠的剛度；

(5)防振支架應盡量沿地面設置；

(6)防振支架宜設獨立基礎，并避免生根在廠房的梁柱上。

14.摩擦系數

1)在管道柔性設計中，應考慮支架摩擦力的影響，摩擦系數應按下表選取。

摩擦類型接觸面摩擦系數日

滑動摩擦鋼對混凝土0.6

鋼對鋼0.3

聚四氟乙烯對不銹鋼0.1

滾動摩擦鋼對鋼0.1

2)重要關系進行應力分析時應考慮摩擦力對整個管系的受力分配。

3)對于轉動設備應盡可能采用吊架，以減少摩擦力對設備嘴子受力的干擾。

4)當采用吊桿或彈簧吊架承受管道荷載時，可不考慮摩擦力的影響。

15.例題

彈簧支吊架編號(彈簧號)的選定

當用計算機程序對管道進行應力分析時，某些程序有自動選擇彈簧支吊架的功能，人工計算

時，可根據彈簧所能承受的最大荷載和管道最大的垂直位移量選擇彈簧。管道的最大垂直位

移量，可按本章第四節介紹的方法計算，彈簧所承受的最大荷載由下述原則確定。

管道熱位移向上時：

安裝荷載=工作荷載+位移量X彈簧剛度

管道熱位移向下時.：

安裝荷載=工作荷載一位移繭X彈簧剛度

CD42135-89系列彈簧荷載選用見表15—2—42。使用此表時，把管道的基本荷載視為彈簧的

工作荷載，再根據位移方向及大小，在表中查出安裝荷載。查出安裝荷載后，再根據下式計

算荷載變化率，使其小于或等于25%：

荷載變化率=[(|PG-PA|)/PG]X100%W25%

式中PG---工作荷載；

PA一一安裝荷載。

例1：某根管道的工作荷載為7628N,運行時位移向上，位移量為10mm,根據管道安裝要

求，需采用A型吊架，試選擇吊架型號：

解：

(1)查表15-2-42,暫定該吊架位移范圍為VS30

(2)在表15-2-42的中線和上粗線之間查得工作荷載(基本荷載)為7628N的彈簧編號為13。

(3)以7623N對應的VS30刻度值向下10mm查得安裝荷載為9123N。

(4)驗算彈簧荷載變化率:

[(|7628-9123|)/7628]X100%=19.6%<25%

(5)選用吊架型號為VS30Al3。

當所選用的彈簧其荷載變化率〉25%時，應減小彈簧剛度，另選位移范圍大一級的彈簧。

例2：某管道工作荷載為17350N,運行時位移向上，位移量為12mm。根據管道安裝要求

需采用G型吊架，試選擇吊架型號：

解：

(1)查表15-2-42,暫定該吊架位移范圍為VS30；

(2)G型吊架每個吊架實際僅承受管道荷載的一半，即17350/2=8675N。

(3)在表15-2-42的中線和上.粗線之間查得工作荷載為8675N的彈簧編號為13。

(4)以8675N對應的VS30刻度值向下12mm查得安裝荷載為10469N。

(5)驗算彈簧荷載變化率：

[(18675-104691)/8675]X100%=20.6%〈25%

(6)選用吊架型號為VS30Gl3。

第五章應力分析

1.進行應力分析的目的是

1)使管道應力在規范的許用范圍內；

2)使設備管口載荷符合制造商的要求或公認的標準；

3)計算出作用在管道支吊架上的荷載；

4)解決管道動力學問題；

5)幫助配管優化設計。

2.管道應力分析主要包括哪些內容？各種分析的目的是什么？

答：管道應力分析分為靜力分析和動力分析。

1)靜力分析包括：

(1)壓力荷載和持續荷載作用下的一次應力計算一一防止塑性變形破壞；

(2)