服務熱線：雙螺栓管夾在電力、石化管系靜應力的分析方法
2018年10月08日
滄州五森管道有限公司
工程上實際出現(xiàn)的雙螺栓管夾在管系情況是 復雜的。從承受的載荷來講，管系承受的載荷種類是比較多的;從空間布置上來講，管系既可能具有簡單的平面走向，又可能具有復雜的空間走向;從邊界條件上來講，它既可能與剛度較大的設備相連，又可能與對外載荷比較敏感的機械相連;從約束條件上來講，它既可能受到剛性約束，又可能受到彈性約束，同時還會因設備的熱脹和不均勻下沉等給管系一個附加位移;從工作工況上來講，它既可能在常溫的試驗工況下工作，又可能在高溫或低溫的操作工況下工作。因此，雙螺栓管夾對管系的應力計算并不是一件容易的事。對某些簡單管系，可以利用材料力學理論，通過建立其靜力平衡方程、物理方程、幾何方程來求解它的力和應力。但對于復雜的靜不定管系，雙螺栓管夾僅僅利用材料力學的理論是無法求解的，此時 需要借助于結構力學的理論來求解，然后利用彈性力學或塑性力學的準則建立其強度判定條件。事實上，對于復雜的空間管系，目前眾多的應力計算都是以結構力學理論為基礎建立起來的。
雙螺栓管夾無論是采用材料力學理論還是結構力學理論，對于復雜的空間管系，都將面臨建立許多方程(包括靜力平衡方程、物理方程、幾何方程等)并對方程求解的問題。當這樣的方程數量太多時，用手工進行計算有時是不現(xiàn)實的，它可能需要花費數日、數月甚至幾年的時間才能得出結果。為此，管系靜力的求解方法則根據管系的復雜程度而派生出許多類型。這些方法大致可以分為以下三類：近似計算法、圖表法和矩陣解析法。
1、近似計算法
雙螺栓管夾主要是針對形狀和邊界條件比較簡單的管系，在進行了一些假設之后，給出來一個近似的簡單判斷式。這類計算方法的代表是ANSI簡單判斷式。除ANSI簡單判斷式之外，還有導向懸臂法、彈性中心法等一些近似計算法在設計中也時常用到。ANSI簡單判斷式目前已被列入許多相關規(guī)范(如ANSI B31.3和SHJ41標準)中。
2、圖表法
這類方法是通過其它方法對一些形狀比較簡單且比較固定的管系(如π形補償器)進行系列性的數據計算，并將計算結果列成圖表，雙螺栓管夾設計人員在設計過程中通過查找相應的圖表 可判斷管系的應力是否符合要求，或者根據圖表數據來確定管道的補償臂長。這類方法的代表有凱洛格法、Tube法和Turn法等。
3、矩陣解析法
這種方法是計算機管系應力計算的基礎。它是利用結構力學的理論來建立管道的力學方程，通過矩陣傳遞原理形成關聯(lián)方程組，并將方程組的求解轉化為矩陣的求解，然后利用彈性力學和塑性力學的準則建立強度判斷條件。雙螺栓管夾以矩陣解析法為基礎的應力分析程序已有很多， 我國常用的雙螺栓管夾在管道應力分析程序而言， 有SAP-5分析程序、等值剛度法分析程序、CAESARⅡ分析程序等。
SAP-5程序是我國從國外引進的 早應用的應力分析程序。它是一個大型的結構線彈性計算通用程序，可用于各種結構(包括結構 、加熱爐 的鋼結構等)的應力計算。其中的管道應力計算部分既可進行靜力計算，又可進行動力計算。但由于它不是管道應力分析的專用程序，雙螺栓管夾輸出的結果只有內力而沒有應力，輸入的方法也比較繁瑣，使用很不方便，故國內不少使用單位都增加了前端處理和后端處理。目前該計算程序已基本不再使用。
等值剛度法應力分析程序也是較早應用的管系應力計算程序。它是由電力系統(tǒng)開發(fā)的程序，可用于計算管道內壓、自重、熱膨脹、端點位移等荷載所產生的應力和各點的位移。但該程序的功能不太全，應用不如CAESARⅡ靈活，雙螺栓管夾計算精度也比較差，故目前也基本不再使用。
CAESARⅡ應力分析程序是目前應用 普遍的管道應力分析程序，它是由美國COADE公司開發(fā)編制的。該程序的功能比較全，可在微機上操作，因此雙螺栓管夾在石油化工管道設計中得到了 應用。該程序除可以進行管道的靜力分析和動力分析外，還可進行非埋地管道的抗震分析、管系中管道元件或接頭的局部應力分析、法蘭泄漏分析等。它也允許計入管系中管道元件的摩擦力，但由于摩擦力是非線性的，故有時會使計算時間較長，甚至算不出結果。
除了上面介紹的幾類常用管道應力計算方法外，目前還有一些其它方法在工程中也時有用到，如有限元計算法，而且新的其它應力計算方法也在不斷出現(xiàn)。這些方法呈現(xiàn)出朝著兩個相反方向發(fā)展的 點，其一是針對簡單管系的計算方法，新的方法朝著如何快速、便捷地判斷管系的強度是否 的方向發(fā)展，雙螺栓管夾以節(jié)省管系強度判斷的人力和物力;其二是針對雙螺栓管夾在復雜管系的計算方法，新的方法則朝著功能 強大、計算機操作 快捷方便的方向發(fā)展，而且程序中存入大量的常用數據可隨時調用，以減少輸入的工作量。
在工程設計中，究竟采用何種應力分析方法應視管系的空間形狀、管道的操作條件(高溫、高壓、大口徑等)、與管系相連的設備(是否屬敏感設備)等進行選擇。對操作條件緩和、相連設備對管系的附加力不敏感、管系空間形狀簡單且符合簡單判斷式或圖表法分析條件的管系，不一定非要采用計算機進行詳細計算和分析，以降低設計成本。
一般情況下，下列雙螺栓管夾在管道所形成的管系應采用計算機分析程序進行詳細的應力分析：
a、進出加熱爐及蒸汽發(fā)生器的高溫管道;
b、進出汽輪機的蒸汽管道;
c、進出離心壓縮機、透平、鼓風機的工藝管道;
d、進出離心分離機的工藝管道;
e、進出高溫反應器的工藝管道、雙螺栓管夾;
f、溫度超過400℃的管道;
g、利用圖表或其他簡化法初步分析后，表明需要進一步詳細分析的管道;
h、與有受力要求的其他設備相連的管道。
對此，某些資料上給出了 具可操作性的規(guī)定，在此一并介紹給讀者，供參考。下面是某些雙螺栓管夾資料給出的應采用計算機分析程序進行詳細應力分析的管道條件：
a、操作溫度大于等于400℃的所有規(guī)格的管道;
b、DN80，操作溫度大于等于300℃或低于等于-20℃的管道;
c、DN150，操作溫度大于等于200℃的管道;
d、DN650的大口徑管道;
e、DN300的真空管道;
f、與敏感設備(如泵、壓縮機、蒸汽透平等)相連的工藝管道和蒸汽管道;
g、用簡單計算法判斷補償不夠或者用圖表法無法查到管道;
h、有雙螺栓管夾的管道;
i、有波紋膨脹節(jié)的管道、雙螺栓管夾;
j、有冷緊的管道。
除此之外，對下列雙螺栓管夾在管道應根據具體情況確定是否需要用計算機進行詳細應力分析：
a、貴重金屬管道(如合金鋼、不銹鋼、 殊耐熱鋼、超低溫用鋼管道等);
b、開仃工頻繁的管道;
c、直管部分較長、熱脹冷縮量較大的管道;
d、相連機械或設備的管口有較大位移的管道;
e、剛度較大的厚壁管道;
f、劇毒介質管道。
雙螺栓管夾對于與運行良好的管道形狀、條件等相同或基本相同的管道，或者與經過詳細應力分析并且合格的管道形狀、條件相同或基本相當的管道，可以不再進行詳細應力分析。
有關雙螺栓管夾在管系靜應力的分析方法在一些專著和手冊中已經有了不少的介紹，本書僅介紹兩種工程上常用的方法，即ANSI簡單判斷法和CAESARⅡ計算機詳細分析法兩種。
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