双螺栓管夹在电力、石化管系静应力的分析方法

2018年10月08日沧州五森管道有限公司

　　工程上实际出现的双螺栓管夹在管系情况是复杂的。从承受的载荷来讲，管系承受的载荷种类是比较多的;从空间布置上来讲，管系既可能具有简单的平面走向，又可能具有复杂的空间走向;从边界条件上来讲，它既可能与刚度较大的设备相连，又可能与对外载荷比较敏感的机械相连;从约束条件上来讲，它既可能受到刚性约束，又可能受到弹性约束，同时还会因设备的热胀和不均匀下沉等给管系一个附加位移;从工作工况上来讲，它既可能在常温的试验工况下工作，又可能在高温或低温的操作工况下工作。因此，双螺栓管夹对管系的应力计算并不是一件容易的事。对某些简单管系，可以利用材料力学理论，通过建立其静力平衡方程、物理方程、几何方程来求解它的力和应力。但对于复杂的静不定管系，双螺栓管夹仅仅利用材料力学的理论是无法求解的，此时需要借助于结构力学的理论来求解，然后利用弹性力学或塑性力学的准则建立其强度判定条件。事实上，对于复杂的空间管系，目前众多的应力计算都是以结构力学理论为基础建立起来的。

　　双螺栓管夹无论是采用材料力学理论还是结构力学理论，对于复杂的空间管系，都将面临建立许多方程(包括静力平衡方程、物理方程、几何方程等)并对方程求解的问题。当这样的方程数量太多时，用手工进行计算有时是不现实的，它可能需要花费数日、数月甚至几年的时间才能得出结果。为此，管系静力的求解方法则根据管系的复杂程度而派生出许多类型。这些方法大致可以分为以下三类：近似计算法、图表法和矩阵解析法。

　　1、近似计算法

　　双螺栓管夹主要是针对形状和边界条件比较简单的管系，在进行了一些假设之后，给出来一个近似的简单判断式。这类计算方法的代表是ANSI简单判断式。除ANSI简单判断式之外，还有导向悬臂法、弹性中心法等一些近似计算法在设计中也时常用到。ANSI简单判断式目前已被列入许多相关规范(如ANSI B31.3和SHJ41标准)中。

　　2、图表法

　　这类方法是通过其它方法对一些形状比较简单且比较固定的管系(如π形补偿器)进行系列性的数据计算，并将计算结果列成图表，双螺栓管夹设计人员在设计过程中通过查找相应的图表可判断管系的应力是否符合要求，或者根据图表数据来确定管道的补偿臂长。这类方法的代表有凯洛格法、Tube法和Turn法等。

　　3、矩阵解析法

　　这种方法是计算机管系应力计算的基础。它是利用结构力学的理论来建立管道的力学方程，通过矩阵传递原理形成关联方程组，并将方程组的求解转化为矩阵的求解，然后利用弹性力学和塑性力学的准则建立强度判断条件。双螺栓管夹以矩阵解析法为基础的应力分析程序已有很多，我国常用的双螺栓管夹在管道应力分析程序而言，有SAP-5分析程序、等值刚度法分析程序、CAESARⅡ分析程序等。

　　SAP-5程序是我国从国外引进的早应用的应力分析程序。它是一个大型的结构线弹性计算通用程序，可用于各种结构(包括结构、加热炉的钢结构等)的应力计算。其中的管道应力计算部分既可进行静力计算，又可进行动力计算。但由于它不是管道应力分析的专用程序，双螺栓管夹输出的结果只有内力而没有应力，输入的方法也比较繁琐，使用很不方便，故国内不少使用单位都增加了前端处理和后端处理。目前该计算程序已基本不再使用。

　　等值刚度法应力分析程序也是较早应用的管系应力计算程序。它是由电力系统开发的程序，可用于计算管道内压、自重、热膨胀、端点位移等荷载所产生的应力和各点的位移。但该程序的功能不太全，应用不如CAESARⅡ灵活，双螺栓管夹计算精度也比较差，故目前也基本不再使用。

　　CAESARⅡ应力分析程序是目前应用普遍的管道应力分析程序，它是由美国COADE公司开发编制的。该程序的功能比较全，可在微机上操作，因此双螺栓管夹在石油化工管道设计中得到了应用。该程序除可以进行管道的静力分析和动力分析外，还可进行非埋地管道的抗震分析、管系中管道元件或接头的局部应力分析、法兰泄漏分析等。它也允许计入管系中管道元件的摩擦力，但由于摩擦力是非线性的，故有时会使计算时间较长，甚至算不出结果。

　　除了上面介绍的几类常用管道应力计算方法外，目前还有一些其它方法在工程中也时有用到，如有限元计算法，而且新的其它应力计算方法也在不断出现。这些方法呈现出朝着两个相反方向发展的点，其一是针对简单管系的计算方法，新的方法朝着如何快速、便捷地判断管系的强度是否的方向发展，双螺栓管夹以节省管系强度判断的人力和物力;其二是针对双螺栓管夹在复杂管系的计算方法，新的方法则朝着功能强大、计算机操作快捷方便的方向发展，而且程序中存入大量的常用数据可随时调用，以减少输入的工作量。

　　在工程设计中，究竟采用何种应力分析方法应视管系的空间形状、管道的操作条件(高温、高压、大口径等)、与管系相连的设备(是否属敏感设备)等进行选择。对操作条件缓和、相连设备对管系的附加力不敏感、管系空间形状简单且符合简单判断式或图表法分析条件的管系，不一定非要采用计算机进行详细计算和分析，以降低设计成本。

　　一般情况下，下列双螺栓管夹在管道所形成的管系应采用计算机分析程序进行详细的应力分析：

　　a、进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道;

　　b、进出汽轮机的蒸汽管道;

　　c、进出离心压缩机、透平、鼓风机的工艺管道;

　　d、进出离心分离机的工艺管道;

　　e、进出高温反应器的工艺管道、双螺栓管夹;

　　f、温度超过400℃的管道;

　　g、利用图表或其他简化法初步分析后，表明需要进一步详细分析的管道;

　　h、与有受力要求的其他设备相连的管道。

　　对此，某些资料上给出了具可操作性的规定，在此一并介绍给读者，供参考。下面是某些双螺栓管夹资料给出的应采用计算机分析程序进行详细应力分析的管道条件：

　　a、操作温度大于等于400℃的所有规格的管道;

　　b、DN80，操作温度大于等于300℃或低于等于-20℃的管道;

　　c、DN150，操作温度大于等于200℃的管道;

　　d、DN650的大口径管道;

　　e、DN300的真空管道;

　　f、与敏感设备(如泵、压缩机、蒸汽透平等)相连的工艺管道和蒸汽管道;

　　g、用简单计算法判断补偿不够或者用图表法无法查到管道;

　　h、有双螺栓管夹的管道;

　　i、有波纹膨胀节的管道、双螺栓管夹;

　　j、有冷紧的管道。

　　除此之外，对下列双螺栓管夹在管道应根据具体情况确定是否需要用计算机进行详细应力分析：

　　a、贵重金属管道(如合金钢、不锈钢、殊耐热钢、超低温用钢管道等);

　　b、开仃工频繁的管道;

c、直管部分较长、热胀冷缩量较大的管道;

　　d、相连机械或设备的管口有较大位移的管道;

　　e、刚度较大的厚壁管道;

　　f、剧毒介质管道。

　　双螺栓管夹对于与运行良好的管道形状、条件等相同或基本相同的管道，或者与经过详细应力分析并且合格的管道形状、条件相同或基本相当的管道，可以不再进行详细应力分析。

　　有关双螺栓管夹在管系静应力的分析方法在一些专著和手册中已经有了不少的介绍，本书仅介绍两种工程上常用的方法，即ANSI简单判断法和CAESARⅡ计算机详细分析法两种。

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