管道应力
第一节 管道应力分析基础知识
1、 管道应力分析常用规范、标准有哪些？
答：管道应力分析常用规范、标准有：
1、GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》；
2、SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》；
3、SH/T 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》；
4、SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》；
5、SH/T 3073-2004《石油化工管道支吊架》；
6、JB/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》；
7、JB/T 8130.2-1999《可变弹簧支吊架》；
8、GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》；
9、GB 50251-2003《输气管道工程设计规范》；
10、GB 50253-2003《输油管道工程设计规范》；
11、DL/T 5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规范》；
12、DGJ 6-90《火力发电厂汽水管道应力计算技术规范》；
13、HG/T 20654-1998《化工装置管道机械设计规范》；
2、管道应力分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？
答：管道应力分析分为静力分析和动力分析。
静力分析包括：
1、 压力、重力等荷载作用下的管道一次应力计算——防止塑性变形破坏；
2、 热胀冷缩以及端点附加位移等荷载作用下的管道二次应力计算——防止疲劳破坏；
3、 管道对机器、设备作用力的计算——防止作用力过大，保证机器、设备正常运行；
4、 管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据；
5、 管道上法兰的受力计算——防止法兰泄漏；
6、 管系位移计算——防止管道碰撞和支吊点位移过大。
动力分析包括：
1、 往复压缩机（泵）管道气（液）柱固有频率分析——防止气（液）柱共振；
2、 往复压缩机（泵）管道压力脉动分析——控制压力脉动值；
3、 管道固有频率分析——防止管道系统共振；
4、 管道强迫振动响应分析——控制管道振动和应力过大；
5、 冲击荷载作用下管道应力分析——防止管道振动和应力过大；
6、 管道地震分析——防止管道地震应力过大。
3、 管道上可能承受的荷载有哪些？
答：管道上可能承受的荷载有：
1、 重力荷载，包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等；
2、 压力荷载，包括内压力和外压力；
3、 位移荷载，包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；
4、 风荷载；
5、 地震荷载；
6、 瞬变流冲击荷载，如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击；
7、 两相流脉动荷载；
8、 压力脉动荷载，如往复压缩机往复运动所在地产生的压力脉动；
9、 机械振动荷载，如回转设备的简谐振动。
4、 管道设计中常见的振动有哪些？
答：在管道设计中常见的振动有：
1、 往复式压缩机及往复泵进出口管道的振动；
2、 两相流管道的振动；
3、 水锤、气锤；
4、 安全阀排气系统产生的振动；
5、 风荷载、地震荷载引起的振动。
5、工程项目管道应力分析技术统一规定一般应包括哪些内容？
答：工程项目的管道应力分析技术统一规定包括以下内容：
1、 技术统一规定的适用范围；
2、 项目执行中使用的标准规范及版本；
3、 温度、压力等计算条件的确定方法；
4、 分析中需要考虑的荷载及计算方法；
5、 管道应力分析所使用的软件；
6、 项目中需要进行详细应力分析的管道类别；
7、 管道应力的安全评定条件；
8、 机器、设备的允许受力条件或遵循的标准；
9、 防止法兰泄漏的条件；
10、 膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求；
11、 专门问题（如摩擦力、冷紧等）的处理方法；
12、 业主的特殊要求；
13、 不同专业之间的接口关系；
14、 其他要求。
6、配管专业向管道应力专业提交的应力分析资料应包括哪些内容？
答：配管专业应向管道应力专业提交应力分析轴测图，并应包括以下内容：
1、 管号、管道材料等级、管道类别、管道材质；
2、 管道走向、尺寸、标高、管内介质及流向；
3、 管径、壁厚、弯头的曲率半径；
4、 可以设置支吊架的位置及支吊架型式；
5、 阀门、法兰等刚性元件的重量、保温层的厚度和密度、以及其他集中或均布荷载条件；
6、 管道计算温度、计算压力和管内介质密度；
7、 正常操作条件外的特殊工况，如开车、停车、除焦、再生等工况；
8、 机器制造商的允许受力要求；
9、 往复机泵的激振频率；
10、 管道端点约束条件或附加位移、管道所连接的设备。
7、什么叫节点？管系中哪些位置需要编制节点？
答：管道应力分析轴测图上感兴趣的点称为节点。在应力分析计算过程中必须通过这些点给计算软件提供信息和获得信息。
通常管系中下列各处应编制节点：
1、 管道端点；
2、 管道约束点、支吊点和给定位移处；
3、 管道方向改变点或分支点；
4、 管径、壁厚改变点；
5、 保温厚度、保温材料改变点；
6、 管道计算温度、计算压力改变点；
7、 管道外力荷载改变处；
8、 管道材料改变处（包括刚度改变处，例如刚性元件、膨胀节）；
9、 需要了解分析结果处（例如跨距较长时的跨中点处）；
10、 析须增设节点。
8、管道应力分析计算书应包括哪些内容？管道应力分析结果怎样才能满足要求？
答：管道应力分析计算书一般包括以下内容：
1、 主要输入数据；
2、 管道一次应力的校核结果；
3、 管道二次应力的校核结果；
4、 管道端点和各约束点、与机器设备的连接点、固定点、支吊点、限位点和导向点以及
位移给定点处的安装状态和操作状态的受力；
5、 各节点处安装状态和操作状态的位移和转角；
6、 弹簧支吊架和膨胀节的型号等有关信息；
7、 离心压缩机、汽轮机、离心泵等转动机器的受力校核结果；
8、 往复压缩机、往复泵管系的固有频率；
9、 经分析计算最终得到的管道轴测图，包括支吊架的位置及型式、膨胀节位置等信息。
管道应力分析结果应能满足以下要求：
1、 管道上各点的一次应力值应满足标准规范的要求；
2、 管道上各点的二次应力值应满足标准规范的要求；
3、 管道对机器、设备管口的推力和力矩应在允许的范围之内；
4、 管道对支吊架和土建结构的作用力应在允许的范围之内；
5、 往复机泵管道的固有频率应避开共振区；
6、 管道的位移量应能满足管道布置的要求；
7、 输油、输气管道的刚度和稳定性应满足标准规范的要求。
9、何谓一次应力，何谓二次应力？分别由哪些载荷产生？这两种应力有何特点？
答：一次应力是由于压力、重力与其他外力荷载的作用所产生的应力。它是平衡外力荷载所需的应力，随外力荷载的增加而增加。一次应力的特点是没有局限性，即当管道内的塑性区扩大展达到极限状态，使之变成几何可变的机构时，即使外力荷载不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏。
二次应力是由于管道变形受到约束而产生的应力，它由管道热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用而引起。它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所需的应力。二次应力的特点是具有局限性，即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或者说自身变形连接要求得到满足，从而变形不再继续增大。二次应图片引起的是疲劳破坏。在管道中，二次应力一般由热胀、冷缩和端点位移引起。
10、《工业金属管道设计规范》GB 50316中对一次应力和二次应力的校核条件做了哪些规定？ 答：《工业金属管道设计规范》GB 50316-2000中对一次应力和二次应力的校核条件做了以下规定：
（1）持续荷载作用下一次应力的校核条件；
1、 管道组成件的厚度及补强计算满足要求时，则由于内压所产生的应力认为是安全的；
2、 管道组成件的厚度及稳定性满足要求时，则由于外压所产生的应力应认为是安全的；
3、重力和其他持续荷载所产生的纵向应力之和ζL，不应起过材料在预计最高温度下的许用应力[ζ]h，即
ζL≤[ζ]h
（2）偶然荷载与持续荷载共同作用下一次应力的校核条件：
1、管道在工作状态下，受到内压、自重、其他持续荷载和偶然荷载所产生的纵向应力之和，
应符合下式规定，且式中应力增大系数i的0.75倍的值不得小于1。
2 PDi M M
D0-Di +0.75Ί W +0.75Ί W ≤KT[ζ]h
式中KT--------- 许用应力系数,当连接运行任何24小时内,偶然荷载作用时间少于10%时,
KT=1.15;偶然荷载作用时间少于1%时, KT=1.2;
．MA------- 由于重力和其他持续荷载的作用,在管道横载面上产生的合成国矩,Nｍｍ；
MB------- 安全阀或释放阀的排泄反作用力\管道内流量和压力的瞬时变化\风力或地震
．等产生的偶然荷载作用于管道横截面上的合成力矩, Nｍｍ；
W-------- 管道抗弯截面模量,mm3;
Ί---------应力增大系数;
P--------- 设计压力,MPa；
Di---------管道或管件的内径，mm；
DO------- 管道或管件的外径，mm。
对于非剧毒类流体的钢制管道，由于风或地震引起的纵向应力之和超过上式的规定时，KT可提高至1.33。
2、 要考虑风和地震荷载同时发生。
（3）二次应力的校核条件：
计算的最大位移应力范围ζE不应超过许用位移应力范围[ζ]A，[ζ]A由下式计算：
[ζ]A= ƒ（1.25[ζ]C+0.25[ζ]h）
若[ζ]h大于[ζ]L,其差值可以加到上式中的0.25[ζ]h项上,则许用位移应力范围为:
[ζ]A= ƒ[（1.25[ζ]C+[ζ]h）-ζL]
式中[ζ]C----- 在分析中的位移循环内,金属材料在冷态(预计最低温度)下的许用应力,
MP a；
[ζ]h------ 在分析中的位移循环内，金属材料在热态（预计最高温度）下的许用应力，
MP a；
ζL------- 管道中由于压力、重力和其他持续荷载所在地产生的纵向应力这和，MP a；
[ζ]A------- 许用的位移应力范围，MP a；
ƒ--------- 管道位移应力范围减小系数，ƒ值可由表7.1.10确定。
11、《输油管道工程设计规范》GB 50253中对管道强度校核做了哪些规定？
答：《输油管道工程设计规范》GB 50253-2003中对管道强度核，做了以下规定：
（1）埋地输油管道的直管和轴向变形受限制的地上管段的轴向应力应按下式计算：
ζa=Ea（t1-t2）+μζh
ζh= Pd
2δ
式中ζa----- 由于内压和温度变化产品税生的轴向应力，负值为轴向压应力，正值为轴向拉应
力，MP a
5 E--------- 钢材的弹性模量，可取2.05×10(MP a);
-5 α----- 钢材的线膨胀系数,可取1.2×10m/(m.℃);
t1------ 管道安装闭合时的大气温度,℃;
t2------ 管道内被输送介质的温度, ℃;
μ------ 泊板比,宜取0.3;
ζh-----由于压产生的环向应力, MP a;
P----------管道的设计内压力, MP a;
d----------管道的内直径,m;
δ------管道的公称壁厚,m.
(2)埋地管道的弹性敷设管段和轴向受约束的地上架空管道,在轴向应力中均应计入轴向弯曲
产生的应力.
(3)按内压计算的环向应力应小于或等于许用应力[ζ].
(4)对于受约束的管道应按最大剪应力破坏计算当量应力,当ζa为压应力(负值)时,应满足下
述条件:
ζe=ζh-ζa≤0.9ζS 式中ζe------当量应力, MP a;
ζS------钢管的最低屈服强度, MP a.
(5)对于轴向不受约束的地面管道和埋地管道出土端未设固定墩的管段,热胀当量应力应按下式
计算,其取值不应大于钢管的许用应力[ζ].
22 ζtb+4η ≤[ζ]
ζb ίi Mi)+( ίo MO)/Z
η= 式中ζt-------最大运行温差下热胀当量应力, MP a; ζb-------最大运行温差下热胀合成弯曲应力, MP a;
Mi------------构件平面内的弯曲力矩,MN•M；
ίi---------------构件平面内弯曲时的应力增大系数;
MO---------构件平面外的弯曲力矩,MN•M；
ίo-----------构件平面外弯曲进的应力增大系数;
η----------扭转应力, MP a;
Mt--------------扭矩, MN•M；
Z------------------钢管抗弯截面模量,m3.
(6)计算地面管道的热应力时,管道的全补偿值应包括热伸长值、管道端点的附加位移及有效预拉伸。
预拉伸有效系数取0.5。
12、《输油管道工程设计规范》GB 50253中对管道的刚度和稳定做了哪些规定？应按照哪些荷载组合进行设计？
答：《输油管道工程设计规范》GB 50253-2003中对管道的刚度和稳定做了以下规定：
1、 道的刚度应满足运输、施工和运行时的要求，钢管的外径与壁厚的比值应不大于140。
2、 对穿越公路的无套管段、穿越用的套管及埋深较大管段，均应按无内压状态验算在外力作
用下管子的变形，其水平直径方向的变形量不得大于管子外径的3%。
3、 对加热输送的埋地管道，应验算其轴向稳定，并应符合下列要求：
N≤ Ncr
n
N=[E（t2-t1）+（0.5-μ）ζh]A
式中N--------由温差和内压产生的轴向压缩力,MN. 如果N为正值,表示N为轴向压缩力,需验算轴向稳定问题;如果N为负值,表示N为轴向拉力,不必验算轴向稳定问题;
n--------安全系数,对于公称直径大于500mn的钢管宜取1.33;公称直径小于或等于500mn的钢管宜取1.11;
Ncr--------------管道开始失稳时的临界轴向力,MN;
2A---------钢管横截面积,m.
输油管道、管道附件和支承件，应根据敷设形式、所处环境和运行条件，按可能同时出现的永久何载、可变荷载和偶然荷载的组合进行设计。
13.根据《输气管道工程设计规范》GB 50251，管道强度计算应符合哪些原则？对管道强度校核做了哪些规定？
答：根据《输气管道工程设计规范》GB 50251-2003，管道强度计算应符合下列原则：
1、埋地管道强度设计应根据管段所处地区等级以及所在地承受可变荷载和永久荷载而定。 当管道通过地震峰值加速度等于或大于0.1g的地区时,应按国家现行标准《输油（气）埋地钢制管道抗震设计规范》SY/T0450对管道在地震作用下的强度进行校核。
2、埋地直管段的轴向应力与环向应力组合的当量应力，应小于管子的最小屈服强度的90%。管道附件的设计强度不应小于相连直管段的设计强度。
3、输气管道采用的钢管符合第3章第3.3.1条规定时,焊缝系数值取1.0。对管道强度校核做了以下规定：
（1）受约束的埋地直管段轴向应力计算和当量应力校核按以下方法进行：
1）由内压和温度引起的轴向应力应按下式计算：
ζt=μζt+Ea(t1-t2)
ζh= Pd
2δn
式中ζt--------管道轴向应力,拉应力为正,压应力为负, MP a;
μ--------泊板比,取0.3;
ζh-------由内压产生的管道环向应力, MP a;
P--------管道的设计内压力, MP a;
d--------管子内直径, cm；
δn------管子公称壁厚,cm；
E-------钢材的弹性模量，MP a;
-1 a------钢材的线膨胀系数，℃；
t1-----管道下沟回填时的温度，℃
t2------管道的工作温度，℃。
2）受约束热胀直管段，按最大剪应力强度理论计算当量应力，并应符合下列表达式的要求： ζe =ζh-ζL
式中ζe-----当量应力, MP a;
ζs-----管子的最低屈服强度, MP a;
(2)受内压和温差共同作用下的弯头组合应力计算与校核按以下方法进行:当弯头所受的内压环向应力ζh小于许用应力[ζ]时,组合应力ζs应按下列公式计算:
ζs=ζh+ζh max
ζh= Pd n [ζ]=FΦtζ s
22/3ζ hmax=βqζo βq=1.8[1-(R)](1)
λ=Rζb
2r
ζo=Mr
Ib
式中 ζe------由内压比温差作用下的弯头组合应力, MP a;
ζh------由内压产生的环向应力, MP a;
ζb------材料的强度极限, MP a;
P-------设计内压力, MP a;
d-------弯头内径,m;
δb-----弯头壁厚, m;
[ζ]----材料的许用应力, MP a;
F-------强度设计系数;
Φ------焊缝系数;
t-------温度折减系数,温度小于120℃时, t取1.0;
ζs-----材料的屈服极限, MP a;
ζh max-----由热胀弯矩产生的最大环向应力, MP a;
βq-------环向应力增大系数;
r-------------弯头曲率半径,m;
R------------弯头曲率半径,m;
λ-------弯头参数;
ζo-------热胀弯矩产生的环向应力, MP a;
4 Ib--------弯头截面惯性矩,m;
M---------弯头的热胀弯矩, MN•M。
（3）管道附件由热胀引起的综合应力计算与校核按以下方法进行：
当输气管道系统中直管段没有轴向约束（如固定支墩或其他锚固件）时，由不得于热膨胀作用，使管道附件产生弯曲和扭转，其产生的组合应力（不考虑流体内压作用）应符合下列公式的要求。
ζe≤0.72ζs
ζeζmp=ίMb W 2mp+4ζ2ts ζts=Mt 2W
式中ζe-------组合应力，MP a;
ζs------钢管的最低屈服强度，MP a;
ζmp-----弯曲合应力，MP a;
ζts-----扭转应力，MP a;
Mb----------总弯曲力矩，N•m；
Mt-----------扭矩，N•m；
Ί-------------管件弯曲应力增大系数；
W-----------管道抗弯截面模量，cm3。
当管件不能满足ζe≤0.72ζs时，应加大壁厚。
14《输气管道工程设计规范》GB 50251中对管道的稳定做了哪些规定？
答：输气管道径向稳定校核应符合下列表达式的要求，当管道埋没较深或外载荷较大时，应按无内压状态校核其稳定性：
△x≤0.03D
△x= ZKWDm 2
式中 △x-----钢管水平最大变形量,m; sm W=W1+W2 3I=δn/12
Dm---------钢管平均直径, m;
W----------作用在单位管长上的总竖向荷载,N/m;
W1----------单位管长上的竖向永久荷载, N/m;
W2-----------地面可变荷载传递到管道上的荷载, N/m;
Z-------------管道变形滞后系数,宜取1.5;
K------------基床系数;
E-------------钢材弹性模量, N/m2;
I-------------单位管长截面惯性矩,m4/m;
δn------钢管壁厚，m；
Es-------土壤变形模量，N/m2;
15 什么是弹性变形？什么是塑性变形？
答：构件或物体在外力作用下产生变形，当外力除去后能够完全恢复其原有形状，不遗留外力作用过的任何痕迹，这种变形称为弹性变形。
构件或物体在外力作用下产生变形，当外力除去后，构件或物体的形状不能复原，即遗留了外力作用下的残余变形，这种变形称为塑性变形。
16 什么是蠕变，什么是应力松弛？二者有何异同？
答：蠕变和应力松弛是金属材料在高温下的机械性能。
蠕变是指金属在高温和应力同时作用下，应力保持不变，其非弹性变形随时间的延长而缓慢增加的现象。高温、应力和时间是蠕变发生的三要素。应力越大、温度越高，且在高温下停留时间越长，则蠕变越甚。
应力松弛是指高温下工作的金属构件，在总变形量不变的条件下，其弹性变形随时间的
延长不断转变成非弹性变形，从而引起金属中应力逐步下降并趋于一个稳定值的现象。
蠕变和应力松弛两种现象的实质是相同的，都是高温下随时间发生的非弹性变形的积累过程。所不同的是应力松弛是在总变形量一定的特定条件下一部分弹性变形转化为非弹性变形；而蠕变则是在恒定应力长期作用下直接产生非弹性变形。
17、什么是疲劳破坏？疲劳破坏一般发生在什么地方？
答：疲劳破坏是指，是循环荷载的作用下，发生在构件某点处局部的、永久性的损伤积累过程，经过足够多的循环后，损伤积累可使材料产生裂纹，或使裂纹进一步扩展至完全断裂。疲劳损伤一般发生在应力集中处，例如管道的支管理连接处。
18、 什么是高周疲劳？什么是低周疲劳？压力管道设计中主要防止的是什么疲劳破坏？ 答：高周疲劳是指在荷载循环过程中材料中的应力始终保持在弹性范围内，达到破坏时循环次数较高，转动机器的疲劳属于此类。
低周疲劳是指荷载循环过程中应力应变变化幅度较大，材料中反复出现正反两个方向的塑性变形，材料在循环次数较低的情况下便发生破坏。
在压力管道中发生的疲劳破坏，除往复机泵管道的振动外，主要是温度变化时管道的膨胀或收缩受到约束而产生的疲劳破坏。由于压力管道在其使用寿命内，荷载的循环次数通常均不很高，但却可能存在较大变形，使高应力部位达到屈服，所以要防止的主要是低周疲劳破坏。
19什么是薄壁假设？内压作用下薄壁管道中的应力如何计算？
答：一般认为当管道外径与内径之比不大于1.2时，可以采用薄壁假设。除高压管道外，一般工业管道的分析计算采用了薄壁假设。
薄壁假设认为：
（1） 由于壁厚很薄，应力沿壁厚均匀分布。
（2） 对薄壁圆筒，径向应力与环向应力和纵向应力相比很小，可以忽略不计，即
认为径向应力等于0。
根据薄壁假设，内压作用下管道的纵向应力ζt和环向应力ζØ可按下列二式计算：
ζt= PD
4SO
ζØ= PD
2SO
式中P------管道内压力，MP a;
D---------管道平均直径，等于（DO+Di）/2，mm；
SO--------管道壁厚，mm。
20 线弹性体的应力与应变服从什么关系？
答：线弹性体的应力与应变服广义虎克定律，存在热应变的情况下，其具体表达式如下：
1
εX= E [ζX- u(ζy+ζZ)]+a△T
1
εy= E [ζy- u(ζz+ζX)]+a△T
1
εZ= E [ζZ- u(ζX+ζy)]+a△T
γXy= ηXy
G
γyZ= ηyZ
G
γZX= ηZX
G
式中εX εy εZ-------分别为X，Y，Z三个方向的线应变；
ζX ζy ζZ-------分别为X，Y，Z三个方向的正应力，MP a;
γXy γyZ γZX--------分别为XY YZ ZX三个平面内的剪应变；
ηXy ηyZ ηZX------------分别为XY YZ ZX三个平面内的剪应力 MP a;
E--------材料的弹性模量，MP a;
u--------材料的泊松比，它表示材料受单向拉伸时横向应变与轴向应变之比，
压力管道金属材料一般取0.3;
G--------材料的剪切弹性模量，MP ;
a--------材料的平均线膨胀系数，mm/（mm·℃）；
△T--------温度的变化，℃
G与E和u之间存在如下关系：
G = E
2（1+u）
21 常用的材料强度理论有几种？在管道强度设计中主要采用第几强度理论？
答：常用的材料强度理论有四种，分别是：
（1） 第一强度理论-----最大拉应力理论，其当量应力为S=ζ1。它认为引起材料断裂
破坏的主要因素是最大拉应力。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大拉应
力达到材料单向拉抻断裂时的最大应力值，材料即发生断裂破坏。
（2） 第二强度理论-----最大伸长线应变理论，其当量应力为S=ζ1-u（ζ2+ζ3）。它
认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大伸长线应变。亦即不论材料处于何种应
力状态，只要最大伸长线应变达到材料单向拉伸断裂时的最大应变值，材料即发
生断裂破坏。
（3） 第三强度理论-----最大剪应力理论，其当量应力为S=ζ1+ζ3。它认为引起材料
屈服破坏的主要因素是最大剪应力。亦即不论材料处于何时应力状态，只要最大
剪应力达到材料屈服时的最大剪应力值，材料即发生屈服破坏。
（4） 第四强度理论-----变形能理论，其当量应力为
222 ζ1-ζ2）+（ζ2-ζ3）+（ζ3-ζ1）
√
它认为引起材料屈服破坏的主要因素是材料内的变形能.亦即不论材料处于何种应力状态,只要其内部积累的变形能达到材料单向拉伸屈服时的变形能值,材料即发生屈服破坏.
22 CAESARII和PIPENET软件的主要功能有哪些?
答:CAESARII是国际通行的管道应力分析软件 ,该软件由美国COADE公司编制.它被广泛地应用于石油、石化、化工、电工、治金等行业。CAESARII是以梁单元模型为基础的有限元分析程序，具有在线帮助、图形显示以及纠错等功能，可以用于分析大型管系、钢结构、或二者相结合的模型。CAESARII既能够进行静力分析也能够进行动力分析；它不但可以根据ASME B31系列以及其他国际标准进行应力校核，还可以按照WRC、API、NEMA有丰富的材料库；单元数据及边界条件的输入直观、方便。该程序既可用于架空管道的分析，也可用于埋地管道的计算。
PIPENET是英国Sunrise System Limited公司开发的管道分析软件，包括标准分析模块、消防分析模块和瞬态分析模块三个部分。标准分析模块用于静态管网压力降计算、管径选择、泵选型、流量计算等。消防分析模块用于消防介质的管网压降计算和分析。瞬态分析模块的主要功能是进行阀门关断和泵失效时的汽锤分析。该模块可以计算压力骤增和流量变化，软件可以自动计算管道弯头之间的动态不平衡力和模拟控制系统的操作运行。该模块被广泛应用于电力机组汽锤分析和石化、化工储运管道系统的水锤分析等方面。
第二节 管道的柔性设计
1 何谓管道柔性？如何进行管道柔性设计？
答：管道柔性是反映管道变形难易程度的概念，表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其他位移变形的能力。
进行管道设计时，应在保证管道具有足够柔性来吸收位移应变的前提下，使管道的长度尽可能短或投资尽可能少。在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑管道端点的附加位移。设计时，一般采用下列一种或几种措施来增加管道的柔性：
（1）变管道的走向；
（2）选用波形补偿器、套管式补偿器或球形补偿器；
（3）选用弹簧支吊架。
2 管道柔性设计的目的是什么？
答：管道柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移、管道支承设置不当等原因造成下列问题：
（1）管道应力过大或金属疲劳引起管道破坏；
（2）管道连接处产生泄漏；
（3）管道推力或力矩过大，使与其相连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行；
（4）管道推力或力矩过大引起管道支架破坏。
3 哪些管道宜进行详细柔性设计？
答：下列管道宜采用计算机分析方法进行详细柔性设计：
（1）操作温度大于400℃或小于-50℃的管道；
（2）进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道；
（3）进出反应器的高温管道；
（4）进出汽轮机的蒸汽管道；
（5）进出离心压缩机、往复式压缩机的工艺管道；
（8）利用简化分析方法分析后，表明需要进一步详细分析的管道。
4 哪些管道可以不进行详细柔性设计？
答：下列管道可以不进行详细预知性设计：
（1）与运行良好的管道预知性相同工基本相当的管道；
（2）和已分析的管道比较，确认有足柔性的管道；
（3）对具有同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无中间约束并能满足下式要求的非极度危害或非高度危害介质管道：
DOY
2L-U ≤ 208.3
式中 DO-----管道外径，mm；
Y-----管段总变形，mm；
222 △X+△Y+△Z
U-----管段两固定点间的直线距离，m；
L-----管段在两固定点间的展开长度，m；
222△X、△Y、△Z-----分别为管段在X Y Z轴方向的变形，mm。
式(7.2.4-1)不适用于下列管道：
（1）在剧烈循环条件下运行，有疲劳危险的管道；
（2）大直径薄壁管道（管件应力增大系数ì≥5）；
（3）与端点连线不在同一方向的端点附加位移量占总位移量大部分的管道；
（4）L/U>2.5的不等腿U形弯管管道，或近似直线的锯齿状管道。
5 管道柔性设计方法判别式应如何使用？
答：上题中的管道柔性分析判别式的使用方法如下：
（1）建立一个空间坐标系XYZ轴。一旦坐标系确定之后，下列计算均参照该坐标系进行；
（2）假设两固定端一端高产田a端，另一端为b端；
（3）计算△X1、△Y1、△Z1，它们分别为b端沿X轴、Y轴和Z轴方向的附中位移值减去a
端相应方向的附加位移值。附加位移与坐标方面军向相同时取正值，相反时取负值；
（4）计算△X2、△Y2、△Z2，它们分别为假设b端放松后由于管道热膨胀引起的b端沿X轴、Y轴和Z轴方向的位移值。△X2、△Y2、△Z2按下一步式计算：
△X2=AlX△△Y2=AlY△T
△Z2=AlZ△T
式中 △X2、△Y2、△Z2-----假设bb端沿X轴、Y轴和Z轴
方向的位移值，mm；
。 a-----管道材料从安装温度变化到操作温度的平均线膨胀系数，mm/（MM℃）；
LXLYLz------以a端为坐标原点时，b端在X Y Z三个方向坐标值，mm；
△T----管道从安装状态（一般取为20℃）到操作状态的温度变化值，℃。
（5）计算管段在X Y Z三个方向的变化△X、△Y、△Z，它们分别为：
△X=△X2-△X1
△Y=△Y2-△Y1
△Z=△Z2-△Z1
（6）计算管段总变形值：
△X、△Y、△Z
6
答：管道计算温度应根据工艺设计条件及下列要求确定。
（1）对于无隔热层管道：介质温度低于65℃时，取介质温度为计算温度；介质温度等于
或高于65℃时，取介质温度的95%为计算温度；
（2）对于有外隔热层管道，除另有计算或经验数据外，应取介质温度为计算温度；
（3）对于夹套管道应取内管或套管介质温度的较高者作为计算温度；
（4）对于外伴热管道应根据具体条件确定计算温度；
（5）对于衬里管道应根据计算或经验数据确定计算温度；
（6）进行管道预知性设计时，不仅应考虑正常操作条件下的温度，还应考虑开车、停车、
除焦、再生及时性蒸汽吹扫等工况。
7 管道柔性设计中，应考虑哪些管道端点的附加位移？
答：在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑下列管道端点的附加位移：
（1）静设备热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；
（2）转动机器热胀冷缩在连接管口处产生的附加位移；
（3）加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移；
（4）储罐等设备基础沉降在连接管口处产生的附加位移；
（5）不和主管一起分析的支管，应将分支点处主管的位移作为支管端点的附加位移。 8 何谓管件的柔性系数和应力增大系数，它们在管道柔性设计中有何用途？
答：柔性系数：将同一弯矩作用于管件和直管后，管件的位移与直管的位移之比。
应力增大系数：在疲劳破坏循环次数相同的情况下，作用于直管的弯曲应力与作用于管件的名义弯曲应力之比。
采用柔性系数和应力增大系数的目的，是在进行管道柔性设计时考虑弯管、三通等管件的柔性和应力增大的影响。管道中的弯管在弯矩作用下与直管相比较，其刚度降低柔性增大，同时应力也将增大。因此，在计算管件时就要考虑它的柔性系数和应力增大系数。而管道中的三通等管件，由于存在局部应力集中，在验算这些管件的应力时，采用了应力增大系数使问题简化。
9 一般来说，管道上哪些点的应力比较大，为什么？
答：一般来说，管道上三通和弯管处的应力比较大。因为，与直管相比，三通和弯管处的应
力增大系数比较大。
10 管道热补偿的方法有几种？何谓自然补偿？自然补偿有何特点？
答：管道热补偿的方法有两种，即自然补偿和补偿器补偿。
管道的自然补偿就是管道的走向按具体况呈各种弯曲形状，管道利用这种自然的弯曲形状所具有的柔性补偿其自身的热胀和端点位移。自然补偿的特点是构造简单、运行可靠、投资少。 11 如何增加管道的自然补偿能力？
答：可采用下列方法增加管道的自然补偿能力：
（1）改变管道的走向，以增加整个管道的柔性；
（2）利用弹簧支吊架放松约束；
（3）改变设备布置。
12 常用的补偿器有几种，各有何特点，适用范围如何？
答：压力管道设计中常用的补偿器有三种：II型补偿器、波形补偿器和套管式补偿器或球形补偿器。
II形补偿器结构简单、运行可靠、投资少，在压力管道设计中广泛采用。
波形补偿器补偿能力大、占地小，但制造较为复杂，价格高，适用于低压大直径管道。 套管式或球形补偿器因填料容易松弛，发生泄漏，因此很少采用。在有毒及可燃介质管道中来禁采用。
13.形补偿器的设置有何要求?
答:II形补偿器宜设置在两固定点中部,为防止管道横向为位移过大,应在II形补偿器两侧设置导向架.导向架应与弯头有一定距离，以防止弯头处弯曲应力过大。
14 选用无约束金属波纹管膨胀节时应注意什么问题材？
答：应注意下列问题：
（1）两个固定支座之间的管道不仅能布置一个波纹管膨胀节：
（2）两个固定支座之间的管道应具有同样的直径并成一条直线；
（3）固定支座必须具有足够的强度，以承受内压推力的作用；
（4）对管道必须进行严格地保护，尤其是靠近波纹管膨胀节的部位应设置导向支架，第一
个导向支架与膨胀节的距离应小于或等于4DN，第二个导向支架与第一个导向支架的距离应小于或等于14DN，以防止管道产生弯曲和径向偏移造成膨胀节的破坏；
（5）正确地进行预拉抻或预压缩量的计算。
15 带约束的金属波纹管膨胀节有哪几种型式，其同甘共苦特点是什么？
答：带约束的金属波纹管膨胀节有以下映射中型式：
（1）单式铰链型膨胀节，由一个波纹管及销轴和铰链板组成，用于吸收单平面角位移；
（2）单式万向铰链型膨胀节，由一个波纹管及万向环、销轴和铰链组成，能吸收多平面角
位移；
（3）复式拉杆型膨胀节，由用中间管边接的两个波纹管及拉杆组成，能吸收多平面横向位
移和拉杆间膨胀节本身的轴向位移；
（4）复式铰链型膨胀节，由用中间管边接的两个波纹管及销轴和铰链板组成，能吸收单平
面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；
（5）复式万向铰链型膨胀节，由用中间管边接的两个波纹管及销轴和铰链板组成，能吸收
互相垂直的两个平面横向位移膨胀节本身的轴向位
（6）弯管压力平衡型膨胀节，由一个工作波纹管或用中间管边接的两个工作波纹管及一个平
衡波纹管构成，工作波纹与平衡波纹管外端间装有弯头脑或三通，平衡波纹管一端有封头并承受管道内压，工用波纹与平衡波纹管间装有拉杆。此种膨胀节能吸收轴向位移和/或横向位移。拉杆能约束波纹管压力推力。常用于管道方向改变处；
（7）直管压力平衡型膨胀节，一般由位于两端的两个工作波纹及有效面积等于二位工作波
纹管有效面积、位于中意的一个平衡波纹管组成，两套拉杆分别将每一个工作波纹管与平衡波纹管相互连接起来。此种膨胀节能吸收轴向位移。拉杆能约束波纹管压力推力。
带约束的金属波纹管膨胀节的共同特点是管道的内压力推力（俗称盲板力）没有作用于固定点或限位点处，而是由约束波纹膨胀节用的金属部伞兵承受。
16 金属波纹管膨胀节在施工安装中应注意哪些问题？
答：波纹管膨胀节在施工安装中应注意以下问题：
（1）膨胀节的施工和安装应与设计要求相一致；
（2）膨胀节的安装使用应严格按照产品安装说明书进行；
（3）禁止采用使膨胀节变形的方法来调整管道的安装偏差；
（4）固定支架和导向支架等应严格按照设计图纸进行施工，需要改动时应经原分析设计人员认可；
（5） 膨胀节上的箭头表示介质流向，应与实际介质流向相一致，不能装反；
（6）安装铰链型膨胀节时，应按照施工图进行，铰链板方向不能装错；
（7）在管道系统（包括管道、膨胀节和支架等）安装完毕，系统试压之前，应将膨胀节的运输保护装置拆除或松开。按照现行国家标准GB/T12777的规定，运输保护装置涂有黄色油漆，应注意不能将其他部件随意拆除；
（8）对于复式大拉杆膨胀节，不能随意松动大拉杆上的螺母，更不能将大拉杆拆除；
（9）装有膨胀节的管道，做水压试验时，应考虑设置适当的临时支架以承受额外加到管道和膨胀节上的荷载。试验后应将临时支架拆除。
17 何谓冷缩和自冷缩,冷缩的目的什么是?冷缩如何实现?
答;冷缩是指在安装时使管道产生一个预变形的一种方法.通过这种预变形使管道在安装状态对设备或固定预先施加一个与操作状态时相反的作用力。
冷紧的目的是将管道热应变的一部分集中在安装状态，从而降低管道在操作状态对设备或固定点的推力和力矩，同时在安装状态下管道对设备或固定点的作用力也应限制在所能承受的范围之内。由于冷紧可以降低操作状态下管道应力，对于蠕变温度下工作的管道，冷紧可以避免或减少蠕变的发生。冷紧也可防止法兰连接外弯矩过大而发生泄漏。但冷紧不能改善一次应力和二次应力的校核结果。
如果热膨胀产生的初应力较大时，在运行初期，初始应力超过材料的屈服极限而产生塑性变形，或在高温和应力的持续作用下，管道中产生蠕变或0应力松弛，在管道重新回到安装温度时，将产生反方向的应力，管道的固定点处也相应地作用了一个与操作温度下方向相反的作用力，这种现象称为自冷紧。
冷紧通常是在安装时采用将管道割短（适用于操作温度高于安装温度情况）或加长（适用于操作温度低于安装温度情况）的方法来完成。
18 何谓冷紧比？何谓冷紧有效系数？
答：冷紧比为冷紧值与全补偿量（安装状态到操作状态的总变形值）。冷紧比的数值在0-1之间，冷紧比为0时表示没有冷紧，冷紧比为1时表示100%冷紧。
冷紧有效系数是指实际有效的冷紧值与理论冷紧值之比。考虑到在实际管道安装过程中理论冷紧值往往难以完全实现，所以一般将冷紧有效系数取为2/3。
19 与转动机器相连的管道能否采用冷紧？为什么？
答：与转动机器相连的管道不宜采用冷紧。由于转动机器管道在安装时要求对机器的作用力尽可能小，以满足标准规范对管道法兰与机器法兰间的同轴度和平行度要求，如果采用冷紧这一要求将无法满足。
20 对转动机器的推力和力矩应如何限制？可以参考引用的国外标准有哪些？
答：管道对转动机器的推力和力矩应由制造厂提出，当制造厂无数据时，可按下列规定进行核算：
（1）离心泵管道对泵接管法兰的最大允许推力和力矩应符合API610的规定；
（2）汽轮机的蒸汽管道对汽轮机接管法兰的最大允许推力矩应符合NEMA SM23的规定；
（3）离心泵缩机的管道对压缩机接管法兰的最大允许推力和力矩应符合API617的规定，其数值是NEMA SM23规定值的1.85倍；
（4）螺杆式压缩机的管道对压缩机接管法兰的最大允许推力和力矩应符合API619的规定。 21 根据NEMA SM23的要求，汽轮机管口受力应满足什么要求？
答：NEMA SM23对汽轮机管口受力的限制如下：
定义机轴方向为X方向，铅垂向上方向为+Y，汽轮机各管口受力必须满足下列各项要求：
（1）作用于任一管口上的合力及合力矩应满足以下要求：
0.9144FR≤26.689De
式中 De-----当量直径,mm;当管口公称直径不大于200时, De=管口公称直径;当管口公称直径
大于200时, De=(管口公称直径+400)/3
FR-----单个管口上的合力,当接管采用无约束膨胀节时应包括压力产生的作用力(凝汽
式汽轮机垂直向下出口可不考虑膨胀节内压推力),N;
MR-----单个管口上的合力矩,N•m. xyzxyz
222式中 Fx+Fy+Fz-----单个管口上X、Y、Z方向的作用力，N；
222Mx+My+Mz-----单个管口上X、Y、Z方向的力矩，N•m.
（2）进汽口、抽汽口和排汽口上的力和力矩合成到排汽口中心处的合力及合力矩应满足以下两个条件：
0.6096FC+MC≤13.345DC
式中 FC-----进汽口、抽汽口和排汽口的合力，N；
MC-----进汽口、抽汽口和排汽口的力与力矩合成到排汽口中心处的合力矩，N•m； DC-----按公称直径计算得到的各管口面积之和的当量直径，mm。当各管口面积之和折合
成圆形的折算直径不大于230mm时，DC=折算直径；当各管口面积之和折合成圆形
的折算直径大于230mm时，DC=（折算直径+460）/3。
（b）FC 和MC在X、Y、Z三个方向的分力和分力矩应满足以下条件：
[FCX] ≤8.756DC
[FCY] ≤21.891DC
[FCZ] ≤17.513DC
[MDX] ≤13.345DC[MCY] ≤6.672DC
[MCZ] ≤6.672DC
式中 FCX FCY FCZ----- FC在X、Y、Z方向上的分力，N；
MDX MCY MCZ----- MC在X、Y、Z方向上的分力矩，N•m.
（3）对于具有向下排汽口的凝汽式轮机，其排汽口安装无约束膨胀节时，允许存在由压力引
起的附加力（此附加垂直于排出口法兰面并作用于中心）。对于此种汽轮机，在进行
（1）、（2）两项校核过程中，计算排汽口上的垂直分力时不包括压力荷载。
对于考虑压力荷载和其他荷载时，如果作用于排汽口的垂直分力不超出排汽口面积的0.1069
2倍,则认为压力荷载在排汽口引起的作用力是允许的.力的单位为N,面积单位为mm.
22 对高温管道,用较厚的管子代替较薄的管子时,应注意什么问题?
答:管子壁厚的增加提高了管道的刚度，增加了管壁堆面积和自重，因而必须对管道的柔性
进行分析，以校核固定点、设备管口和各支吊架的载荷，还应校核弹簧支吊架的型号是否合适。
23 对无中间约束、两端固定的管道，冷紧后固定点推力的瞬时最大值应如何计算？ 答：应按下列公式计算：
Rm=R（1-2C ）Em
3 Ea
Ra=CR或C1R取较大者
式中 Rm-----在最高和最低设计温度下的瞬时最大推力或力矩，N（N•M）；
R-----按全补偿值及Ea为基础计算的推力或力矩（取绝对值），N（N•M）；
C-----冷紧比；
Ea-----安装温度下管道材料的弹性模量，Mpa；
Em-----最高或最低设计温度下管道材料的弹性
模量，Mpa；
Ra-----安装温度下的估计瞬时推力或力矩，N（N•M）；
C1-----自冷紧比（如果C1
tC1• ζE Em
ζE——采用Ea计算所得最大位移应力范围（取绝对值），Mpa；
[ζ] ——热态钢材许用应力。Mpa；
24、塔顶部管口的热膨胀量（初位移）应如何确定？
答：塔顶部管口可分三类处理，即封头中心管口、封头斜插管口和上部筒体径向管口，管口的热膨胀量分别按下列方法确定：
（1）封头中心管口热膨胀量的计算
封头中心管口只有一个方向的热膨胀，即垂直方向，考虑到从塔固定点至封头中心管口之间可能存在操作温度和材质的变化，故总膨胀量按下式计算：
ΔY=L1α1（T1-TO）+L2α2（T2-TO）+…+Lιαι（Tι-TO）
式中：ΔY——塔顶管口总的热膨胀量，mm；
Lι——塔固定点至封头中心管口之间因温度和材质变化的分段长度，mm；
Tι——各段的操场作温度，℃
αι——由安装温度至Tι的平均线膨胀系数，mm/（mm．℃）
TO——安装温度，一般取20℃
（2）封头斜插管口热膨胀量的计算
封头斜插管口存在垂直和水平两个方面军向的热膨胀，垂直方向热膨胀量的计算与上式相同，水平方向的热膨胀量按下式计算：
ΔX=Lα1（T-TO）
式中 ΔX——封头斜插管口水平方向的热膨胀量，mm；
L——塔中心线距封头斜插管口法兰密封面中心的水平距离，mm；
α1——由安装温度至T的平均线膨胀系数，mm/（mm．℃）
T——塔顶部的操作温度，℃
TO——安装温度，一般取20℃
（3）上部筒体经向管口热膨胀量的计算
上部筒体经向管口有两个方向的热膨胀，即垂直方向和水平方向的热膨胀，垂直方向热膨胀量的计算与上述第一式相同，水平方向的热膨胀量按下式计算：
ΔX=Lα1（T-TO） (7.2.24-3)
式中 ΔX——上部筒体经向管口水平方向的热膨胀量，mm；
L——塔中心线距上部筒体经向管口法兰密封面中心的水平距离，mm；
α1——由安装温度至T的平均线膨胀系数，mm/（mm．℃）
T——塔上部的操作温度，℃
TO——安装温度，一般取20℃
25、在管道柔性设计中，计算温度取正常操作温度，是否总是偏于安全？
答：在管道柔性设计中，计算温度取正常操作温度，并非总是偏于安全的。因为，在进行管道柔性设计时，不仅应考虑正常操作条件下的温度，还应考虑开车、停车、除焦、再生等情况。 t
第三节 管道支吊架的设计
1、管道支吊架有哪些种类和型式？
答：管道支吊架按其功能可分为承受管道荷载、限制管道位移和控制管道振动三大类，详细分类如下：
（1）承重支吊架的作用是承受管道荷载，可进一步细分为：
1）刚性支吊架； 2）可调刚性支吊架； 3）可变弹簧支吊架；
（2）限制性支吊架的作用是限制管道位移，可进一步细分为：
1）固定支架； 2）限位支架； 3）导向支架；
2、支吊架的作用是什么？固定架、导向架和支托架（或单向止推架）都能限制哪些位移？ 答：管道支吊架的作用有三个：第一，承受管道的重量荷载（包括自重、介质重等）；第二，起限位作用，阻止管道发生非预期方向的位移；第三，控制振动，用来控制摆动、振动或冲击。
固定架限制了三个方向的线位移和三个方向的角位移；
导向架限制了两个方向的线位移；
支托架（或单向止推架）限制了一个方向的线位移。
3、 管道支吊架的选用原则是什么？
答：管道支吊架的选用原则如下：
（1）应按照支承点所承受的荷载大小和方向、管道的位移情况、工作温度、是否保温或保冷、管道的材质等条件选用合适的支吊架；
（2）设计管道支吊架时，应尽可能选用标准管卡、管托和管吊；
（3）焊接型的管托、管吊比卡箍型的管托、管吊省钢材，且制作简单，施工方便。
第四节 管道的抗震设计
1 为达到抗震的目的，应注意哪些问题？
答：为达到抗震的目的，应注意以下问题：
（1）管件、阀门等管道组成件宜采用钢质制品；
（2）管道的补偿器宜采用非填料函式补偿器；在有毒及可燃介质管道中严禁采用填料函式补偿器；
（3）管道与储罐等设备的连接应具有柔性；
（4）管道穿过建、构长筑物构件时应加套管，管道与套管之间应填塞软质不可燃材料；
（5）自力跨越道路的拱形管道应有防止倾倒的措施。设防烈度为8度、9度时，不应采用自力跨越道路的拱形管道；
（6）管架上应设有防止管道侧向滑落的措施；
（7）铺设在港口码头、引桥上的管道应有防止管道被水浮起、冲落的措施；
（8）沿立式设备布置的竖直管道和采用吊架挂的管道应合理设置导向支架。
表2 管道抗震验算条件
注:管道级别接照《石油化工管道设计器材选用通则》SH 3059进行划分。
3 根据《石油化工非埋地管道抗震设计通遇》SH/T3039管道抗震验算应如何进行？
答：根据《石油化工非埋地管道抗震设计通遇》SH/T3039管道的抗震验算仅考虑水平方向的地震作用，不考虑竖直文具向的地震作用，并分别对水平面内两个主轴方向进行验算。 管道水平地震作用，按下式计算：
q=a1mg
式中q------管道水平地震作用，N/m；
a1------与管系基本自振周期相对应的水平地震影响系数；
m------管道每米长度的质量，kg/m；
2g-----重力加速度，m/S，取9.81
水平地震作用与由压力、重力等持续荷载所引起的管道纵向应力之和不得大于管道在计算温度下许用应力的1.33倍(对于SHA级中毒性程度为极度危害的管道,取1.2倍).
进行抗震验算时,不考虑风荷载的作用.
管道应力
第一节 管道应力分析基础知识
1、 管道应力分析常用规范、标准有哪些？
答：管道应力分析常用规范、标准有：
1、GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》；
2、SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》；
3、SH/T 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》；
4、SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》；
5、SH/T 3073-2004《石油化工管道支吊架》；
6、JB/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》；
7、JB/T 8130.2-1999《可变弹簧支吊架》；
8、GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》；
9、GB 50251-2003《输气管道工程设计规范》；
10、GB 50253-2003《输油管道工程设计规范》；
11、DL/T 5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规范》；
12、DGJ 6-90《火力发电厂汽水管道应力计算技术规范》；
13、HG/T 20654-1998《化工装置管道机械设计规范》；
2、管道应力分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？
答：管道应力分析分为静力分析和动力分析。
静力分析包括：
1、 压力、重力等荷载作用下的管道一次应力计算——防止塑性变形破坏；
2、 热胀冷缩以及端点附加位移等荷载作用下的管道二次应力计算——防止疲劳破坏；
3、 管道对机器、设备作用力的计算——防止作用力过大，保证机器、设备正常运行；
4、 管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据；
5、 管道上法兰的受力计算——防止法兰泄漏；
6、 管系位移计算——防止管道碰撞和支吊点位移过大。
动力分析包括：
1、 往复压缩机（泵）管道气（液）柱固有频率分析——防止气（液）柱共振；
2、 往复压缩机（泵）管道压力脉动分析——控制压力脉动值；
3、 管道固有频率分析——防止管道系统共振；
4、 管道强迫振动响应分析——控制管道振动和应力过大；
5、 冲击荷载作用下管道应力分析——防止管道振动和应力过大；
6、 管道地震分析——防止管道地震应力过大。
3、 管道上可能承受的荷载有哪些？
答：管道上可能承受的荷载有：
1、 重力荷载，包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等；
2、 压力荷载，包括内压力和外压力；
3、 位移荷载，包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；
4、 风荷载；
5、 地震荷载；
6、 瞬变流冲击荷载，如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击；
7、 两相流脉动荷载；
8、 压力脉动荷载，如往复压缩机往复运动所在地产生的压力脉动；
9、 机械振动荷载，如回转设备的简谐振动。
4、 管道设计中常见的振动有哪些？
答：在管道设计中常见的振动有：
1、 往复式压缩机及往复泵进出口管道的振动；
2、 两相流管道的振动；
3、 水锤、气锤；
4、 安全阀排气系统产生的振动；
5、 风荷载、地震荷载引起的振动。
5、工程项目管道应力分析技术统一规定一般应包括哪些内容？
答：工程项目的管道应力分析技术统一规定包括以下内容：
1、 技术统一规定的适用范围；
2、 项目执行中使用的标准规范及版本；
3、 温度、压力等计算条件的确定方法；
4、 分析中需要考虑的荷载及计算方法；
5、 管道应力分析所使用的软件；
6、 项目中需要进行详细应力分析的管道类别；
7、 管道应力的安全评定条件；
8、 机器、设备的允许受力条件或遵循的标准；
9、 防止法兰泄漏的条件；
10、 膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求；
11、 专门问题（如摩擦力、冷紧等）的处理方法；
12、 业主的特殊要求；
13、 不同专业之间的接口关系；
14、 其他要求。
6、配管专业向管道应力专业提交的应力分析资料应包括哪些内容？
答：配管专业应向管道应力专业提交应力分析轴测图，并应包括以下内容：
1、 管号、管道材料等级、管道类别、管道材质；
2、 管道走向、尺寸、标高、管内介质及流向；
3、 管径、壁厚、弯头的曲率半径；
4、 可以设置支吊架的位置及支吊架型式；
5、 阀门、法兰等刚性元件的重量、保温层的厚度和密度、以及其他集中或均布荷载条件；
6、 管道计算温度、计算压力和管内介质密度；
7、 正常操作条件外的特殊工况，如开车、停车、除焦、再生等工况；
8、 机器制造商的允许受力要求；
9、 往复机泵的激振频率；
10、 管道端点约束条件或附加位移、管道所连接的设备。
7、什么叫节点？管系中哪些位置需要编制节点？
答：管道应力分析轴测图上感兴趣的点称为节点。在应力分析计算过程中必须通过这些点给计算软件提供信息和获得信息。
通常管系中下列各处应编制节点：
1、 管道端点；
2、 管道约束点、支吊点和给定位移处；
3、 管道方向改变点或分支点；
4、 管径、壁厚改变点；
5、 保温厚度、保温材料改变点；
6、 管道计算温度、计算压力改变点；
7、 管道外力荷载改变处；
8、 管道材料改变处（包括刚度改变处，例如刚性元件、膨胀节）；
9、 需要了解分析结果处（例如跨距较长时的跨中点处）；
10、 析须增设节点。
8、管道应力分析计算书应包括哪些内容？管道应力分析结果怎样才能满足要求？
答：管道应力分析计算书一般包括以下内容：
1、 主要输入数据；
2、 管道一次应力的校核结果；
3、 管道二次应力的校核结果；
4、 管道端点和各约束点、与机器设备的连接点、固定点、支吊点、限位点和导向点以及
位移给定点处的安装状态和操作状态的受力；
5、 各节点处安装状态和操作状态的位移和转角；
6、 弹簧支吊架和膨胀节的型号等有关信息；
7、 离心压缩机、汽轮机、离心泵等转动机器的受力校核结果；
8、 往复压缩机、往复泵管系的固有频率；
9、 经分析计算最终得到的管道轴测图，包括支吊架的位置及型式、膨胀节位置等信息。
管道应力分析结果应能满足以下要求：
1、 管道上各点的一次应力值应满足标准规范的要求；
2、 管道上各点的二次应力值应满足标准规范的要求；
3、 管道对机器、设备管口的推力和力矩应在允许的范围之内；
4、 管道对支吊架和土建结构的作用力应在允许的范围之内；
5、 往复机泵管道的固有频率应避开共振区；
6、 管道的位移量应能满足管道布置的要求；
7、 输油、输气管道的刚度和稳定性应满足标准规范的要求。
9、何谓一次应力，何谓二次应力？分别由哪些载荷产生？这两种应力有何特点？
答：一次应力是由于压力、重力与其他外力荷载的作用所产生的应力。它是平衡外力荷载所需的应力，随外力荷载的增加而增加。一次应力的特点是没有局限性，即当管道内的塑性区扩大展达到极限状态，使之变成几何可变的机构时，即使外力荷载不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏。
二次应力是由于管道变形受到约束而产生的应力，它由管道热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用而引起。它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所需的应力。二次应力的特点是具有局限性，即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或者说自身变形连接要求得到满足，从而变形不再继续增大。二次应图片引起的是疲劳破坏。在管道中，二次应力一般由热胀、冷缩和端点位移引起。
10、《工业金属管道设计规范》GB 50316中对一次应力和二次应力的校核条件做了哪些规定？ 答：《工业金属管道设计规范》GB 50316-2000中对一次应力和二次应力的校核条件做了以下规定：
（1）持续荷载作用下一次应力的校核条件；
1、 管道组成件的厚度及补强计算满足要求时，则由于内压所产生的应力认为是安全的；
2、 管道组成件的厚度及稳定性满足要求时，则由于外压所产生的应力应认为是安全的；
3、重力和其他持续荷载所产生的纵向应力之和ζL，不应起过材料在预计最高温度下的许用应力[ζ]h，即
ζL≤[ζ]h
（2）偶然荷载与持续荷载共同作用下一次应力的校核条件：
1、管道在工作状态下，受到内压、自重、其他持续荷载和偶然荷载所产生的纵向应力之和，
应符合下式规定，且式中应力增大系数i的0.75倍的值不得小于1。
2 PDi M M
D0-Di +0.75Ί W +0.75Ί W ≤KT[ζ]h
式中KT--------- 许用应力系数,当连接运行任何24小时内,偶然荷载作用时间少于10%时,
KT=1.15;偶然荷载作用时间少于1%时, KT=1.2;
．MA------- 由于重力和其他持续荷载的作用,在管道横载面上产生的合成国矩,Nｍｍ；
MB------- 安全阀或释放阀的排泄反作用力\管道内流量和压力的瞬时变化\风力或地震
．等产生的偶然荷载作用于管道横截面上的合成力矩, Nｍｍ；
W-------- 管道抗弯截面模量,mm3;
Ί---------应力增大系数;
P--------- 设计压力,MPa；
Di---------管道或管件的内径，mm；
DO------- 管道或管件的外径，mm。
对于非剧毒类流体的钢制管道，由于风或地震引起的纵向应力之和超过上式的规定时，KT可提高至1.33。
2、 要考虑风和地震荷载同时发生。
（3）二次应力的校核条件：
计算的最大位移应力范围ζE不应超过许用位移应力范围[ζ]A，[ζ]A由下式计算：
[ζ]A= ƒ（1.25[ζ]C+0.25[ζ]h）
若[ζ]h大于[ζ]L,其差值可以加到上式中的0.25[ζ]h项上,则许用位移应力范围为:
[ζ]A= ƒ[（1.25[ζ]C+[ζ]h）-ζL]
式中[ζ]C----- 在分析中的位移循环内,金属材料在冷态(预计最低温度)下的许用应力,
MP a；
[ζ]h------ 在分析中的位移循环内，金属材料在热态（预计最高温度）下的许用应力，
MP a；
ζL------- 管道中由于压力、重力和其他持续荷载所在地产生的纵向应力这和，MP a；
[ζ]A------- 许用的位移应力范围，MP a；
ƒ--------- 管道位移应力范围减小系数，ƒ值可由表7.1.10确定。
11、《输油管道工程设计规范》GB 50253中对管道强度校核做了哪些规定？
答：《输油管道工程设计规范》GB 50253-2003中对管道强度核，做了以下规定：
（1）埋地输油管道的直管和轴向变形受限制的地上管段的轴向应力应按下式计算：
ζa=Ea（t1-t2）+μζh
ζh= Pd
2δ
式中ζa----- 由于内压和温度变化产品税生的轴向应力，负值为轴向压应力，正值为轴向拉应
力，MP a
5 E--------- 钢材的弹性模量，可取2.05×10(MP a);
-5 α----- 钢材的线膨胀系数,可取1.2×10m/(m.℃);
t1------ 管道安装闭合时的大气温度,℃;
t2------ 管道内被输送介质的温度, ℃;
μ------ 泊板比,宜取0.3;
ζh-----由于压产生的环向应力, MP a;
P----------管道的设计内压力, MP a;
d----------管道的内直径,m;
δ------管道的公称壁厚,m.
(2)埋地管道的弹性敷设管段和轴向受约束的地上架空管道,在轴向应力中均应计入轴向弯曲
产生的应力.
(3)按内压计算的环向应力应小于或等于许用应力[ζ].
(4)对于受约束的管道应按最大剪应力破坏计算当量应力,当ζa为压应力(负值)时,应满足下
述条件:
ζe=ζh-ζa≤0.9ζS 式中ζe------当量应力, MP a;
ζS------钢管的最低屈服强度, MP a.
(5)对于轴向不受约束的地面管道和埋地管道出土端未设固定墩的管段,热胀当量应力应按下式
计算,其取值不应大于钢管的许用应力[ζ].
22 ζtb+4η ≤[ζ]
ζb ίi Mi)+( ίo MO)/Z
η= 式中ζt-------最大运行温差下热胀当量应力, MP a; ζb-------最大运行温差下热胀合成弯曲应力, MP a;
Mi------------构件平面内的弯曲力矩,MN•M；
ίi---------------构件平面内弯曲时的应力增大系数;
MO---------构件平面外的弯曲力矩,MN•M；
ίo-----------构件平面外弯曲进的应力增大系数;
η----------扭转应力, MP a;
Mt--------------扭矩, MN•M；
Z------------------钢管抗弯截面模量,m3.
(6)计算地面管道的热应力时,管道的全补偿值应包括热伸长值、管道端点的附加位移及有效预拉伸。
预拉伸有效系数取0.5。
12、《输油管道工程设计规范》GB 50253中对管道的刚度和稳定做了哪些规定？应按照哪些荷载组合进行设计？
答：《输油管道工程设计规范》GB 50253-2003中对管道的刚度和稳定做了以下规定：
1、 道的刚度应满足运输、施工和运行时的要求，钢管的外径与壁厚的比值应不大于140。
2、 对穿越公路的无套管段、穿越用的套管及埋深较大管段，均应按无内压状态验算在外力作
用下管子的变形，其水平直径方向的变形量不得大于管子外径的3%。
3、 对加热输送的埋地管道，应验算其轴向稳定，并应符合下列要求：
N≤ Ncr
n
N=[E（t2-t1）+（0.5-μ）ζh]A
式中N--------由温差和内压产生的轴向压缩力,MN. 如果N为正值,表示N为轴向压缩力,需验算轴向稳定问题;如果N为负值,表示N为轴向拉力,不必验算轴向稳定问题;
n--------安全系数,对于公称直径大于500mn的钢管宜取1.33;公称直径小于或等于500mn的钢管宜取1.11;
Ncr--------------管道开始失稳时的临界轴向力,MN;
2A---------钢管横截面积,m.
输油管道、管道附件和支承件，应根据敷设形式、所处环境和运行条件，按可能同时出现的永久何载、可变荷载和偶然荷载的组合进行设计。
13.根据《输气管道工程设计规范》GB 50251，管道强度计算应符合哪些原则？对管道强度校核做了哪些规定？
答：根据《输气管道工程设计规范》GB 50251-2003，管道强度计算应符合下列原则：
1、埋地管道强度设计应根据管段所处地区等级以及所在地承受可变荷载和永久荷载而定。 当管道通过地震峰值加速度等于或大于0.1g的地区时,应按国家现行标准《输油（气）埋地钢制管道抗震设计规范》SY/T0450对管道在地震作用下的强度进行校核。
2、埋地直管段的轴向应力与环向应力组合的当量应力，应小于管子的最小屈服强度的90%。管道附件的设计强度不应小于相连直管段的设计强度。
3、输气管道采用的钢管符合第3章第3.3.1条规定时,焊缝系数值取1.0。对管道强度校核做了以下规定：
（1）受约束的埋地直管段轴向应力计算和当量应力校核按以下方法进行：
1）由内压和温度引起的轴向应力应按下式计算：
ζt=μζt+Ea(t1-t2)
ζh= Pd
2δn
式中ζt--------管道轴向应力,拉应力为正,压应力为负, MP a;
μ--------泊板比,取0.3;
ζh-------由内压产生的管道环向应力, MP a;
P--------管道的设计内压力, MP a;
d--------管子内直径, cm；
δn------管子公称壁厚,cm；
E-------钢材的弹性模量，MP a;
-1 a------钢材的线膨胀系数，℃；
t1-----管道下沟回填时的温度，℃
t2------管道的工作温度，℃。
2）受约束热胀直管段，按最大剪应力强度理论计算当量应力，并应符合下列表达式的要求： ζe =ζh-ζL
式中ζe-----当量应力, MP a;
ζs-----管子的最低屈服强度, MP a;
(2)受内压和温差共同作用下的弯头组合应力计算与校核按以下方法进行:当弯头所受的内压环向应力ζh小于许用应力[ζ]时,组合应力ζs应按下列公式计算:
ζs=ζh+ζh max
ζh= Pd n [ζ]=FΦtζ s
22/3ζ hmax=βqζo βq=1.8[1-(R)](1)
λ=Rζb
2r
ζo=Mr
Ib
式中 ζe------由内压比温差作用下的弯头组合应力, MP a;
ζh------由内压产生的环向应力, MP a;
ζb------材料的强度极限, MP a;
P-------设计内压力, MP a;
d-------弯头内径,m;
δb-----弯头壁厚, m;
[ζ]----材料的许用应力, MP a;
F-------强度设计系数;
Φ------焊缝系数;
t-------温度折减系数,温度小于120℃时, t取1.0;
ζs-----材料的屈服极限, MP a;
ζh max-----由热胀弯矩产生的最大环向应力, MP a;
βq-------环向应力增大系数;
r-------------弯头曲率半径,m;
R------------弯头曲率半径,m;
λ-------弯头参数;
ζo-------热胀弯矩产生的环向应力, MP a;
4 Ib--------弯头截面惯性矩,m;
M---------弯头的热胀弯矩, MN•M。
（3）管道附件由热胀引起的综合应力计算与校核按以下方法进行：
当输气管道系统中直管段没有轴向约束（如固定支墩或其他锚固件）时，由不得于热膨胀作用，使管道附件产生弯曲和扭转，其产生的组合应力（不考虑流体内压作用）应符合下列公式的要求。
ζe≤0.72ζs
ζeζmp=ίMb W 2mp+4ζ2ts ζts=Mt 2W
式中ζe-------组合应力，MP a;
ζs------钢管的最低屈服强度，MP a;
ζmp-----弯曲合应力，MP a;
ζts-----扭转应力，MP a;
Mb----------总弯曲力矩，N•m；
Mt-----------扭矩，N•m；
Ί-------------管件弯曲应力增大系数；
W-----------管道抗弯截面模量，cm3。
当管件不能满足ζe≤0.72ζs时，应加大壁厚。
14《输气管道工程设计规范》GB 50251中对管道的稳定做了哪些规定？
答：输气管道径向稳定校核应符合下列表达式的要求，当管道埋没较深或外载荷较大时，应按无内压状态校核其稳定性：
△x≤0.03D
△x= ZKWDm 2
式中 △x-----钢管水平最大变形量,m; sm W=W1+W2 3I=δn/12
Dm---------钢管平均直径, m;
W----------作用在单位管长上的总竖向荷载,N/m;
W1----------单位管长上的竖向永久荷载, N/m;
W2-----------地面可变荷载传递到管道上的荷载, N/m;
Z-------------管道变形滞后系数,宜取1.5;
K------------基床系数;
E-------------钢材弹性模量, N/m2;
I-------------单位管长截面惯性矩,m4/m;
δn------钢管壁厚，m；
Es-------土壤变形模量，N/m2;
15 什么是弹性变形？什么是塑性变形？
答：构件或物体在外力作用下产生变形，当外力除去后能够完全恢复其原有形状，不遗留外力作用过的任何痕迹，这种变形称为弹性变形。
构件或物体在外力作用下产生变形，当外力除去后，构件或物体的形状不能复原，即遗留了外力作用下的残余变形，这种变形称为塑性变形。
16 什么是蠕变，什么是应力松弛？二者有何异同？
答：蠕变和应力松弛是金属材料在高温下的机械性能。
蠕变是指金属在高温和应力同时作用下，应力保持不变，其非弹性变形随时间的延长而缓慢增加的现象。高温、应力和时间是蠕变发生的三要素。应力越大、温度越高，且在高温下停留时间越长，则蠕变越甚。
应力松弛是指高温下工作的金属构件，在总变形量不变的条件下，其弹性变形随时间的
延长不断转变成非弹性变形，从而引起金属中应力逐步下降并趋于一个稳定值的现象。
蠕变和应力松弛两种现象的实质是相同的，都是高温下随时间发生的非弹性变形的积累过程。所不同的是应力松弛是在总变形量一定的特定条件下一部分弹性变形转化为非弹性变形；而蠕变则是在恒定应力长期作用下直接产生非弹性变形。
17、什么是疲劳破坏？疲劳破坏一般发生在什么地方？
答：疲劳破坏是指，是循环荷载的作用下，发生在构件某点处局部的、永久性的损伤积累过程，经过足够多的循环后，损伤积累可使材料产生裂纹，或使裂纹进一步扩展至完全断裂。疲劳损伤一般发生在应力集中处，例如管道的支管理连接处。
18、 什么是高周疲劳？什么是低周疲劳？压力管道设计中主要防止的是什么疲劳破坏？ 答：高周疲劳是指在荷载循环过程中材料中的应力始终保持在弹性范围内，达到破坏时循环次数较高，转动机器的疲劳属于此类。
低周疲劳是指荷载循环过程中应力应变变化幅度较大，材料中反复出现正反两个方向的塑性变形，材料在循环次数较低的情况下便发生破坏。
在压力管道中发生的疲劳破坏，除往复机泵管道的振动外，主要是温度变化时管道的膨胀或收缩受到约束而产生的疲劳破坏。由于压力管道在其使用寿命内，荷载的循环次数通常均不很高，但却可能存在较大变形，使高应力部位达到屈服，所以要防止的主要是低周疲劳破坏。
19什么是薄壁假设？内压作用下薄壁管道中的应力如何计算？
答：一般认为当管道外径与内径之比不大于1.2时，可以采用薄壁假设。除高压管道外，一般工业管道的分析计算采用了薄壁假设。
薄壁假设认为：
（1） 由于壁厚很薄，应力沿壁厚均匀分布。
（2） 对薄壁圆筒，径向应力与环向应力和纵向应力相比很小，可以忽略不计，即
认为径向应力等于0。
根据薄壁假设，内压作用下管道的纵向应力ζt和环向应力ζØ可按下列二式计算：
ζt= PD
4SO
ζØ= PD
2SO
式中P------管道内压力，MP a;
D---------管道平均直径，等于（DO+Di）/2，mm；
SO--------管道壁厚，mm。
20 线弹性体的应力与应变服从什么关系？
答：线弹性体的应力与应变服广义虎克定律，存在热应变的情况下，其具体表达式如下：
1
εX= E [ζX- u(ζy+ζZ)]+a△T
1
εy= E [ζy- u(ζz+ζX)]+a△T
1
εZ= E [ζZ- u(ζX+ζy)]+a△T
γXy= ηXy
G
γyZ= ηyZ
G
γZX= ηZX
G
式中εX εy εZ-------分别为X，Y，Z三个方向的线应变；
ζX ζy ζZ-------分别为X，Y，Z三个方向的正应力，MP a;
γXy γyZ γZX--------分别为XY YZ ZX三个平面内的剪应变；
ηXy ηyZ ηZX------------分别为XY YZ ZX三个平面内的剪应力 MP a;
E--------材料的弹性模量，MP a;
u--------材料的泊松比，它表示材料受单向拉伸时横向应变与轴向应变之比，
压力管道金属材料一般取0.3;
G--------材料的剪切弹性模量，MP ;
a--------材料的平均线膨胀系数，mm/（mm·℃）；
△T--------温度的变化，℃
G与E和u之间存在如下关系：
G = E
2（1+u）
21 常用的材料强度理论有几种？在管道强度设计中主要采用第几强度理论？
答：常用的材料强度理论有四种，分别是：
（1） 第一强度理论-----最大拉应力理论，其当量应力为S=ζ1。它认为引起材料断裂
破坏的主要因素是最大拉应力。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大拉应
力达到材料单向拉抻断裂时的最大应力值，材料即发生断裂破坏。
（2） 第二强度理论-----最大伸长线应变理论，其当量应力为S=ζ1-u（ζ2+ζ3）。它
认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大伸长线应变。亦即不论材料处于何种应
力状态，只要最大伸长线应变达到材料单向拉伸断裂时的最大应变值，材料即发
生断裂破坏。
（3） 第三强度理论-----最大剪应力理论，其当量应力为S=ζ1+ζ3。它认为引起材料
屈服破坏的主要因素是最大剪应力。亦即不论材料处于何时应力状态，只要最大
剪应力达到材料屈服时的最大剪应力值，材料即发生屈服破坏。
（4） 第四强度理论-----变形能理论，其当量应力为
222 ζ1-ζ2）+（ζ2-ζ3）+（ζ3-ζ1）
√
它认为引起材料屈服破坏的主要因素是材料内的变形能.亦即不论材料处于何种应力状态,只要其内部积累的变形能达到材料单向拉伸屈服时的变形能值,材料即发生屈服破坏.
22 CAESARII和PIPENET软件的主要功能有哪些?
答:CAESARII是国际通行的管道应力分析软件 ,该软件由美国COADE公司编制.它被广泛地应用于石油、石化、化工、电工、治金等行业。CAESARII是以梁单元模型为基础的有限元分析程序，具有在线帮助、图形显示以及纠错等功能，可以用于分析大型管系、钢结构、或二者相结合的模型。CAESARII既能够进行静力分析也能够进行动力分析；它不但可以根据ASME B31系列以及其他国际标准进行应力校核，还可以按照WRC、API、NEMA有丰富的材料库；单元数据及边界条件的输入直观、方便。该程序既可用于架空管道的分析，也可用于埋地管道的计算。
PIPENET是英国Sunrise System Limited公司开发的管道分析软件，包括标准分析模块、消防分析模块和瞬态分析模块三个部分。标准分析模块用于静态管网压力降计算、管径选择、泵选型、流量计算等。消防分析模块用于消防介质的管网压降计算和分析。瞬态分析模块的主要功能是进行阀门关断和泵失效时的汽锤分析。该模块可以计算压力骤增和流量变化，软件可以自动计算管道弯头之间的动态不平衡力和模拟控制系统的操作运行。该模块被广泛应用于电力机组汽锤分析和石化、化工储运管道系统的水锤分析等方面。
第二节 管道的柔性设计
1 何谓管道柔性？如何进行管道柔性设计？
答：管道柔性是反映管道变形难易程度的概念，表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其他位移变形的能力。
进行管道设计时，应在保证管道具有足够柔性来吸收位移应变的前提下，使管道的长度尽可能短或投资尽可能少。在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑管道端点的附加位移。设计时，一般采用下列一种或几种措施来增加管道的柔性：
（1）变管道的走向；
（2）选用波形补偿器、套管式补偿器或球形补偿器；
（3）选用弹簧支吊架。
2 管道柔性设计的目的是什么？
答：管道柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移、管道支承设置不当等原因造成下列问题：
（1）管道应力过大或金属疲劳引起管道破坏；
（2）管道连接处产生泄漏；
（3）管道推力或力矩过大，使与其相连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行；
（4）管道推力或力矩过大引起管道支架破坏。
3 哪些管道宜进行详细柔性设计？
答：下列管道宜采用计算机分析方法进行详细柔性设计：
（1）操作温度大于400℃或小于-50℃的管道；
（2）进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道；
（3）进出反应器的高温管道；
（4）进出汽轮机的蒸汽管道；
（5）进出离心压缩机、往复式压缩机的工艺管道；
（8）利用简化分析方法分析后，表明需要进一步详细分析的管道。
4 哪些管道可以不进行详细柔性设计？
答：下列管道可以不进行详细预知性设计：
（1）与运行良好的管道预知性相同工基本相当的管道；
（2）和已分析的管道比较，确认有足柔性的管道；
（3）对具有同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无中间约束并能满足下式要求的非极度危害或非高度危害介质管道：
DOY
2L-U ≤ 208.3
式中 DO-----管道外径，mm；
Y-----管段总变形，mm；
222 △X+△Y+△Z
U-----管段两固定点间的直线距离，m；
L-----管段在两固定点间的展开长度，m；
222△X、△Y、△Z-----分别为管段在X Y Z轴方向的变形，mm。
式(7.2.4-1)不适用于下列管道：
（1）在剧烈循环条件下运行，有疲劳危险的管道；
（2）大直径薄壁管道（管件应力增大系数ì≥5）；
（3）与端点连线不在同一方向的端点附加位移量占总位移量大部分的管道；
（4）L/U>2.5的不等腿U形弯管管道，或近似直线的锯齿状管道。
5 管道柔性设计方法判别式应如何使用？
答：上题中的管道柔性分析判别式的使用方法如下：
（1）建立一个空间坐标系XYZ轴。一旦坐标系确定之后，下列计算均参照该坐标系进行；
（2）假设两固定端一端高产田a端，另一端为b端；
（3）计算△X1、△Y1、△Z1，它们分别为b端沿X轴、Y轴和Z轴方向的附中位移值减去a
端相应方向的附加位移值。附加位移与坐标方面军向相同时取正值，相反时取负值；
（4）计算△X2、△Y2、△Z2，它们分别为假设b端放松后由于管道热膨胀引起的b端沿X轴、Y轴和Z轴方向的位移值。△X2、△Y2、△Z2按下一步式计算：
△X2=AlX△△Y2=AlY△T
△Z2=AlZ△T
式中 △X2、△Y2、△Z2-----假设bb端沿X轴、Y轴和Z轴
方向的位移值，mm；
。 a-----管道材料从安装温度变化到操作温度的平均线膨胀系数，mm/（MM℃）；
LXLYLz------以a端为坐标原点时，b端在X Y Z三个方向坐标值，mm；
△T----管道从安装状态（一般取为20℃）到操作状态的温度变化值，℃。
（5）计算管段在X Y Z三个方向的变化△X、△Y、△Z，它们分别为：
△X=△X2-△X1
△Y=△Y2-△Y1
△Z=△Z2-△Z1
（6）计算管段总变形值：
△X、△Y、△Z
6
答：管道计算温度应根据工艺设计条件及下列要求确定。
（1）对于无隔热层管道：介质温度低于65℃时，取介质温度为计算温度；介质温度等于
或高于65℃时，取介质温度的95%为计算温度；
（2）对于有外隔热层管道，除另有计算或经验数据外，应取介质温度为计算温度；
（3）对于夹套管道应取内管或套管介质温度的较高者作为计算温度；
（4）对于外伴热管道应根据具体条件确定计算温度；
（5）对于衬里管道应根据计算或经验数据确定计算温度；
（6）进行管道预知性设计时，不仅应考虑正常操作条件下的温度，还应考虑开车、停车、
除焦、再生及时性蒸汽吹扫等工况。
7 管道柔性设计中，应考虑哪些管道端点的附加位移？
答：在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑下列管道端点的附加位移：
（1）静设备热胀冷缩时对连接管道施加的附加位移；
（2）转动机器热胀冷缩在连接管口处产生的附加位移；
（3）加热炉管对加热炉进出口管道施加的附加位移；
（4）储罐等设备基础沉降在连接管口处产生的附加位移；
（5）不和主管一起分析的支管，应将分支点处主管的位移作为支管端点的附加位移。 8 何谓管件的柔性系数和应力增大系数，它们在管道柔性设计中有何用途？
答：柔性系数：将同一弯矩作用于管件和直管后，管件的位移与直管的位移之比。
应力增大系数：在疲劳破坏循环次数相同的情况下，作用于直管的弯曲应力与作用于管件的名义弯曲应力之比。
采用柔性系数和应力增大系数的目的，是在进行管道柔性设计时考虑弯管、三通等管件的柔性和应力增大的影响。管道中的弯管在弯矩作用下与直管相比较，其刚度降低柔性增大，同时应力也将增大。因此，在计算管件时就要考虑它的柔性系数和应力增大系数。而管道中的三通等管件，由于存在局部应力集中，在验算这些管件的应力时，采用了应力增大系数使问题简化。
9 一般来说，管道上哪些点的应力比较大，为什么？
答：一般来说，管道上三通和弯管处的应力比较大。因为，与直管相比，三通和弯管处的应
力增大系数比较大。
10 管道热补偿的方法有几种？何谓自然补偿？自然补偿有何特点？
答：管道热补偿的方法有两种，即自然补偿和补偿器补偿。
管道的自然补偿就是管道的走向按具体况呈各种弯曲形状，管道利用这种自然的弯曲形状所具有的柔性补偿其自身的热胀和端点位移。自然补偿的特点是构造简单、运行可靠、投资少。 11 如何增加管道的自然补偿能力？
答：可采用下列方法增加管道的自然补偿能力：
（1）改变管道的走向，以增加整个管道的柔性；
（2）利用弹簧支吊架放松约束；
（3）改变设备布置。
12 常用的补偿器有几种，各有何特点，适用范围如何？
答：压力管道设计中常用的补偿器有三种：II型补偿器、波形补偿器和套管式补偿器或球形补偿器。
II形补偿器结构简单、运行可靠、投资少，在压力管道设计中广泛采用。
波形补偿器补偿能力大、占地小，但制造较为复杂，价格高，适用于低压大直径管道。 套管式或球形补偿器因填料容易松弛，发生泄漏，因此很少采用。在有毒及可燃介质管道中来禁采用。
13.形补偿器的设置有何要求?
答:II形补偿器宜设置在两固定点中部,为防止管道横向为位移过大,应在II形补偿器两侧设置导向架.导向架应与弯头有一定距离，以防止弯头处弯曲应力过大。
14 选用无约束金属波纹管膨胀节时应注意什么问题材？
答：应注意下列问题：
（1）两个固定支座之间的管道不仅能布置一个波纹管膨胀节：
（2）两个固定支座之间的管道应具有同样的直径并成一条直线；
（3）固定支座必须具有足够的强度，以承受内压推力的作用；
（4）对管道必须进行严格地保护，尤其是靠近波纹管膨胀节的部位应设置导向支架，第一
个导向支架与膨胀节的距离应小于或等于4DN，第二个导向支架与第一个导向支架的距离应小于或等于14DN，以防止管道产生弯曲和径向偏移造成膨胀节的破坏；
（5）正确地进行预拉抻或预压缩量的计算。
15 带约束的金属波纹管膨胀节有哪几种型式，其同甘共苦特点是什么？
答：带约束的金属波纹管膨胀节有以下映射中型式：
（1）单式铰链型膨胀节，由一个波纹管及销轴和铰链板组成，用于吸收单平面角位移；
（2）单式万向铰链型膨胀节，由一个波纹管及万向环、销轴和铰链组成，能吸收多平面角
位移；
（3）复式拉杆型膨胀节，由用中间管边接的两个波纹管及拉杆组成，能吸收多平面横向位
移和拉杆间膨胀节本身的轴向位移；
（4）复式铰链型膨胀节，由用中间管边接的两个波纹管及销轴和铰链板组成，能吸收单平
面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；
（5）复式万向铰链型膨胀节，由用中间管边接的两个波纹管及销轴和铰链板组成，能吸收
互相垂直的两个平面横向位移膨胀节本身的轴向位
（6）弯管压力平衡型膨胀节，由一个工作波纹管或用中间管边接的两个工作波纹管及一个平
衡波纹管构成，工作波纹与平衡波纹管外端间装有弯头脑或三通，平衡波纹管一端有封头并承受管道内压，工用波纹与平衡波纹管间装有拉杆。此种膨胀节能吸收轴向位移和/或横向位移。拉杆能约束波纹管压力推力。常用于管道方向改变处；
（7）直管压力平衡型膨胀节，一般由位于两端的两个工作波纹及有效面积等于二位工作波
纹管有效面积、位于中意的一个平衡波纹管组成，两套拉杆分别将每一个工作波纹管与平衡波纹管相互连接起来。此种膨胀节能吸收轴向位移。拉杆能约束波纹管压力推力。
带约束的金属波纹管膨胀节的共同特点是管道的内压力推力（俗称盲板力）没有作用于固定点或限位点处，而是由约束波纹膨胀节用的金属部伞兵承受。
16 金属波纹管膨胀节在施工安装中应注意哪些问题？
答：波纹管膨胀节在施工安装中应注意以下问题：
（1）膨胀节的施工和安装应与设计要求相一致；
（2）膨胀节的安装使用应严格按照产品安装说明书进行；
（3）禁止采用使膨胀节变形的方法来调整管道的安装偏差；
（4）固定支架和导向支架等应严格按照设计图纸进行施工，需要改动时应经原分析设计人员认可；
（5） 膨胀节上的箭头表示介质流向，应与实际介质流向相一致，不能装反；
（6）安装铰链型膨胀节时，应按照施工图进行，铰链板方向不能装错；
（7）在管道系统（包括管道、膨胀节和支架等）安装完毕，系统试压之前，应将膨胀节的运输保护装置拆除或松开。按照现行国家标准GB/T12777的规定，运输保护装置涂有黄色油漆，应注意不能将其他部件随意拆除；
（8）对于复式大拉杆膨胀节，不能随意松动大拉杆上的螺母，更不能将大拉杆拆除；
（9）装有膨胀节的管道，做水压试验时，应考虑设置适当的临时支架以承受额外加到管道和膨胀节上的荷载。试验后应将临时支架拆除。
17 何谓冷缩和自冷缩,冷缩的目的什么是?冷缩如何实现?
答;冷缩是指在安装时使管道产生一个预变形的一种方法.通过这种预变形使管道在安装状态对设备或固定预先施加一个与操作状态时相反的作用力。
冷紧的目的是将管道热应变的一部分集中在安装状态，从而降低管道在操作状态对设备或固定点的推力和力矩，同时在安装状态下管道对设备或固定点的作用力也应限制在所能承受的范围之内。由于冷紧可以降低操作状态下管道应力，对于蠕变温度下工作的管道，冷紧可以避免或减少蠕变的发生。冷紧也可防止法兰连接外弯矩过大而发生泄漏。但冷紧不能改善一次应力和二次应力的校核结果。
如果热膨胀产生的初应力较大时，在运行初期，初始应力超过材料的屈服极限而产生塑性变形，或在高温和应力的持续作用下，管道中产生蠕变或0应力松弛，在管道重新回到安装温度时，将产生反方向的应力，管道的固定点处也相应地作用了一个与操作温度下方向相反的作用力，这种现象称为自冷紧。
冷紧通常是在安装时采用将管道割短（适用于操作温度高于安装温度情况）或加长（适用于操作温度低于安装温度情况）的方法来完成。
18 何谓冷紧比？何谓冷紧有效系数？
答：冷紧比为冷紧值与全补偿量（安装状态到操作状态的总变形值）。冷紧比的数值在0-1之间，冷紧比为0时表示没有冷紧，冷紧比为1时表示100%冷紧。
冷紧有效系数是指实际有效的冷紧值与理论冷紧值之比。考虑到在实际管道安装过程中理论冷紧值往往难以完全实现，所以一般将冷紧有效系数取为2/3。
19 与转动机器相连的管道能否采用冷紧？为什么？
答：与转动机器相连的管道不宜采用冷紧。由于转动机器管道在安装时要求对机器的作用力尽可能小，以满足标准规范对管道法兰与机器法兰间的同轴度和平行度要求，如果采用冷紧这一要求将无法满足。
20 对转动机器的推力和力矩应如何限制？可以参考引用的国外标准有哪些？
答：管道对转动机器的推力和力矩应由制造厂提出，当制造厂无数据时，可按下列规定进行核算：
（1）离心泵管道对泵接管法兰的最大允许推力和力矩应符合API610的规定；
（2）汽轮机的蒸汽管道对汽轮机接管法兰的最大允许推力矩应符合NEMA SM23的规定；
（3）离心泵缩机的管道对压缩机接管法兰的最大允许推力和力矩应符合API617的规定，其数值是NEMA SM23规定值的1.85倍；
（4）螺杆式压缩机的管道对压缩机接管法兰的最大允许推力和力矩应符合API619的规定。 21 根据NEMA SM23的要求，汽轮机管口受力应满足什么要求？
答：NEMA SM23对汽轮机管口受力的限制如下：
定义机轴方向为X方向，铅垂向上方向为+Y，汽轮机各管口受力必须满足下列各项要求：
（1）作用于任一管口上的合力及合力矩应满足以下要求：
0.9144FR≤26.689De
式中 De-----当量直径,mm;当管口公称直径不大于200时, De=管口公称直径;当管口公称直径
大于200时, De=(管口公称直径+400)/3
FR-----单个管口上的合力,当接管采用无约束膨胀节时应包括压力产生的作用力(凝汽
式汽轮机垂直向下出口可不考虑膨胀节内压推力),N;
MR-----单个管口上的合力矩,N•m. xyzxyz
222式中 Fx+Fy+Fz-----单个管口上X、Y、Z方向的作用力，N；
222Mx+My+Mz-----单个管口上X、Y、Z方向的力矩，N•m.
（2）进汽口、抽汽口和排汽口上的力和力矩合成到排汽口中心处的合力及合力矩应满足以下两个条件：
0.6096FC+MC≤13.345DC
式中 FC-----进汽口、抽汽口和排汽口的合力，N；
MC-----进汽口、抽汽口和排汽口的力与力矩合成到排汽口中心处的合力矩，N•m； DC-----按公称直径计算得到的各管口面积之和的当量直径，mm。当各管口面积之和折合
成圆形的折算直径不大于230mm时，DC=折算直径；当各管口面积之和折合成圆形
的折算直径大于230mm时，DC=（折算直径+460）/3。
（b）FC 和MC在X、Y、Z三个方向的分力和分力矩应满足以下条件：
[FCX] ≤8.756DC
[FCY] ≤21.891DC
[FCZ] ≤17.513DC
[MDX] ≤13.345DC[MCY] ≤6.672DC
[MCZ] ≤6.672DC
式中 FCX FCY FCZ----- FC在X、Y、Z方向上的分力，N；
MDX MCY MCZ----- MC在X、Y、Z方向上的分力矩，N•m.
（3）对于具有向下排汽口的凝汽式轮机，其排汽口安装无约束膨胀节时，允许存在由压力引
起的附加力（此附加垂直于排出口法兰面并作用于中心）。对于此种汽轮机，在进行
（1）、（2）两项校核过程中，计算排汽口上的垂直分力时不包括压力荷载。
对于考虑压力荷载和其他荷载时，如果作用于排汽口的垂直分力不超出排汽口面积的0.1069
2倍,则认为压力荷载在排汽口引起的作用力是允许的.力的单位为N,面积单位为mm.
22 对高温管道,用较厚的管子代替较薄的管子时,应注意什么问题?
答:管子壁厚的增加提高了管道的刚度，增加了管壁堆面积和自重，因而必须对管道的柔性
进行分析，以校核固定点、设备管口和各支吊架的载荷，还应校核弹簧支吊架的型号是否合适。
23 对无中间约束、两端固定的管道，冷紧后固定点推力的瞬时最大值应如何计算？ 答：应按下列公式计算：
Rm=R（1-2C ）Em
3 Ea
Ra=CR或C1R取较大者
式中 Rm-----在最高和最低设计温度下的瞬时最大推力或力矩，N（N•M）；
R-----按全补偿值及Ea为基础计算的推力或力矩（取绝对值），N（N•M）；
C-----冷紧比；
Ea-----安装温度下管道材料的弹性模量，Mpa；
Em-----最高或最低设计温度下管道材料的弹性
模量，Mpa；
Ra-----安装温度下的估计瞬时推力或力矩，N（N•M）；
C1-----自冷紧比（如果C1
tC1• ζE Em
ζE——采用Ea计算所得最大位移应力范围（取绝对值），Mpa；
[ζ] ——热态钢材许用应力。Mpa；
24、塔顶部管口的热膨胀量（初位移）应如何确定？
答：塔顶部管口可分三类处理，即封头中心管口、封头斜插管口和上部筒体径向管口，管口的热膨胀量分别按下列方法确定：
（1）封头中心管口热膨胀量的计算
封头中心管口只有一个方向的热膨胀，即垂直方向，考虑到从塔固定点至封头中心管口之间可能存在操作温度和材质的变化，故总膨胀量按下式计算：
ΔY=L1α1（T1-TO）+L2α2（T2-TO）+…+Lιαι（Tι-TO）
式中：ΔY——塔顶管口总的热膨胀量，mm；
Lι——塔固定点至封头中心管口之间因温度和材质变化的分段长度，mm；
Tι——各段的操场作温度，℃
αι——由安装温度至Tι的平均线膨胀系数，mm/（mm．℃）
TO——安装温度，一般取20℃
（2）封头斜插管口热膨胀量的计算
封头斜插管口存在垂直和水平两个方面军向的热膨胀，垂直方向热膨胀量的计算与上式相同，水平方向的热膨胀量按下式计算：
ΔX=Lα1（T-TO）
式中 ΔX——封头斜插管口水平方向的热膨胀量，mm；
L——塔中心线距封头斜插管口法兰密封面中心的水平距离，mm；
α1——由安装温度至T的平均线膨胀系数，mm/（mm．℃）
T——塔顶部的操作温度，℃
TO——安装温度，一般取20℃
（3）上部筒体经向管口热膨胀量的计算
上部筒体经向管口有两个方向的热膨胀，即垂直方向和水平方向的热膨胀，垂直方向热膨胀量的计算与上述第一式相同，水平方向的热膨胀量按下式计算：
ΔX=Lα1（T-TO） (7.2.24-3)
式中 ΔX——上部筒体经向管口水平方向的热膨胀量，mm；
L——塔中心线距上部筒体经向管口法兰密封面中心的水平距离，mm；
α1——由安装温度至T的平均线膨胀系数，mm/（mm．℃）
T——塔上部的操作温度，℃
TO——安装温度，一般取20℃
25、在管道柔性设计中，计算温度取正常操作温度，是否总是偏于安全？
答：在管道柔性设计中，计算温度取正常操作温度，并非总是偏于安全的。因为，在进行管道柔性设计时，不仅应考虑正常操作条件下的温度，还应考虑开车、停车、除焦、再生等情况。 t
第三节 管道支吊架的设计
1、管道支吊架有哪些种类和型式？
答：管道支吊架按其功能可分为承受管道荷载、限制管道位移和控制管道振动三大类，详细分类如下：
（1）承重支吊架的作用是承受管道荷载，可进一步细分为：
1）刚性支吊架； 2）可调刚性支吊架； 3）可变弹簧支吊架；
（2）限制性支吊架的作用是限制管道位移，可进一步细分为：
1）固定支架； 2）限位支架； 3）导向支架；
2、支吊架的作用是什么？固定架、导向架和支托架（或单向止推架）都能限制哪些位移？ 答：管道支吊架的作用有三个：第一，承受管道的重量荷载（包括自重、介质重等）；第二，起限位作用，阻止管道发生非预期方向的位移；第三，控制振动，用来控制摆动、振动或冲击。
固定架限制了三个方向的线位移和三个方向的角位移；
导向架限制了两个方向的线位移；
支托架（或单向止推架）限制了一个方向的线位移。
3、 管道支吊架的选用原则是什么？
答：管道支吊架的选用原则如下：
（1）应按照支承点所承受的荷载大小和方向、管道的位移情况、工作温度、是否保温或保冷、管道的材质等条件选用合适的支吊架；
（2）设计管道支吊架时，应尽可能选用标准管卡、管托和管吊；
（3）焊接型的管托、管吊比卡箍型的管托、管吊省钢材，且制作简单，施工方便。
第四节 管道的抗震设计
1 为达到抗震的目的，应注意哪些问题？
答：为达到抗震的目的，应注意以下问题：
（1）管件、阀门等管道组成件宜采用钢质制品；
（2）管道的补偿器宜采用非填料函式补偿器；在有毒及可燃介质管道中严禁采用填料函式补偿器；
（3）管道与储罐等设备的连接应具有柔性；
（4）管道穿过建、构长筑物构件时应加套管，管道与套管之间应填塞软质不可燃材料；
（5）自力跨越道路的拱形管道应有防止倾倒的措施。设防烈度为8度、9度时，不应采用自力跨越道路的拱形管道；
（6）管架上应设有防止管道侧向滑落的措施；
（7）铺设在港口码头、引桥上的管道应有防止管道被水浮起、冲落的措施；
（8）沿立式设备布置的竖直管道和采用吊架挂的管道应合理设置导向支架。
表2 管道抗震验算条件
注:管道级别接照《石油化工管道设计器材选用通则》SH 3059进行划分。
3 根据《石油化工非埋地管道抗震设计通遇》SH/T3039管道抗震验算应如何进行？
答：根据《石油化工非埋地管道抗震设计通遇》SH/T3039管道的抗震验算仅考虑水平方向的地震作用，不考虑竖直文具向的地震作用，并分别对水平面内两个主轴方向进行验算。 管道水平地震作用，按下式计算：
q=a1mg
式中q------管道水平地震作用，N/m；
a1------与管系基本自振周期相对应的水平地震影响系数；
m------管道每米长度的质量，kg/m；
2g-----重力加速度，m/S，取9.81
水平地震作用与由压力、重力等持续荷载所引起的管道纵向应力之和不得大于管道在计算温度下许用应力的1.33倍(对于SHA级中毒性程度为极度危害的管道,取1.2倍).
进行抗震验算时,不考虑风荷载的作用.