压力管道设计培训课件

压力管道设计培训课件欢迎参加压力管道设计专业培训本课程将系统讲解压力管道设计的基本原理、关键技术和应用实践，帮助您掌握压力管道设计的核心能力，提升工程设计水平第一章压力管道设计概述压力管道系统在现代工业中扮演着至关重要的角色它们是石油化工、电力、冶金等行业的血管，承担着输送各类流体的重要任务设计目标安全性确保管道在各种工况下安全运行，防止泄漏、爆炸等事故经济性在满足安全要求的前提下，合理控制工程造价可施工性考虑安装、检修便利性，确保设计方案可实施压力管道设计流程总览

1.设计基础数据收集与分析

2.管道材料选择与规格确定

3.路由规划与布置设计

4.支撑系统设计压力管道设计的关键挑战高压高温环境的安全风险管道在高压高温环境下面临材料强度降低、蠕变、疲劳等多重风险温度波动导致的热膨胀可能引起过大应力，引发管道失效设计时需综合考虑工作压力、温度、介质特性等因素，确保系统安全裕度材料选择与耐腐蚀性不同介质对材料有不同的腐蚀作用，如酸性介质对碳钢的腐蚀、高温氢气对材料的氢脆等需根据介质性质、温度、压力等条件选择合适的材料，必要时采用特殊防腐措施施工与维护的可行性复杂的管道系统需要考虑焊接工艺、检测方法、支撑安装等施工问题设计规范与标准简介国际标准国内标准（美国机械工程师协会）标准系列是全球最广泛应用的压力管道设工业金属管道工程施工规范ASME GB50316计标准工业金属管道工程施工质量验收规范GB50235压力管道规范系列工艺管道设计标准，适用于石化行业GB/T20801ASME B

31.3压力管道安全技术监察规程电力管道标准，适用于发电厂TSG D0001ASME B

31.1天然气输送管道标准ASME B

31.8规范对设计安全性的保障作用液体输送管道标准ASME B

31.4提供统一的技术要求和计算方法•确保设计过程有据可依•压力管道主要设计参数关键设计参数其他重要参数设计压力管道系统需要承受的最大流体介质决定材料选择和防腐要求P工作压力，通常比正常工作压力高出一流量影响管径选择和压力损失计算Q定裕度设计温度管道系统需要承受的最高T壁厚根据设计压力、直径和材料允t和最低工作温度，影响材料选择和应力许应力计算分析管道等级综合反映管道的压力、温度公称直径管道的标称尺寸，与实DN和材质要求际内径有一定差异第二章压力管道材料与规格管材分类管道尺寸与规格无缝管公称直径NPS美制管道尺寸标示方法，以英寸为单位公称直径DN公制管道尺寸标示方法，以毫米为单位通过热轧、冷拔或挤压成型，无焊缝，强度高，适用于高压高温场合壁厚等级按照壁厚划分，如Sch

40、Sch80等焊接管钢板卷制后焊接而成，成本较低，大直径管道常用此类型合金钢管添加合金元素提高特性，如耐热钢、不锈钢、耐酸钢等管道壁厚计算公式（）ASME B

31.3基本壁厚计算公式计算示例某石化装置工艺管道，工况如下设计压力•

4.2MPa设计温度•350°C其中材料•A106Gr.B管道壁厚•t-mm公称直径外径•DN

200219.1mm设计压力•P-MPa计算管道外径•D-mm设计温度下允许应力•S=91MPa材料在设计温度下的允许应力•S-MPa焊接接头系数（无缝管）•E=

1.0焊接接头系数•E-温度系数•Y=

0.4弯头减弱系数•W-代入公式温度系数t=

4.9mm•Y-考虑腐蚀裕量，最终壁厚选择标准壁厚2mm8mm管道材料性能指标机械性能高温性能与腐蚀抵抗抗拉强度材料在拉伸作用下破坏前的最大应力蠕变性能在高温持续应力下的变形抵抗能力屈服强度材料产生永久变形的临界应力耐腐蚀性能抵抗化学、电化学作用的能力韧性材料吸收能量并在破坏前发生塑性变形的能力硬度材料抵抗局部变形的能力疲劳强度材料在循环载荷下的抗力材料选择案例分析某高温蒸汽管道（温度550°C，压力12MPa）材料选择第三章压力管道应力分析基础应力来源内压应力由管内流体压力引起，包括环向应力和轴向应力热应力由温度变化导致的热膨胀或收缩引起，受约束程度影响重力应力由管道自重、内容物重量、绝热层重量等引起偶发应力由地震、风载荷、水锤效应等非常规工况引起持续应力与偶发应力区别持续应力偶发应力长期存在，如内压、重力应力短期出现，如地震、风载应力••可能导致塑性变形或蠕变可能导致即时失效••允许应力限值较低•应力分析的重要性应力分析的三大意义保障管道长期安全运行通过分析各种工况下的应力分布，确保应力水平在允许范围内，防止管道过早失效避免疲劳破坏和灾难性事故识别应力集中区域，预防疲劳裂纹和突发性破坏，确保系统整体安全失效案例某石化装置高温管道在投产后个月发生泄漏，原因是支撑布置不合理3导致热应力集中，最终引发疲劳破坏经济设计，节约材料成本合理布置支撑和管道路由，降低应力水平，减少材料用量，优化管道系统应力分布示意图内压应力分布热应力分布管道内压产生的环向应力是主要应力来温度变化引起的热应力与约束条件密切源，其数值为相关其中其中•σt-热应力MPa•σh-环向应力MPa弹性模量•E-MPa内压•P-MPa线膨胀系数•α-1/°C管道外径•D-mm•ΔT-温度变化°C壁厚•t-mm第四章管道支撑与固定设计支撑类型吊架从上方支撑管道，可以是刚性吊架或弹簧吊架滑动支座允许管道在水平方向移动，承担垂直载荷固定支座限制管道所有方向的位移，转移载荷至结构支撑布置原则

1.支撑间距应满足管道强度和挠度要求

2.考虑管道热膨胀，避免过度约束

3.避免支撑与其他设备、管道冲突

4.考虑维修和检查的可操作性

5.特殊点位（如阀门、法兰）需增设支撑支撑间距计算水平直管支撑最大间距计算公式支撑设计案例碳钢管与不锈钢管支撑摩擦系数对比支撑位置对管道应力的影响分析某高温蒸汽管道案例DN300支撑材料碳钢管摩擦系数不锈钢管摩擦系数原设计支撑间距，最大应力•6m142MPa碳钢滑板

0.

300.25优化方案调整关键弯头附近支撑，最大应力降至•1118MPa铁氟龙滑板

0.

150.10•优化方案2增加弹簧吊架，最大应力进一步降至92MPa滚动支撑

0.

050.05摩擦系数影响管道热膨胀时的运动阻力，对系统应力有显著影响低摩擦系数的支撑可以减小热膨胀阻力，降低管系统应力第五章载荷种类与组合静载荷动载荷管道自重地震载荷包括管道、保温层、附件重量地震引起的加速度作用介质压力风载荷管道内部流体压力作用风压对管道的作用力热膨胀载荷水锤载荷温度变化引起的应力流体突然停止引起的冲击载荷组合原则规定的主要载荷组合ASME B

31.3持续载荷组合压力重力其他持续性外部载荷++偶然载荷组合持续载荷地震风载其他偶然载荷+//位移应力范围热膨胀锚点位移其他循环位移++载荷计算标准地震载荷计算（SI-413）风载荷计算（SI-414）风载荷计算公式其中•F-风载荷N•q-风压Pa•Cf-阻力系数•A-受风面积m²交通及土壤载荷埋地管道需考虑土壤压力和交通载荷•土壤压力与埋深、土壤类型相关•交通载荷通常按ASCE指南计算第六章管道设计软件应用——简介CAESAR II软件功能与应用范围模型建立流程是全球应用最广泛的管道应力分确定管道系统边界CAESAR II

1.析软件之一，主要功能包括收集几何数据与材料信息

2.建立节点坐标系统静态应力分析（热膨胀、重力、压力）

3.•定义管段属性（直径、壁厚、材料）动态分析（地震、风载、谐振）

4.•添加弯头、三通、异径管等元件疲劳分析与寿命评估

5.••法规符合性校核（ASME B31系列）

6.设置支撑与约束定义载荷工况支撑设计与优化

7.•执行分析与结果评估详细报告生成

8.•载荷输入与边界条件设置中的约束类型CAESAR II常用约束类型约束参数设置刚度定义约束的弹性特性，单位为N/mm约束符号约束类型自由度限制间隙支撑与管道之间的初始距离单向向上支撑限制方向位移+Y-Y摩擦系数滑动支撑的摩擦特性冷热位移冷态和热态下支撑的位置调整锚固点限制所有平动和转ANC动约束对管道应力的影响导向支撑限制和方向平GUI±X±Z约束布置的原则动提供足够支撑，防止过大挠度

1.限位支撑限制某方向的最大LIM允许热膨胀，避免过约束

2.位移控制管道运动方向，引导膨胀

3.弹簧吊架提供可变支撑力PSP静态分析实操演示CAESAR II结果查看与问题诊断载荷工况设置运行静态分析建模步骤

1.定义基本载荷工况（重力、压力、温度）

1.查看应力摘要报告，识别超标点

2.启动，创建新项目

1.CAESAR II设置操作工况（正常运行、启动、停车等）

2.检查位移报告，确认膨胀方向合理性

3.设置单位制和分析规范（如）

2.ASME B

31.3添加偶发工况（地震、风载等）

3.查看支撑载荷，确认支撑设计合理性

4.输入节点坐标（可通过表格或图形界面）

3.定义载荷组合（按规范要求）

4.对超标点进行优化（调整支撑、修改布置等）

5.定义管段属性（直径、壁厚、材料、温度、压

4.设置设备接口载荷限值

5.生成静态分析报告

6.力）添加弯头、三通等元件

5.设置支撑和约束条件

6.第七章管道设计图纸解读主要图纸类型图纸中的符号与标注管道等级符号如P-CS150-A表示碳钢材质、150lb压力等级PFD（工艺流程图）的工艺管道展示工艺流程的主要设备和流向，不包含详细的控制元件流向箭头指示介质流动方向仪表符号表示温度、压力、流量等测量点阀门符号表示不同类型的阀门及其功能标高标注表示管道或设备的垂直位置PID（管道仪表流程图）尺寸链表示管道的水平和垂直距离详细展示管道、设备、仪表、阀门等元件及其连接关系等轴测图三维视图展示管道实际布置，包含尺寸和支撑信息设计参数的提取与核对设计人员需要从图纸中准确提取以下关键信息

1.管道规格（尺寸、壁厚、材料）

2.设计温度和压力

3.流体介质特性

4.连接设备的边界条件（工艺流程图）详解PFDPFD的主要组成元素PFD的应用主要设备反应器、塔器、换热器、泵等是压力管道设计的基础文件，主要用于PFD主要管线工艺流程的主干线路了解整体工艺流程和原理

1.流体参数温度、压力、流量、组成等确定主要设备之间的连接关系

2.设备编号每个设备的唯一标识获取基本的工艺参数（温度、压力等）

3.物料平衡数据各流程点的物料信息为和详细设计提供基础

4.PID进行初步的设备布置规划

5.设计依据与流程控制点中还包含以下重要信息PFD设计依据适用的设计规范和标准流程控制点关键的监测和控制位置工艺说明特殊工艺要求和注意事项操作条件正常、最大、最小工况参数（管道仪表流程图）详解PID仪表与控制阀门符号过程控制逻辑使用标准化符号表示各类仪表和控制元展示了自动控制系统的逻辑关系PID PID件控制回路的输入和输出信号•圆形指示仪表（温度、压力、流量等）联锁保护系统的触发条件•报警系统的设定值•菱形控制阀（调节阀、切断阀等）失效保护模式（如开关失效）•/方形计算机或控制单元PLC安全装置布置六边形分析仪器中的安全装置包括仪表符号中的字母表示测量和控制的参数类PID型安全阀和爆破片••T-温度，P-压力，F-流量•紧急切断系统•L-液位，A-分析，S-速度•泄压和排放系统•I-指示，C-控制，R-记录•消防和灭火系统等轴测图与支吊架布置等轴测图的特点管道走向与尺寸标注等轴测图是一种三维表示方式，具有以下特点等轴测图中的尺寸标注通常包括•按照30°角投影，直观表示三维空间•管道中心线的绝对坐标•保持长度比例，便于尺寸标注•相对于参考点的偏移距离•详细展示管道的实际布置和连接•管道的长度和高度变化•包含焊缝、法兰等详细连接信息•弯头和支管的角度•标注支吊架位置和类型•标高和方向标识支吊架位置与类型等轴测图中的支吊架信息包括•支吊架的类型符号（如弹簧吊架、滑动支座等）•支吊架的位置坐标•荷载数据和调整参数•冷热态的位移量•特殊要求和注意事项施工指导意义等轴测图是施工现场的重要指导文件，可以

1.指导管道的预制和安装

2.确定支吊架的准确位置

3.提供焊接和检测的详细信息第八章压力管道设计中的安全与风险管理设计中的安全裕度壁厚裕度额外壁厚=腐蚀裕度+制造裕度强度裕度安全系数=材料极限强度/设计应力温度裕度设计温度=操作温度+温度裕度常见失效模式及预防腐蚀失效选择耐腐蚀材料，添加腐蚀裕度案例分析某化工厂管道爆裂事故事故概况设计缺陷与应力集中某化工厂在运行年后，高温蒸汽管道发事故调查发现以下设计问题2生爆裂，导致人重伤，直接经济损失约2弯头附近的固定支座限制了热膨胀•万元事故管道为合金500DN200P22支撑间距过大，造成局部挠度过大钢，设计温度，设计压力•540°C未考虑启停过程中的温度瞬变12MPa•应力分析中未正确模拟边界条件事故原因剖析•未考虑焊接残余应力的影响•直接原因管道在弯头处发生严重的应改进措施与教训总结力腐蚀开裂技术原因支撑布置不合理，热膨胀受重新设计支撑系统，采用弹簧吊架

1.限，产生过大应力增加热位移测量点，监控膨胀情况

2.管理原因设计审核不严格，支撑定位强化启停过程中的温度控制

3.误差完善应力分析方法，考虑全工况

4.根本原因对高温管道热膨胀特性认识不足第九章管道设计中的经济性与优化材料节约与成本控制支撑优化设计管道系统的材料成本是总成本的主要组成部合理的支撑设计可以分，优化方向包括减少支撑数量，降低材料和安装成本•管道直径优化根据流体流量和允许压降，优化支撑类型，选择最经济的支撑形式•选择最经济的管径标准化支撑设计，提高制造效率•材料选择优化在满足安全要求的前提下，减小支撑对结构的载荷要求•选择成本较低的材料设计变更与系统重分析壁厚优化根据具体工况精确计算壁厚，避免过厚设计变更是项目执行中不可避免的过程，需减少特殊材料使用仅在必要部位使用特殊要合金材料评估变更对整体系统的影响•确定最小改动范围，控制变更成本•重新进行必要的分析和校核•第十章未来趋势与新技术智能管道监测技术新材料与复合管道新型管道材料不断涌现，为设计提供更多选择高强度低合金钢提高强重比，减轻重量玻璃纤维增强塑料耐腐蚀，安装简便复合层状管道内层防腐，外层承压纳米涂层技术改善表面性能，延长寿命BIM与数字化设计应用数字化技术正在变革传统设计方法三维协同设计多专业实时协作碰撞检测自动识别空间干涉参数化设计快速调整和优化方案新一代管道监测技术正在改变传统的管道管理方式培训总结与知识回顾设计流程关键点回顾应力分析与支撑设计重点正确识别各类载荷及其组合•设计基础数据收集理解热膨胀特性及其影响•确保工艺参数、边界条件准确完整合理布置支撑，平衡刚性与灵活性•掌握规范中的应力限值要求•学会分析结果解释和优化设计材料与规格选择•软件应用与图纸解读技巧根据压力温度和介质选择合适材料熟练使用建模和分析•CAESAR II路由规划与支撑设计掌握、的符号和含义•PFD PID准确理解等轴测图的尺寸和布置•考虑热膨胀和空间布置需求学会识别图纸中的关键设计信息•应力分析与校核验证设计满足规范要求互动环节设计问题讨论与答疑典型设计难点解析123高温管道设计振动管道设计地下管道设计难点热膨胀大，材料强度随温度降低难点振动可能导致疲劳失效和连接松动难点土壤载荷，腐蚀环境，检修困难解决方案合理设置膨胀弯，使用弹簧吊架，选择耐热材料，控制解决方案避开谐振频率，增加阻尼，使用柔性连接，增强支撑刚解决方案增加壁厚，采用外防腐层，设置检修井，埋设标识带应力水平度学员提问与案例分享问题1如何解决大温差工况下的设备接口过载问题？问题2复杂管网的应力分析模型如何简化？回答可采用以下策略回答简化策略包括•在管道上设计膨胀弯或补偿器•确定合理的系统边界和等效约束•优化支撑系统，引导热膨胀方向•对非关键支管使用简化模型•必要时使用柔性连接或金属软管•分段分析大型管网系统•分析设备接口允许载荷，确保不超限课后学习资源推荐规范标准下载链接在线学习平台与社区中国标准网www.standards.org.cn中国工程建设标准化协会www.cecs.org.cn标准官网ASME www.asme.org推荐书籍与软件教程《压力管道工程设计手册》推荐的在线学习资源全面介绍压力管道设计的基本理论和方法中国工程教育网提供工程类专业课程压力容器网行业资讯和技术交流平台《CAESAR II实用教程》管道工程师群组国际交流平台LinkedIn从基础到高级的应用指南CAESAR II工程慕课平台多种专业课程和认证大学官方培训资源HEXAGON CAESARII《管道应力分析技术指南》深入讲解应力分析理论和实践案例致谢与激励感谢您参与本次压力管道设计培训学以致用持续学习希望本次培训的内容能够帮助您管道设计领域技术不断发展，建议您掌握压力管道设计的核心理念保持对新规范和标准的关注••熟悉设计流程和关键技术参与行业交流和技术研讨••提高应用软件的实操能力收集分析典型案例和失效教训••建立安全意识和风险防范思维探索新材料、新工艺的应用••培养工程创新和优化能力提升跨学科知识和综合能力••设计安全可靠的压力管道系统，为工业生产保驾护航，是工程师的责任与荣誉！。