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ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤＥＳＩＧＮ化工设计２０２１，３１（５）
管道位移应力与反作用力计算中
温度变化范围取值的探讨
康晟峰
?
孙行之 中石化上海工程公司 上海 ２００１２０
摘要
在管道应力计算中，管道位移应力与反作用力是重要的计算结论和设计依据。而温度变化范围是决
定管道位移应力水平和反作用力大小的重要参数。本文主要针对管道位移应力及反作用力计算中对温度范围取
值的区别，及在最苛刻工况下温度范围的取值进行阐述，同时结合ＣＡＥＳＡＲＩＩ软件对所论述的结论进行实际应
用。
关键词
应力计算 温度范围 位移应力 反作用力 ＣＡＥＳＡＲＩＩ
１ 位移应力与反作用力计算中温度取值区别
高金属壁温与最低金属壁温的差值。
对释义（２）中对安装温度的定义则比较模
在管道应力计算中，管道运行时的金属壁温是
糊，考虑到现场管道施工周期较长，安装温度一般
最重要的参数之一，它用于计算管道的热位移、位
取年平均气温。但在实际工程中，一些业主或工程
移应力以及对于动、静设备及支架的反作用力。管
公司对于安装温度有自己的规定，对安装温度的取
道的温度变化范围则决定了管道热位移的大小、位
值往往要求考虑最严苛的情况。位移应力与反作用
移应力水平及反作用力大小。然而对于位移应力和
力及安装温度取值见下文详细阐述。
位移反力来说，二者的温度范围取值是有区别的，
在应力计算中往往被忽略。本文主要阐述评估金属
２ 位移应力与反作应力计算中温度范围取
管道位移应力及反作用力计算中对温度范围取值的
值及在ＣＡＥＳＡＲＩＩ中的运用
区别以及在ＣＡＥＳＡＲＩＩ中的实际运用。
在管道安装温度ＴＩ取年平均气温情况下，管
关于管道温度范围，在ＡＳＭＥＢ３１?３章节
道位移应力和反作用力温度取值范围如表１、表２
３１９?３?１中有两个定义，释义如下：
所示（相关符号说明见文末）：
（１）定义了位移应力计算中温度取值的范围，
表１ 管道位移应力计算中温度取值范围（ＴＩ取年平均气温）
主要强调了在计算管道位移应力时，温度变化的取
温度管道位移应力位移应力温度
值范围是金属最大温度和最低温度的代数差值。
条件温度取值范围取值范围图表
（２）定义了由于热位移引起的反作用力（包
括支架载荷，管口载荷），主要强调了管道安装温
工况１
Ｔｄ＞Ｔｄ－
ＴａｍａｘＴａｍｉｎ
度这个概念，即管道最高（最低）温度与安装温
度之间的代数差值用以评估管道对支架或设备的反
作用力。
工况２
Ｔｄ＜Ｔｄ－
ＴａｍｉｎＴａｍａｘ－
释义（１）中的最大热位移应力的计算，对于
高温热管道而言，温度变化范围的取值应该是管道
工况３
Ｔａｍｉｎ＜Ｔａｍａｘ－
最大金属壁温与年最低环境温度的差值；对于低温
Ｔｄ＜ＴａｍａｘＴａｍｉｎ
冷管道而言，温度变化范围的取值应该是管道最低
金属壁温与年最高环境温度的差值。对于同时存在
工况４
高温、低温Ｔｄｍａｘ－
双工况管道Ｔｄｍｉｎ
热工况和冷工况的管道，温度变化范围则为管道最
?
康晟峰：工程师。２００８毕业于上海理工大学机械设计制造及其自动化专业。从事工程设计管道应力分析工作。联系电话（０２１）
５８３６６６００－２６６５，Ｅ－ｍａｉｌ：ｋａｎｇｃｈｅｎｇｆｅｎｇ?ｓｓｅｃ＠ｓｉｎｏｐｅｃ?ｃｏｍ。
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２０２１，３１（５）康晟峰等 管道位移应力与反作用力计算中温度变化范围取值的探讨
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１
表２ 管道反作用力计算中温度取值范围
（ＴＩ取年平均气温）
温度
管道最大反
条件
作用力温度
反作用力温度
取值范围
取值范围图表
工况１Ｔｄ＞ＴａｍａｘＴｄ－ＴＩ
工况２Ｔｄ＜ＴａｍｉｎＴｄ－ＴＩ
工况３
Ｔａｍｉｎ＜ＴｄＴｄｍａｘ－ＴＩ
＜Ｔａｍａｘ或ＴＩ－Ｔｄｍｉｎ
?
高温、
工况４低温双工
Ｔｄｍａｘ－ＴＩ
况管道
或ＴＩ－Ｔｄｍｉｎ
?
注：对于表２中工况３，４的管道最大反作用力温度范围，需要比
较两种情况然后取最大的苛刻值。
对于表１、２中的工况１，在ＣＡＥＳＡＲＩＩ工况编
辑器中表述如下：
ＤｅｆｉｎｉｔｏｎＮａｍｅＳｔｒｅｓｓｔｙｐｅ
Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ
Ｍｅｔｈｏｄ
Ｌ１Ｗ＋Ｔ１＋Ｐ１Ｔ１＝ＴｄＯＰＥ
Ｌ２Ｗ＋Ｔ２＋Ｐ１
Ｔ２＝Ｔａｍｉｎ
（环境最低气温）
ＯＰＥ
Ｌ３Ｗ＋Ｐ１ＳＵＳ
Ｌ４Ｌ１－Ｌ３
管道最大反
作用力范围
ＥＸＰＡｌｇｅｂｒａｉｃ
Ｌ５Ｌ２－Ｌ３ＥＸＰＡｌｇｅｂｒａｉｃ
Ｌ６Ｌ４＋Ｌ５
管道最大
位移应力范围
ＥＸＰＡｂｓ
对于表１、２中的工况２，在ＣＡＥＳＡＲＩＩ工况编
辑器中表述如下：
ＤｅｆｉｎｉｔｏｎＮａｍｅＳｔｒｅｓｓｔｙｐｅ
Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ
Ｍｅｔｈｏｄ
Ｌ１Ｗ＋Ｔ１＋Ｐ１Ｔ１＝ＴｄＯＰＥ
Ｌ２Ｗ＋Ｔ２＋Ｐ１
Ｔ２＝Ｔａｍａｘ
（环境最高气温）
ＯＰＥ
Ｌ３Ｗ＋Ｐ１ＳＵＳ
Ｌ４Ｌ１－Ｌ３
管道最大
反作用力范围
ＥＸＰＡｌｇｅｂｒａｉｃ
Ｌ５Ｌ２－Ｌ３ＥＸＰＡｌｇｅｂｒａｉｃ
Ｌ６Ｌ４＋Ｌ５
管道最大位移
应力范围
ＥＸＰＡｂｓ
对于表１、２中的工况３，在ＣＡＥＳＡＲＩＩ工况编
辑器中表述如下：
ＤｅｆｉｎｉｔｏｎＮａｍｅＳｔｒｅｓｓｔｙｐｅ
Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ
Ｍｅｔｈｏｄ
Ｌ１Ｗ＋Ｔ１＋Ｐ１Ｔ１＝ＴｄＯＰＥ
Ｌ２Ｗ＋Ｔ２＋Ｐ１
Ｔ２＝Ｔａｍａｘ
（环境最高气温）
ＯＰＥ
Ｌ３Ｗ＋Ｔ３＋Ｐ１
Ｔ３＝Ｔａｍｉｎ
（环境最低气温）
Ｌ４Ｗ＋Ｐ１ＳＵＳ
Ｌ５Ｌ１－Ｌ４ＥＸＰＡｌｇｅｂｒａｉｃ
Ｌ６Ｌ２－Ｌ４ＥＸＰＡｌｇｅｂｒａｉｃ
Ｌ７Ｌ３－Ｌ４ＥＸＰＡｌｇｅｂｒａｉｃ
Ｌ８Ｌ６＋Ｌ７
管道最大位移
应力范围
ＥＸＰＡｂｓ
Ｌ９Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７
管道最大
反作用力范围
ＥＸＰＭａｘ
对于表１、２中的工况４，在ＣＡＥＳＡＲＩＩ工况编
辑器中表述如下：
ＤｅｆｉｎｉｔｏｎＮａｍｅＳｔｒｅｓｓｔｙｐｅ
Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ
Ｍｅｔｈｏｄ
Ｌ１Ｗ＋Ｔ１＋Ｐ１
Ｔ１＝Ｔｄｍａｘ
（最高金属壁温）
ＯＰＥ
Ｌ２Ｗ＋Ｔ２＋Ｐ１
Ｔ２＝Ｔｄｍｉｎ
（最低金属壁温）
ＯＰＥ
Ｌ３Ｗ＋Ｐ１ＳＵＳ
Ｌ４Ｌ１－Ｌ３Ｔｄｍａｘ－ＴＩＥＸＰＡｌｇｅｂｒａｉｃ
Ｌ５Ｌ２－Ｌ３Ｔｄｍｉｎ－ＴＩＥＸＰＡｌｇｅｂｒａｉｃ
Ｌ６Ｌ４＋Ｌ５
管道最大位移
应力范围
ＥＸＰＡｂｓ
Ｌ７Ｌ４，Ｌ５
管道最大反
作用力范围
ＥＸＰＭａｘ
当安装温度ＴＩ的取值需要考虑最严苛的环境
温度工况时，即管道在最高环境温度或最低环境温
度完成安装时，位移应力温度取值范围参见表１，
而管道安装温度取值及反作用力温度取值范围则见
表３、表４。
表３ 管道安装温度取值
温度条件管道安装温度ＴＩ取值
工况１Ｔｄ＞ＴａｍａｘＴＩ＝Ｔａｍｉｎ
工况２Ｔｄ＜ＴａｍｉｎＴＩ＝Ｔａｍａｘ
管道安装完毕时对应的极端环境气温
工况３
Ｔａｍｉｎ＜Ｔａｍａｘ或Ｔａｍｉｎ；考虑最苛刻情况时，应
Ｔｄ＜Ｔａｍａｘ该选用Ｔａｍａｘ和Ｔａｍｉｎ中与Ｔｄ差值较
大者作为安装温度
工况４
高温、低温管道热工况：ＴＩ＝Ｔａｍｉｎ
双工况管道管道冷工况：ＴＩ＝Ｔａｍａｘ
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ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤＥＳＩＧＮ化工设计２０２１，３１（５）
表４ 管道反作用力计算中温度取值范围
的环境气温下升温或降温达到最大或最低金属壁
（ＴＩ取最严苛环境温度）
温，或者从低温工况转变为高温工况时产生的最大
应力范围。计算因温度变化引起的反作用力则关系
温度条件
管道反作用力反作用力温度
温度范围范围图表
到支架及管道连接的动静设备的安全，而最苛刻的
工况则是考虑管道在极端环境气温下完成安装连
工况１Ｔｄ＞ＴａｍａｘＴｄ－Ｔａｍｉｎ
接，用以计算出最大温差带来的最保守的支架及设
备的反作用力。
工况２Ｔｄ＜ＴａｍｉｎＴｄ－Ｔａｍａｘ
管道金属壁温变化引起的位移应力和管道反作
管道安装完毕
用力两者有联系但计算方法又有不同，特别是对于
时，环境温度为
一些需要应力计算但操作温度较低的管道，不同的
工况３
Ｔａｍｉｎ＜
Ｔａｍａｘ：Ｔｄ－
Ｔｄ＜Ｔａｍａｘ
Ｔａｍａｘ管道安
安装温度及位移应力温度范围取值对计算结果有着
装完毕时，环境
温度为Ｔａｍｉｎ：
较大的影响。
Ｔｄ－Ｔａｍｉｎ
符 号 说 明
管道热工况：
Ｔｄ－管道金属壁温（最大操作温度）
工况４
高温、低温Ｔｄｍａｘ－Ｔａｍｉｎ
双工况管道管道冷工况：
Ｔｄｍａｘ－管道最高金属壁温
Ｔｄｍｉｎ－Ｔａｍａｘ
Ｔｄｍｉｎ－管道最低金属壁温
Ｔａ－年平均环境温度
由于ＣＡＥＳＡＲＩＩ对单个计算模型无法同时设
Ｔａｍａｘ－年最高环境温度
置２个不同的安装温度，对于上述表４工况３、４
Ｔａｍｉｎ－年最低环境温度
的情况，需要在不同安装温度取值下进行两次计
ＴＩ－管道安装温度
算，然后进行比较，挑选出最极端的工况。
参 考 文 献
３ 结语
１ 唐永进．压力管道应力分析（第二版）［Ｍ］．中国石化出
版社
在管道应力计算中，计算评估管道的应力水平
２ ＡＳＭＥＢ３１?３ＰｒｏｃｅｓｓＰｉｐｉｎｇ，ＡＳＭＥＣｏｄｅｆｏｒＰｒｅｓｓｕｒｅＰｉｐｉｎｇ，
关系到管道本体的安全。在实际工程中，对于位移
Ｂ３１［Ｓ］．
应力最大范围的计算是考虑管道从极端寒冷或炎热
（收稿日期 ２０２１－０５－１３）
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
（上接第１７页）
（１）铝合金与奥氏体不锈钢常用于空分装置
参 考 文 献
的低温管道。
１ 周志雄，魏 蔚，汪荣顺．阻燃型高真空多层绝热采料性
（２）装置冷箱内管道采用珠光砂保冷；冷箱
能的实验研究［Ｊ］．低温与超导，２００６，３４（６）：４２８－
内不锈钢管道与铝合金管道可采用惯性摩擦焊制作
４３１．
２ 卢杰红，曲文卿，张 雷．铝合金与不锈钢的连接技术
的铝合金／不锈钢异种金属接头连接。
［Ｊ］．航空制造技术，２００８，１３：８１－８３．
（３）冷箱外低温管道采用Ｓ３０４０８制作成的真
３ 文恒玉，李佩琪，丁煜瀚．惯性摩擦焊研究现状［Ｊ］．热
空绝热管道保冷，相比于法兰连接方式，焊接连接
加工工艺，２０１９，４８（１９）：６－１０．
方式可大幅度降低真空绝热管道管接头漏热量。
４ 高振平．液氧液氮输送管道设计选型探讨［Ｊ］．深冷技
（４）真空绝热管道的布置与管道支架的选用
术，１９９４，２：１２－１４．
５ Ｂｒｏｗｎ；ＳｔａｎｌｅｙＭ，Ｄｕｒａｎｔｅ；ＶｉｎｃｅｎｔＡ，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔ
均需要供货商提供产品参数方能最终确认。空分装
４，４９３，９０２，Ｊａｎｕａｒｙ１５，１９８５［Ｐ］．
置设备就位后，须对真空绝热管线重新测绘，以保
６ 康志远，林 洁．真空多层绝热管道技术现状［Ｊ］．机电
障真空绝热管道工厂预制的精准性。
产品开发与创新，２００２，３１（２）：１７－１９．
（收稿日期 ２０２１－０４－０９）
.. All Rights Reserved.
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管道,温度,应力
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