Piping Stress Hand Book 4 Mar 08 PDF

Preview

Summary

PRACTICAL PIPING STRESS HANDBOOK Piya Kittitanesuan, B.Eng., Mech. (  ) Piping Engineer Pöyry Energy Ltd Bangkok, Thailand First Issued : January 1998 Last Update : February 2008 1 ่ ู  ตต  ํ  อ อ อ ( ) ํ ํ  ออ ออ ํ ค ค 2534 ล ํ  ( ค อ ล) ล . .2538 ํ (Piping Experiences) 1995-2000 (over 4 yea...

Description

PRACTICAL

PIPING STRESS HANDBOOK Piya Kittitanesuan, B.Eng., Mech. ) (  Piping Engineer Pöyry Energy Ltd Bangkok, Thailand

First Issued : Last Update :

January 1998 February 2008

1

่



อ ออ 2534

ตต ( ล ล

ํ

) ํ

ํ

 ํ

ํ 

  (

ออ

ู

อ อ ค ค ค อ ล)

. .2538

ํ

(Piping Experiences) 1995-2000 (over 4 years) Foster Wheeler International Corp. 2000-2002 (2 years) Toyo Engineering Ltd. 2002-2003 (1 year) NKK Engineering Ltd. 2003-2004 (6 month) Pro-En Technologies Ltd. 2004-2005 (1year 8 month) Chevron Offshore (Thailand) Ltd. 2005-Present Pöyry Energy Ltd.

2

ญ คํ คํ

ํ ํ

Page i ii

 (Vocabulary) ่ 1 Basic Piping Stress Analysis ล 1.1 Basic Piping Stress Analysis 1.2 Basic Stress Quantities 1.3 Code Compliance Basics 1.4 Code Stress Allowable 1.5 Checking Step for Stress Analysis 1.6 Piping Stress Analysis Method

ช

CAESAR II

1

่ 2 Static Analysis 2.1 Linear and Non-Linear Equation 2.2 CAESAR II Type Support 2.3 Linear and Non-Linear Restraint 2.4 Static Analysis

x

่ 3 Piping on Rack 3.1 Pipe Rack Design for Process Plants 3.2 Piping Layout on Pipe Rack 3.3 How to design pipe support for lines on pipe rack 3.4 How to design expansion loop

x

่ 4 Pipe Support Design 4.1 Introduction to pipe support design 4.2 Guideline for shoe selection 4.3 Guideline for Pipe Support 4.4 Minimum Leg Required 4.5 Pipe Support around Equipment

x

่ 5 Spring Hanger Design 5.1 Variable Spring Hanger 5.2 Constant Spring Hanger 5.3 Spring Function 5.4 When install spring support

x

่ 6 Jacket Pipe - How to model and analysis jacket pipe - Model jacket pipe by equivalent method - Minimum leg require for jacket pipe - Critical Buckling Force for Jacket pipe

x

่ 7 Dynamic - Introduction of Dynamic Theory - Characteristics of Dynamic Load - Dynamic analysis for reciprocating compressor line - How to solve static and dynamic problem - Impact load analysis - Water Hammer - Wind Load

x

3

่ 8 Seismic Analysis - Seismic code - Using CAESAR II for seismic analysis - How to set up Caesar II for seismic load - Caesar II load case to be analyzed for seismic load - How to design pipe support for seismic load - How to reduce seismic load and stress

x

่ 9 Stress Analysis for Underground Piping

x

่ 10 ค งส  ง file อง Program CAESAR II ล ค file อ CAESAR II ล ค ค ํ อ CAESAR - Unit file ลค ค ล อ

x

่ 11 3D CAD and CAESAR II - Introduction to PDMS 3D and STRESS -C STRESS-C ล ล (neutral file) ํ ํ neutral file piping input file - Introduction to PDS and PD-Stress

x CAESAR II

่ 12 CAESAR II Structural Model - How to use CAESAR II model the structure - How to include structure model to piping model

x

่ 13 How to develop online piping calculation on web site - Develop web programming for online calculation - pipe wall thickness - maximum pipe span - pipe branch reinforcement - pressure drop calculation - trunnion arm loading calculation - flange leakage calculation - cantilever bracket calculation

x

อ อ อ (REFERENCES) APPENDIX A: Equipment Allowable Nozzle Loads APPENDIX B: CODE stress APPENDIX C: Stress Analysis Check List APPENDIX D: CAESAR II Load Case to be Analysed APPENDIX E: Pipe Span Calculation APPENDIX F: Piping Program develop by using Visual Basic APPENDIX G: How to include piping input file APPENDIX H: Hot Sustain and Cold Sustained Stress APPENDIX I: Unix and Apache Server, PHP, Mysql Database and PHPMyadmin

x x x x x x x x x x

4

คํ ํ

ออ ํ

อ

ล ค

อล  ญ ค ค

ล . 2538 (Piping Engineering) อ Piping Stress Analysis ล ญ อ  ญ ํ อ อ Piping Stress อ อ ค อ

ค 

อ

อ ล ํ

ค

อ

ล

ค

อ

ํ 

ล

ํ

ํ ญ

ค



อ

1

ล อ อ

อ

อ

ค ล ล ค ค อ อ  อ ค  ค ค piping stress analysis อ CAESAR II อ ล ล ล ํ คอ อ อ ลอ ลอ

ค ญ

 อ

ํ

อ อ 



ค 

ลล

อ 

อล ํ ล ล ค อ ล อ อ อ  อ ค ค อ   ล ล  ลอ piping engineering ล  ล อ  อ Mr.John M Nedovich, Mr. David Maloney, Mr. Brian Hutchison ล Mr.Steve Holdaway ค อ อ ล อ  ค ํ ล ํ คญ อ อ ค อ ํ อ อ อ ( ) ํ ญ ล .อ ล  ST SA ล SU อ ํ อ  อ ํ  pipingengineer.com ล ล  อ ํ ค อ ค ค ล อ ล ล ญ อ ค อ อ ล ล ญ ญค ล ล คคลอ ล ล อญ 

  2550

5

คํ อ

Anchor B Corrosion Allowance D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

พ  (Vocabulary)

ค

อ

อ อ

6

BASIC PIPING STRESS ล

่1

ช

CAESAR II

By Piya Kittitanesuan (  ตต ) Lead Piping Engineer

Poyry Energy Ltd. (Thailand) (update 29 February 2008) พ ฐ Analysis)

ค

ค

ค

อ (Basic Piping Stress

อ

อ (Operating Temperature) อ (Ambient Temperature) ํ อ อ อ ํ อ ambient ํ อ อ ํ ญ อ อ อ ํ ญ ค ค ออ อ อ อ ค ค อ ค ค ค อ อ code ํ อ ค อ ค  ค ค ค อ อ อ อ (Piping Engineer) อ คํ ล  ํ อ อ(pipe support ) อ อ อ อ line stop, guide อ  nozzle อ อ  (Equipment) อ อ ค ํ ค ออ  คอ ํ ค ล  คํ ค Allowable Forces ล Moments ค ล  คํ อ ค Allowable คํ ค ค อ ค Allowable Load ล อ  อ code อ   pump อ code API 610  steam turbine อ code อ NEMA SM23  Tank ญ อ code API650 ล  code ล ค (project) อ ออ  ค ล ล ํ ล code ล อล อ ออ อ ค ลอ ล อ อ ออ ค (Flexibility) ํ อ อ(Fitting) อ อ ค อ ล ล ล pressure drop อ

1

1.1 BASIC STRESS QUANTITIES อ

ํ

คํ

อ อ ล

stress

ค ต

AXIAL STRESS (ค Axial Stress =

ค

=

)

อ )

Force in Shear Shear Area

BENDING STRESS (ค σ

ญ

Force Area

SHEAR STRESS (ค Shear Stress =

pipe stress อ อ

ค

)

Mc I

M

M- Moment @ cross section c- Distance from neutral axis to outer surface 4 4 I – cross section moment of inertia = Π (do – di ) 64

2

LONGITUDINAL PRESSURE STRESS σPL

= F/A

=

Pd/4t

HOOP PRESSURE STRESS σPH

= F A

ค d อ

=

Pd 2t

 outside diameter

 inside

[ΣF=0]

1 อ

2 F = Pdi L σPH

=

Pdi L 2t L

ล

hoop pressure stress ค ค อ LAME อ

σPH

= Pdi 2t

ํ

ล ํ



= Pri2 + L ri2 ro2 P / r2 ro2 - ri2

r = position thru the thickness

3

1 คอ ํ ค program CAESAR II 4 option ลอ คอ ID, OD, MEAN ล LAMES_EQ อ ค conservative ลอ base hoop stress on  OD ID  ค  อ ญ ค ค อ ํ piping stress analysis CAESAR II ค ค อ TOOL main menu อ CAESAR II Version 5.00 ล Configures/Setup dialog box 1

ํ

1

อ อ อ

อ อ

คํ

diameter

ค

hoop stress

ล

ํ คญ

อ

Longitudinal Stress อ

่

CAESAR II

อ ล

อ

อ

ค

ง อ อ

ญ

longitudinal stress ล

4

คอ bending , axial ค longitudinal stress

คํ

Mc I

+

F A

Bending

ล

+

axial

ล U.S longitudinal stress

pressure อ 

Pd 4t pressure

Code

ํ

ASME B31.3 stress Stress combine stress  ค ค ล ค ํ B31.1 Sustained Stress อ  ล ค ค

Mc I

+

Bending ASME Code ํ ล

ค

ค ค

Sustained ค อ ค ค ค 

Pd 4t pressure

อ

Sustained Load ล อ ค อ longitudinal stress คอ ค ค Sustained load อ  Sustained Stress (SL)

ล อ

1.3 CODE COMPLIANCE BASICS : ASME CODE

ํ

อ

1. Sustained ( or Primary ) Stress Failure 2. Expansion (or Secondary ) Stress Failure ล

ล

อ 5

ล ่  PRIMARY STRESS 1. primary stress ล rupture.

plastic deformation

2

ญ อ ํ (weight) ล ค (pressure) Allowable limits ํ sustained stresses  ค yield stress อ material 3. อ อ ล อ อ ล อ (fatigue) 4. cyclic 2.

ล 1.

่  SECONDARY STRESS อ อ อ อ (thermal expansion) 2. อ crack  อ อ อ อ

ล

ล อ

ล

อ

3

ล

(wind),

อง OCCASIONAL STRESS อ ค ค อ อ  (earthquakes),

อ อ ํ

อ steam

อ

ล

6

water hammer, Pressure Safety Valve (PSV)  อ อ อ ํ ออ อ ํ อ ํ ออ ล ค

ํ

อ อ

1.4 CODE STRESS ALLOWABLE : ค ค ค อ ล อ ํ  อ อ ํ อ ํ ล  อ อ ล อ ํ อ Power Plant ํ Code B31.1 Process Plant ํ Code B31.3 อ ญ ํ Process Plant ล Power Plant อ อ อ Code B31.1 ล B31.3 code B31.3 ํ Code stress allowable อ THE SUSTAIN ALLOWABLE STRESS คอ อ ค hot yield stress ค ค factor stresses ค ค materials elastic limit operating อ อ design  SL

<

อ

sustained

Sh

SL = Stress อ sustained load Sh = Hot Allowable stress ค 0.666 Sy

อ 0.25 Su

ค Sh

 ค table A-1 ASME B31.3 อ carbon steel A53 Gr.B อ 200 อ  ค Sh = 20000 psi. อ ล  SI 145 2 137.93 N/mm ล 145  ล ล ํ ล อ อ อ ล ล อ 145.037743897 ํ ล ค อ

piping stress package อ อ  B31.1 , B31.3 ค อ

อ  ASME Code ASME

7

THE EXPANSION ALLOWABLE STRESS RANGE ค อ อ อ yield stress ค safety factor , cyclic reduction factor ล ค mean stress total stress range ( expansion sustained) set อ อ yield stress SA = f ( 1.25 Sc + 1.25 Sh – SL ) SA f Sc Sh SL ค f อ code B31.1-2004 f = 1.0 f = 0.9 f = 0.8 f = 0.7 f = 0.6 f = 0.5

= Allowable Displacement Stress Range = Cyclic reduction factor for fatigue from Table 302.3.5 (B31.3 edition 2002) = Cold allowable stress = Hot allowable stress = Longitudinal Stress ํ table ํ ํ ํ ํ ํ ํ

อ ค อ อ 102.3.2 7000 อ อ ํ 7000 – 14000 อ 14000 – 22000 อ 22000 – 45000 อ 45000 – 100000 อ 100000 อ

ํ

B31.3-2002 ค table 302.3.5 B31.1 อ Edition B31.3-2004 ล  plot graph Fig. 302.3.5 B31.3 Edition 2004 ค f 1 คอ  อ ํ อ ํ Ferrous material ค minimum tensile strength อ 75000 psi (517 MPa) ล อ ออ อ 371 อ ล

8

4ค f

ASME Code B31.3 Edition 2004

ญ ล 7000 อ ค อ อ relief valve ค อ ล ํ อ shut down ค

อ อ

ออ อ อ relief valves อ ค อ อ operating condition อ อ  1 อ ค อ

ํ

อ operate

อ THE OCCASIONAL STRESS คอ stress  ค ค อ อ อ (seismic ) wind load, water hammer ล อ ค อ อ ล อ ค  อ อ ล อ 7 Allowable stress ํ ASME Code ํ ค Sh 10 30 % อ 1.1Sh – 1.33Sh อ code ออ B31.1 1.15Sh -1.2 Sh B31.3 1.3 Sh  B31.1 Power Piping คอ safety factor B31.3 Process Piping

9

1.5

ตอ

Check Piping Stress

อ

อ ค

อ

1. คํ sustained stress (SL) คอ weight ล pressure 2. คํ expansion stress (SE) อ อ 3. Sustained Stress คํ stress : Sh SL อ อ Sh 4. Expansion Stress (SE) คํ allowable a. B31.3 SA = f (1.25Sc + 0.25Sh) SL อ Sh ค SA

อ

อ

primary load ค อ1

allowable อ2

ค

___ (B31.3 Eq.1a)

SA = f (1.25Sc + 1.25Sh – SL ) ___ (B31.3 Eq.1b)

SE < f (1.25Sc + 1.25Sh – SL )

b. B31.1 SA = f (1.25Sc + 0.25Sh) _____(B31.1 Eq.1) Sh ค allowable B31.1 อ SL อ  SA + f (Sh - Sc) ค อ  ค SA

SE < SA + f (Sh - Sc)

___ (B31.1 Eq.13b)

อ

 อ 3 SL อ อ Sh อ ค  ํ Code B31.3 CAESAR II report Eq.1b  Eq.1a Code B31.1 Eq.13b  Eq.1 ๋ อ ลอ คํ 5. kSh

occasional load kอ 1.1

stress 1.3

อ

อ

10

ํ

critical อ

อ

 Critical line อ ํ อ ล อ ค  Non critical line ล อ อ  อ อ  critical line อ ล

อ ล

อ

CAESAR II Output Stress Analysis Report CAESAR II ล คํ SL Sh SA อ อ  อ Carbon Steel ASTM A106 Grade B B31.1 ออ stress อ อ ํ Stress Node 40 ล 120 อ อ 1.5

ล SE Code ล

รูปที่ 5 รูปรางหนาตา ตัวอยางระบบทอทั้งระบบ ที่ทาํ การวิเคราะหความยืดหยุน

11

รูปที่ 5 ตัวอยางนี้เนนความสนใจมาที่ node 120 ซึง่ เปนจุดที่เกิด stress สูงสุดสําหรับระบบทอนี้

12

แคเห็นตรงนี้อยานึกวาผานจริงๆนะ มันอาจสับขาหลอกเราได คา Sh คือคาสูงสุดที่ยอมรับได

รูปที่ 6 6 Stress report ล run static analysis ล maximum stress อ sustained load อ node 120 ค 7971.7 lb/sq.in ( อ psi) ค allowable hot stress (Sh) 17100 psi. stress (SL) ค อ (Sh) ค  46.6 % step 3 อ 1.5 ล SL 16000 psi อ อ ล ค report อ ค ํ ล ค อ  อ  ล ล ล ค อ ASME B31.1 ล  อ ASME ค CAESAR II ํ อ ล ํ ค Sh อ ล ค  15000 psi อ ค ล อ อ  อ  อ อ อ ค ค ล อ ค อลอ อล ล ล อ อ อ ล อ อ อ  อ  อ ค ํ คญ “What do you expect to see?” คอ ค อ

13

อ อ 

error 

ล

ล อ

อ SA

อ ลอ อ ญ อ 

อ

ล คํ อ ลอ คํ stress check passed อค ค อ คอ ล ล อ ค อ  ล ล input run output check stress   อ piping stress ค อ ค อ อ  อ  อ ลอ ํ piping stress analysis ค ล อค อ ํ อ อ  ค อ ล ล ค ล ค ํ ค ล คอ อ   ลอ  CAESAR II อ AUTOPIPE อ อ อ ล อ  ค อ ล nozzle load allowable vendor อ ํ อ ค  TLP 110 MW อ vendor steam turbine ค nozzle load allowable  อ อ อ อ ํ ค ล ํ อ อ อ อ ล อ อ ล อ อ nozzle load อ อ ค ๋ ํ ล ล ล อ 150 N. อ อ อ อ 9.81 ล 15.3 kg. ล อ ํ ล ล 20 ล ( ล ล อ อ ออ ) อ nozzle ล ค steam turbine อ ค อ อ คอ  อ vendor ล ค ล  อ ค ค อ อ nozzle 150 N. ล ล ํ valve อ ล ล . ค ญ  อ อ ค ํ ล อ ล  steam turbine ํ ล อ ํ อ อ อ  อ

ล

CAESAR II feedback อ  อ ล ค อ

อ ล

อ ล อ ค SL อ ล



ล Sh

อ 

ล

ค



ล ลอ SE

14

SE =11034.5

Allowable Stress กรณี Expansion Case

รูปที่ 7 แสดงผล stress กรณี expansion case คล

7

คล stress ลคํ อ SE = 11034.5 psi  อ

report sustained ล ค stress อ  Expansion stress อ node 50 ค ค อ ค SA = 39632.2 psi

ค

ASME Code B31.1 SA = f(1.25Sc+0.25Sh) ค Sc=17100 psi ล Sh =17100 psi SA = 1(1.25x17100+0.25x17100) SA = 25650 psi SL < Sh คํ allowable Allowable = SA + f(Sh – SL) Allowable = 25650+ 1x(17100-3117.8) Allowable = 39632.2 psi 15

อ

อ

ค

node 50 อ ค SL =3117.8 psi sustain stress report ค อ ล

Figure 8

SL = 3117.8 psi

รูปที่ 8 คา SL ที่ node 50 เทากับ 3117.8 psi

16

SE = 11034.5 psi

รูปที่ 9 คา SE ที่ node 50 เทากับ 11034.5 psi ล node คอ ค expansion stress (SE) ํ node 50 ค SE 11034.5 psi อ4 SE อ ค allowable 39632.2 psi  อ node 50 expansion stress ล ค 9

ล node 120 อ ค ค ค allowable expansion stress range ค



ลอ คํ

ASME Code B31.1 SA = f(1.25Sc+0.25Sh) ค Sc=17100 psi ล Sh =17100 psi SA = 1(1.25x17100+0.25x17100) SA = 25650 psi SL < Sh คํ allowable Allowable = SA + f(Sh – SL) Allowable = 25650+ 1x(17100-7971.7) Allowable = 34778.3 psi

17

ลอ

CAESAR II report ค 11 อ คอ

ลอ

คํ

คํ

อ ล

ค allowable stress range ASME B31.3 ล ค

SA = f (1.25Sc + 1.25Sh – SL ) ___ (B31.3 Eq.1b) ค ค SA = 1(1.25x17100+1.25x17100-7971.7) SA = 34778.3 psi

อ Stress Range ออ process plant (B31.3) ล ค

ค Allowable Expansion  power plant (B31.1) อ

คา SL

คา SH

รูปที่ 10 Stress report sustained stress case

SL=7971.7 psi ที่ node 120 ซึง่ จะถูก นําไปคํานวณหา SA กรณี Expansion Stress

18

คา SA =f[1.25(Sc+Sh)-SL]

รูปที่ 11 Stress report expansion stress case

SA=34778.3 psi ที่ node 120

ค

1.6 Method) ล

ค

ค

อ (Piping Stress Analysis

 อ ASME B31.3

1. By Visual Inspection อ ค ค อ 2. Approximate Method คอ อ  อ ค ค 

ํ

3

อ His pass experience  อ ญ

Table ,Chart

คอ

คํ คํ

อ

19

3. Comprehensive Analysis คอ คํ ค stress อ ค ล คอ piping stress engineer อ คํ ล  อ ํ อ อ  คอ อ  ล CAESAR II, Autopipe ล Editpipe Tractebel, etc. ล ล  คอ CAESAR II Code อ อ  ล ค ค engineer อ

อ

ค อ

ํ 

ออ อ อ ล  ํ critical line list ค 

อ Chart Stress Method ล Process Plant Layout and Piping Design Bausbacher & roger Hunt



ค



ล

อ 

อ

Chart ํ อ piping stress อ ํ ล

อ

อ

อ  Ed

10” NPS Pipe with 400 F ตัวอยางนี้จัดวา ทอเขาขายเปน critical line จะตองทํา comprehensive หรือ computer analysis

คํานวณดวยคอมพิวเตอร (computer analysis)

400 F

Visual Analysis or judgement Manual 10

20

อ

Computer Analysis Criteria



อ อ อ  rotating equipment pipe size ญ อ 3  critical line ค ํ stress comprehensive analysis CAESAR II อ คอ Poyry Energy Ltd. (Thailand). Technip ค Simflex Tractebel Edit Pipe อ อ อ อ ค ล ล ํ  อ ล ล CAESAR II อ อ ล อ 10 visual analysis ค อ

chart

พง ส



อ

อง อ

ญ ค containment) analysis อ อ

อ

อ อ

ล ค 21

อ 

ค guide line 400 อ  อ by young piping stress engineer  ล ล อ อ

 อ

80 อ



อ ค ล อ อ ค ค …

ล

อ ค

อ

อ

อ (loss computer อ

21

ค ออ

อ อ

อ

อ อ

อ

อ ค

ํ

ล

อ

22

ทท่ 2 STATIC ANALYSIS By Piya Kittitanesuan Piping Engineer PÖYRY ENERGY LTD. (Thailand)

(update 23 January 2007) ก

ชง (LINEARIZATION EQUATION) Linear คอ  ค Y=2X+1

(1)

non-linear คอ

 Y=2X2 +1

อX=1 ,Y X = -1

ออ

อ Y = -1

3 1

อ ํ ค อ

อ

อ

อ ล

1 อ

(2)

ํ ค

อ

2Y

3

CAESAR II คํ ล pipe support 2 X อ ลล CAESAR II คํ  ล อ

Support Type ใ CAESAR II CAESAR II support Restraint

อ

 Y

ล

Restraint Type

Abbreviation<...