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压力管道应力分析部分 第 1 页 共 45 页 第一章 任务与职责 1. 管 道 柔 性 设 计 的 任 务 压 力 管 道 柔 性 设 计 的 任 务 是 使 整 个 管 道 系 统 具 有 足 够 的 柔 性 ， 用 以 防 止 由 于 管 系 的 温 度 、 自 重 、 内 压 和 外 载 或 因 管 道 支 架 受 限 和 管 道 端 点 的 附 加 位 移 而 发 生 下 列 情 况 ； 1) 因 应 力 过 大 或 金 属 疲 劳 而 引 起 管 道 破 坏 ； 2) 管 道 接 头 处 泄 漏 ； 3) 管 道 的 推 力 或 力 矩 过 大 ， 而 使 与 管 道 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 的 推 力 或 力 矩 过 大 引 起 管 道 支 架 破 坏 ； 2. 压 力 管 道 柔 性 设 计 常 用 标 准 和 规 范 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 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 3073-95 石 油 化 工 企 业 管 道 支 吊 架 设 计 规 范 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) HG/T 20645-1998 化 工 装 置 管 道 机 械 设 计 规 定 10) GB 150-1998 钢 制 压 力 容 器 3. 专 业 职 责 1) 应 力 分 析 (静 力 分 析 动 力 分 析 ） 2) 对 重 要 管 线 的 壁 厚 进 行 计 算 3) 对 动 设 备 管 口 受 力 进 行 校 核 计 算 4) 特 殊 管 架 设 计 压力管道应力分析部分 第 2 页 共 45 页 4. 工 作 程 序 1) 工 程 规 定 2) 管 道 的 基 本 情 况 3) 用 固 定 点 将 复 杂 管 系 划 分 为 简 单 管 系 ， 尽 量 利 用 自 然 补 偿 4) 用 目 测 法 判 断 管 道 是 否 进 行 柔 性 设 计 5) L 型 U 型 管 系 可 采 用 图 表 法 进 行 应 力 分 析 6) 立 体 管 系 可 采 用 公 式 法 进 行 应 力 分 析 7) 宜 采 用 计 算 机 分 析 方 法 进 行 柔 性 设 计 的 管 道 8) 采 用 CAESAR II 进 行 应 力 分 析 9) 调 整 设 备 布 置 和 管 道 布 置 10) 设 置 、 调 整 支 吊 架 11) 设 置 、 调 整 补 偿 器 12) 评 定 管 道 应 力 13) 评 定 设 备 接 口 受 力 14) 编 制 设 计 文 件 15) 施 工 现 场 技 术 服 务 5. 工 程 规 定 1) 适 用 范 围 2) 概 述 3) 设 计 采 用 的 标 准 、 规 范 及 版 本 4) 温 度 、 压 力 等 计 算 条 件 的 确 定 5) 分 析 中 需 要 考 虑 的 荷 载 及 计 算 方 法 6) 应 用 的 计 算 软 件 7) 需 要 进 行 详 细 应 力 分 析 的 管 道 类 别 8) 管 道 应 力 的 安 全 评 定 条 件 9) 机 器 设 备 的 允 许 受 力 条 件 （ 或 遵 循 的 标 准 ） 10)防 止 法 兰 泄 漏 的 条 件 11)膨 胀 节 、 弹 簧 等 特 殊 元 件 的 选 用 要 求 12)业 主 的 特 殊 要 求 13)计 算 中 的 专 门 问 题 （ 如 摩 擦 力 、 冷 紧 等 的 处 理 方 法 ） 14)不 同 专 业 间 的 接 口 关 系 压力管道应力分析部分 第 3 页 共 45 页 15)环 境 设 计 荷 载 16)其 它 要 求 第 二 章 压 力 管 道 柔 性 设 计 1. 管 道 的 基 础 条 件 包 括 ： 介 质 温 度 压 力 管 径 壁 厚 材 质 荷 载 端 点 位 移 等 。 2. 管 道 的 计 算 温 度 确 定 管 道 的 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) 对 于 安 全 泄 压 管 道 ， 应 取 排 放 时 可 能 出 现 的 最 高 或 最 低 温 度 作 为 计 算 温 度 ； 7) 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 及 蒸 汽 吹 扫 等 工 况 。 3. 管 道 安 装 温 度 宜 取 20 （ 除 另 有 规 定 外 ） 。 4. 管 道 计 算 压 力 应 取 计 算 温 度 下 对 应 的 操 作 压 力 。 5. 管 道 钢 材 参 数 按 石 油 化 工 管 道 柔 性 设 计 规 范 SH/T3041 2002 执 行 1) 钢 材 平 均 线 膨 胀 系 数 可 参 照 附 录 A 选 取 。 2) 钢 材 弹 性 模 量 可 参 照 附 录 B 选 取 。 3) 计 算 二 次 应 力 范 围 时 ， 管 材 的 弹 性 模 量 应 取 安 装 温 度 下 钢 材 的 弹 性 模 量 。 6. 管 道 壁 厚 计 算 1) 内 压 金 属 直 管 的 壁 厚 根 据 SH 3059-2001 石 油 化 工 管 道 设 计 器 材 选 用 通 则 确 定 ： 当 S0 0.385 时 ， 直 管 壁 厚 应 根 据 断 裂 理 论 、 疲 劳 、 热 应 力 及 材 料 特 性 等 因 素 综 合 考 虑 确 定 。 2） 对 于 外 压 直 管 的 壁 厚 应 根 据 GB 150-1998 钢 制 压 力 容 器 规 定 的 方 法 确 定 。 7. 管 道 上 的 荷 载 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 ， 压 力 荷 载 包 括 内 压 力 和 外 压 力 ； 3) 位 移 荷 载 ， 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 产 生 的 压 力 脉 动 ； 9) 机 器 振 动 荷 载 ， 如 回 转 设 备 的 振 动 。 8. 管 道 端 点 的 附 加 位 移 压力管道应力分析部分 第 5 页 共 45 页 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 设 备 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 。 9. 管 道 布 置 管 道 的 布 置 尽 量 利 用 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 。 4) 对 于 复 杂 管 道 可 用 固 定 点 将 其 划 分 成 几 个 形 状 较 为 简 单 的 管 段 ， 如 L 形 、 形 、 Z 形 等 管 段 。 确 定 管 道 固 定 点 位 置 时 ， 宜 使 两 固 定 点 间 的 管 段 能 够 自 然 补 偿 。 10.宜 采 用 计 算 机 分 析 方 法 进 行 详 细 柔 性 设 计 的 管 道 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 ； 6) 与 离 心 泵 连 接 的 管 道 ， 可 根 据 设 计 要 求 或 按 图 1-1 确 定 柔 性 设 计 方 法 ； 图 1-1 与 离 心 泵 连 接 管 道 柔 性 设 计 方 法 的 选 择 压力管道应力分析部分 第 6 页 共 45 页 7) 设 备 管 口 有 特 殊 受 力 要 求 的 其 他 管 道 ； 8) 利 用 简 化 分 析 方 法 分 析 后 ， 表 明 需 进 一 步 详 细 分 析 的 管 道 。 11.不 需 要 进 行 计 算 机 应 力 分 析 的 管 道 1) 与 运 行 良 好 的 管 道 柔 性 相 同 或 基 本 相 当 的 管 道 ； 2) 和 已 分 析 管 道 相 比 较 ， 确 认 有 足 够 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 式 (1) 和 式 (2) 要 求 的 非 极 度 危 害 或 非 高 度 危 害 介 质 管 道 。 DoY/(L-U)2 208.3 (1) Y = ( X2+ Y2+ Z2)1/2 (2） 式 中 ： DO 管 道 外 径 ， mm； Y 管 道 总 线 位 移 全 补 偿 值 ， mm； x、 y、 z 分 别 为 管 道 沿 坐 标 轴 x、 y、 z 方 向 的 线 位 移 全 补 偿 值 ， mm； L 管 系 在 两 固 定 点 之 间 的 展 开 长 度 ， m； U 管 系 在 两 固 定 点 之 间 的 直 线 距 离 ， m。 式 ( l ） 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 强 系 数 i 5） ： (3)不 在 这 接 固 定 点 方 向 的 端 点 附 加 位 移 量 占 总 位 移 量 大 部 分 的 管 道 ； (4)L/U2.5 的 不 等 腿 “U“形 弯 管 ， 或 近 似 直 线 的 锯 齿 状 管 道 。 12.管 道 端 点 无 附 加 角 位 移 时 管 道 线 位 移 全 补 偿 值 计 算 当 管 道 端 点 无 附 加 角 位 移 时 ， 管 道 线 位 移 全 补 偿 值 应 按 下 列 公 式 计 算 ： X= XB- XA- XtAB Y= YB- YA- YtAB Z= ZB- ZA- ZtAB XtAB = 1(XB XA） (T T0） YtAB = 1(YB YA） (T T0） 压力管道应力分析部分 第 7 页 共 45 页 ZtAB = 1(ZB ZA） (T T0） 式 中 ： X、 Y、 Z 分 别 为 管 道 沿 坐 标 轴 X、 Y、 Z 方 向 的 线 位 移 全 补 偿 值 ， mm： XA、 YA、 ZA 分 别 为 管 道 的 始 端 A 沿 坐 标 轴 X、 Y、 Z 方 向 的 附 加 线 位 移 ， mm； XB、 YB、 ZB 分 别 为 管 道 的 末 端 B 沿 坐 标 轴 X、 Y、 Z 方 向 的 附 加 线 位 移 ， mm； XtAB、 YtAB、 ZtAB 分 别 为 管 道 AB 沿 坐 标 轴 X、 Y、 Z 方 向 的 热 伸 长 值 ， mm； t 管 道 材 料 在 安 装 温 度 与 计 算 温 度 间 的 平 均 线 膨 胀 系 数 ， mm/mm ； XA、 YA、 ZA 管 道 始 端 A 的 坐 标 值 ， mm； XB、 YB、 ZB 管 道 末 端 B 的 坐 标 值 ， mm； T 管 道 计 算 温 度 ， ； T0 管 道 安 装 温 度 ， 。 13.例 题 压力管道应力分析部分 第 8 页 共 45 页 利 用 判 别 式 解 题 有 两 种 方 法 ： 第 一 种 方 法 注 意 如 下 四 点 和 上 面 “ ”、 “ ”号 的 取 值 。 1) 假 定 一 个 始 端 ， 一 个 终 端 2) 始 端 固 定 ， 终 端 放 开 3) 热 膨 胀 方 向 由 始 端 向 终 端 4) 热 伸 长 量 取 正 直 第 二 种 方 法 注 意 如 下 四 点 。 和 SH/T 3041-2002 中 的 公 式 一 致 1) 假 定 一 个 始 端 ， 一 个 终 端 2) 始 端 固 定 ， 终 端 放 开 3) 热 膨 胀 方 向 由 始 端 向 终 端 4) 建 立 坐 标 系 ， 端 点 附 加 位 移 和 热 伸 长 量 与 坐 标 轴 同 向 取 “ ”， 与 坐 标 轴 反 向 取 “ ”。 压力管道应力分析部分 第 9 页 共 45 页 上 题 计 算 如 下 ： Y= YB YA YtAB = 0 4 12 = 16 mm Y= YB YA YtAB = 4 ( 5) ( 20) = 29 mm Z= ZB ZA ZtAB = 2 0 ( 24) = 26 mm Y=( Y2 Y2 Z2)1/2 = ( 16)2 292 2621/2 = 42.1 mm DO Y/(L U)2 = 159*42.1/(14 8.4)2 = 6693.9/31.36 = 213.45 208.3 所 以 需 要 进 行 详 细 分 析 ， 与 上 面 的 计 算 结 果 不 同 。 这 里 需 要 说 明 的 是 ， 不 是 计 算 过 程 错 误 ， 而 是 新 旧 标 准 管 径 取 的 不 一 致 ， 新 标 准 为 外 径 。 第 三 章 补 偿 器 的 选 用 首 先 应 利 用 改 变 管 道 走 向 获 得 必 要 的 柔 性 ， 但 由 于 布 置 空 间 的 限 制 或 其 他 原 因 也 可 采 用 补 偿 器 获 得 柔 性 。 1. 补 偿 器 的 形 式 压 力 管 道 设 计 中 常 用 的 补 偿 器 有 三 种 ： 型 补 偿 器 、 波 形 补 偿 器 、 套 管 式 或 球 形 补 偿 器 2. 型 补 偿 器 型 补 偿 器 结 构 简 单 、 运 行 可 靠 、 投 资 少 ， 在 石 油 化 工 管 道 设 计 中 广 泛 采 用 。 采 用 形 管 段 补 偿 时 ， 宜 将 其 设 置 在 两 固 定 点 中 部 ， 为 防 止 管 道 横 向 位 移 过 大 ， 应 在 型 补 偿 器 两 侧 设 置 导 向 架 。 3. 波 形 补 偿 器 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 。 1) 波形补偿器条件 (1)比用弯管形式补偿器更为经济时或安装位置不够时。 (2)连接两个间距小的设备的管道。其补偿能力不够时。 (3)为了减少压降，推力或振动，在工艺过程上可行而且在经济上合理时。 (4)为了保护有严格受力要求的设备嘴子。 2) 波形补偿器的形式及适用条件 压力管道应力分析部分 第 10 页 共 45 页 (1)直管段使用轴向位移型； (2)两个方向位移的 L 形，Z 形管段使用角型； (3)三个方向位移的 Z 形管段使用万向角型； (4)吸收平行位移的使用横向型。 3) 选 用 无 约 束 金 属 波 纹 管 膨 胀 节 时 应 注 意 的 问 题 (1)两 个 固 定 支 座 之 间 的 管 道 中 仅 能 布 置 一 个 波 纹 管 膨 胀 节 ； (2)固 定 支 座 必 须 具 有 足 够 的 强 度 ， 以 承 受 内 压 推 力 的 作 用 ； (3)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 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 有 弯 曲 和 径 向 偏 移 造 成 膨 胀 节 的 破 坏 ； 4) 带 约 束 的 金 属 波 纹 管 膨 胀 节 的 类 型 带 约 束 的 金 属 波 纹 管 膨 胀 节 的 共 同 特 点 是 管 道 的 内 压 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 管 膨 胀 节 用 的 金 属 部 件 承 受 。 (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 铀 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 连 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 问 膨 胀 节 本 身 的 轴 向 位 移 ； (4)复 式 铰 链 型 膨 胀 节 ， 由 用 中 间 管 连 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 连 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 和 膨 胀 节 本 身 的 轴 向 位 移 ； (6)弯 管 压 力 平 衡 型 膨 胀 节 ， 由 一 个 工 作 波 纹 管 或 用 中 间 管 连 接 的 两 个 工 作 波 纹 管 及 一 个 平 衡 波 纹 管 构 成 ， 工 作 波 纹 管 与 平 衡 波 纹 管 间 装 有 弯 头 或 三 通 ， 平 衡 波 纹 管 一 端 有 封 头 并 承 受 管 道 内 压 ， 工 作 波 纹 付 和 平 衡 波 纹 管 外 端 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 ； 压力管道应力分析部分 第 11 页 共 45 页 (7)直 管 压 力 平 衡 型 膨 胀 节 ， 一 般 位 于 两 端 的 两 个 工 作 波 纹 管 及 有 效 面 积 等 于 二 倍 工 作 波 纹 管 有 效 面 积 、 位 中 间 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 拔 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 。 5) 波 纹 管 膨 胀 节 在 施 工 安 装 中 应 注 意 的 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 国 标 GB/T 12777 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 。 3. 套 管 式 或 球 形 补 偿 器 套 管 式 或 球 形 补 偿 器 因 填 料 容 易 松 弛 ， 发 生 泄 漏 ， 在 石 化 企 业 中 很 少 采 用 。 在 有 毒 及 可 燃 介 质 管 道 中 严 禁 采 用 填 料 函 式 补 偿 器 。 4. 冷 紧 1) 冷 紧 冷 紧 可 降 低 操 作 时 管 道 对 连 接 设 备 或 固 定 点 的 推 力 和 力 矩 ， 防 止 法 兰 连 接 处 弯 矩 过 大 而 发 生 泄 漏 。 冷 紧 是 将 管 道 的 热 应 变 一 部 分 集 中 在 冷 态 ， 在 安 装 时 (冷 态 )使 管 道 产 生 一 个 初 位 移 和 初 应 力 的 一 种 方 法 。 当 管 道 沿 坐 标 轴 X、 y、 Z 方 向 的 冷 紧 比 不 同 时 ， 每 个 方 向 的 冷 紧 值 应 根 据 该 方 向 的 冷 紧 进 行 计 算 。 当 管 道 上 有 几 个 冷 紧 口 时 ， 沿 坐 标 轴 X、 y、 Z 方 向 的 冷 紧 值 分 别 为 各 冷 紧 口 在 相 应 坐 标 轴 方 向 冷 紧 值 的 代 数 和 。 压力管道应力分析部分 第 12 页 共 45 页 管 道 采 用 冷 紧 时 ， 热 态 冷 紧 有 效 系 数 取 2/3， 冷 态 取 1。 2) 连 接 转 动 设 备 的 管 道 不 应 采 用 冷 紧 由 于 施 工 误 差 使 得 冷 紧 量 难 于 控 制 ， 另 一 方 面 ， 在 管 道 安 装 完 成 后 要 将 与 敏 感 设 备 管 口 相 连 的 管 法 兰 卸 开 ， 以 检 查 该 法 兰 与 设 备 法 兰 的 同 轴 度 和 平 行 度 ， 如 果 采 用 冷 紧 将 无 法 进 行 这 一 检 查 。 3) 自 冷 紧 如 果 热 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 强 度 而 发 生 塑 性 变 形 ， 或 在 高 温 持 续 作 用 下 ， 管 道 上 产 生 应 力 松 弛 或 发 生 蠕 变 现 象 ， 在 管 道 重 新 回 到 冷 态 时 ， 则 产 生 反 方 向 的 应 力 ， 这 种 现 象 称 为 自 冷 紧 。 但 冷 紧 不 改 变 热 胀 应 力 范 围 。 4) 冷 紧 比 冷 紧 比 是 冷 紧 值 与 全 补 偿 量 的 比 值 。 对 于 材 料 在 阳 变 温 度 下 工 作 的 管 道 ， 冷 紧 比 宜 取 0.7。 对 于 材 料 在 非 蠕 变 温 度 下 工 作 的 管 道 ， 冷 紧 比 宜 取 0.5。 压力管道应力分析部分 第 13 页 共 45 页 第 四 章 支 吊 架 选 用 1. 管 道 跨 距 管 道 基 本 跨 距 的 确 定 实 际 上 就 是 管 系 承 重 支 架 (或 起 承 重 作 用 的 支 架 )的 位 置 和 数 量 的 确 定 ， 也 就 是 说 管 系 中 承 重 支 架 的 位 置 和 数 量 应 满 足 管 道 基 本 跨 距 的 要 求 。 为 了 简 化 计 算 ， 对 于 水 平 连 续 敷 设 的 管 道 ， 以 三 跨 连 续 梁 作 为 计 算 模 型 ， 并 按 承 受 均 布 载 荷 (指 管 道 自 重 、 介 质 重 和 隔 热 材 料 重 之 和 )分 别 根 据 刚 度 条 件 和 强 度 条 件 计 算 其 最 大 允 许 跨 距 ， 取 (Ll 和 L2)两 者 之 间 的 小 值 。 (l)刚 度 条 件 ： Ll = 0.039(EtI/ q)1/4 (装 置 内 ) Ll = 0.048(EtI/ q)1/4 (装 置 外 ) 式 中 L1、 L1 装 置 内 (外 )由 刚 度 条 件 决 定 的 跨 距 ， m； Et 管 材 在 设 计 温 度 下 的 弹 性 模 量 ， MPa； I 管 子 扣 除 腐 蚀 裕 量 及 负 偏 差 后 的 断 面 惯 性 矩 ， mm4； q 每 米 管 道 的 质 量 ， N/m。 （ 2） 强 度 条 件 ： 压力管道应力分析部分 第 14 页 共 45 页 L2 = 0.1( tW/q)1/2 (不 考 虑 内 压 ) L2 = 0.071( tW/q)1/2 (考 虑 内 压 ) 式 中 t 管 材 在 设 计 温 度 下 的 许 用 应 力 ， MPa； W 管 子 扣 除 腐 蚀 裕 量 及 负 偏 差 后 的 抗 弯 断 面 模 数 ， mm3。 I 和 W 分 别 按 以 下 二 式 计 算 ： I = （ Do4-Di4） /64 W = （ Do4-Di4） /32Do 式 中 Di 管 道 内 径 ， mm； Do 管 道 外 径 ， mm。 2. 管 道 支 吊 架 的 形 式 ： 管 道 支 吊 架 的 用 途 为 ： 1) 承 受 管 道 的 重 量 荷 载 (包 括 自 重 、 介 质 重 和 隔 热 材 科 重 等 )； 2) 限 制 管 道 的 位 移 ， 阻 止 管 道 发 生 非 预 期 方 向 的 位 移 ； 3) 用 来 控 制 管 道 的 振 动 、 摆 动 或 冲 击 。 因 此 ， 管 道 支 撑 的 位 置 确 定 、 支 撑 型 式 的 确 定 以 及 管 道 支 吊 架 本 身 的 强 度 设 计 也 主 要 是 围 绕 着 上 述 支 吊 架 的 三 个 功 能 展 开 的 。 根 据 管 道 支 吊 架 的 用 途 可 以 分 为 三 大 类 ： 承 重 支 吊 架 刚 性 支 吊 架 可 调 刚 性 支 吊 架 可 变 弹 簧 支 吊 架 恒 力 弹 簧 支 吊 架 限 制 性 支 吊 架 固 定 支 架 限 位 支 架 导 向 支 架 防 振 支 架 减 振 器 阻 尼 器 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. 承 重 支 吊 架 压力管道应力分析部分 第 15 页 共 45 页 以 支 撑 管 道 自 重 及 其 它 持 续 载 荷 为 目 的 的 支 吊 架 统 称 为 承 重 支 吊 架 ， 它 主 要 用 于 防 止 管 道 因 自 重 及 其 它 持 续 载 荷 （ 如 介 质 重 、 隔 热 材 料 重 、 雪 载 荷 等 ） 而 导 致 的 管 道 强 度 或 刚 度 超 出 标 准 要 求 。 根 据 管 道 相 对 于 支 撑 结 构 的 空 间 位 置 不 同 ， 承 重 支 吊 架 可 分 为 支 架 和 吊 架 两 大 类 。 支 撑 件 将 管 道 支 撑 在 它 的 上 方 时 ， 这 类 支 撑 件 叫 做 支 架 。 用 可 以 空 间 摆 动 的 支 撑 件 (吊 杆 )将 管 道 吊 在 其 下 面 支 撑 时 ， 这 类 支 撑 件 叫 做 吊 架 。 支 架 和 吊 架 都 可 以 完 全 或 部 分 限 制 管 道 的 向 下 位 移 ， 但 二 者 的 支 撑 效 果 有 所 不 同 。 支 架 因 与 支 撑 管 道 之 间 可 能 存 在 摩 擦 而 使 得 管 道 的 水 平 位 移 受 到 一 定 的 阻 碍 ， 同 时 产 生 摩 擦 力 。 支 架 的 刚 度 也 比 较 大 ， 故 其 稳 定 性 较 好 。 吊 架 对 管 道 的 约 束 刚 度 相 对 较 小 (除 竖 直 方 向 外 )， 也 不 存 在 摩 擦 力 ， 如 果 在 一 根 较 长 的 管 道 中 吊 架 用 的 太 多 ， 会 使 管 系 不 稳 定 ， 故 在 一 条 管 道 中 ， 一 般 不 宜 均 用 吊 架 进 行 支 撑 。 根 据 承 受 管 道 重 量 的 特 点 不 同 ， 承 重 支 吊 架 又 分 为 刚 性 支 吊 架 、 可 调 刚 性 支 吊 架 、 可 变 弹 簧 支 吊 架 和 恒 力 弹 簧 支 吊 架 四 类 。 1) 刚 性 支 吊 架 刚 性 支 吊 架 仅 限 制 管 道 一 个 方 向 (通 常 为 -Y 方 向 )的 自 由 度 。 它 常 用 于 管 道 在 支 撑 点 无 向 上 垂 直 热 位 移 和 附 加 位 移 的 情 况 下 ， 或 用 于 支 撑 点 有 较 小 的 向 下 位 移 和 附 加 位 移 但 不 会 由 此 在 管 系 中 造 成 较 大 的 管 系 力 的 情 况 下 。 刚 性 支 吊 架 是 应 用 最 多 的 一 种 支 吊 架 。 根 据 应 用 场 合 和 生 根 条 件 的 不 同 ， 常 用 的 刚 性 支 吊 架 系 列 有 平 (弯 )管 支 托 、 假 管 支 托 、 悬 臂 支 架 、 临 管 支 架 等 。 2) 可 调 刚 性 支 吊 架 可 调 刚 性 支 吊 架 是 一 般 刚 性 支 吊 架 的 一 种 特 殊 型 式 ， 即 通 过 旋 拧 可 调 螺 丝 ， 使 支 吊 架 的 高 度 在 一 定 范 围 内 得 到 调 整 ， 用 于 有 少 量 竖 直 方 向 的 热 位 移 或 附 加 位 移 的 场 合 。 在 工 作 工 况 下 ， 当 支 撑 点 有 竖 直 方 向 的 热 位 移 或 附 加 位 移 时 ， 会 使 管 道 脱 离 支 架 (俗 称 支 架 脱 空 )而 起 不 到 支 撑 作 用 ， 或 使 支 架 被 顶 死 而 产 生 较 大 的 管 系 力 ， 此 时 应 采 用 下 面 将 要 介 绍 的 弹 簧 支 吊 架 。 如 果 支 撑 点 竖 直 方 向 的 热 位 移 或 附 加 位 移 比 较 小 而 且 又 位 于 容 易 接 近 的 地 方 时 ， 采 用 可 调 刚 性 支 吊 架 比 弹 簧 支 吊 架 会 更 经 济 、 更 方 便 。 3) 可 变 弹 簧 支 吊 架 可 变 弹 簧 支 吊 架 适 用 于 支 撑 点 有 垂 直 位 移 、 用 刚 性 支 吊 架 会 脱 空 或 造 成 过 大 热 胀 推 力 的 场 合 。 与 恒 力 弹 簧 支 吊 架 相 比 ， 使 用 可 变 弹 簧 支 吊 架 会 造 成 一 定 的 荷 载 转 移 。 为 防 止 过 大 的 荷 载 转 移 ， 可 变 弹 簧 支 吊 架 的 荷 载 变 化 率 应 控 制 在 25%以 下 。 压力管道应力分析部分 第 16 页 共 45 页 当 然 ， 有 时 根 据 实 际 需 要 而 有 意 识 地 去 分 配 管 系 在 各 支 撑 点 的 载 荷 ， 即 有 意 识 地 给 定 一 个 较 大 的 安 装 载 荷 而 获 得 较 大 的 载 荷 转 移 。 常 用 强 型 的 可 变 弹 簧 支 吊 架 有 支 、 吊 两 种 ， 根 据 载 荷 情 况 和 受 力 条 件 还 可 采 用 串 联 和 并 联 两 种 型 式 。 4) 恒 力 弹 簧 支 吊 架 恒 力 弹 簧 支 吊 架 适 用 于 管 道 支 撑 点 垂 直 位 移 量 较 大 或 管 系 受 为 要 求 较 苛 刻 的 场 合 。 通 过 采 用 恒 力 弹 簧 支 吊 架 ， 可 以 避 免 管 道 支 撑 点 冷 态 和 热 态 的 受 力 变 化 太 大 而 导 致 管 系 本 身 的 应 力 或 相 连 设 备 的 受 力 超 标 。 恒 力 弹 簧 的 恒 定 度 应 小 于 或 等 于 6%， 以 保 证 支 吊 点 发 生 位 移 时 ， 支 承 力 的 变 化 很 小 。 恒 力 弹 簧 支 吊 架 一 般 采 用 描 架 型 式 ， 且 根 据 受 力 情 况 可 并 联 使 用 。 如 果 认 为 刚 性 支 吊 架 的 刚 度 理 论 上 为 无 穷 大 的 话 ， 那 么 恒 力 弹 簧 支 吊 架 的 刚 度 理 论 上 则 为 零 ， 而 可 变 弹 簧 支 吊 架 的 刚 度 介 于 二 者 之 间 ， 它 等 于 弹 簧 产 生 单 位 变 形 所 需 要 的 力 。 4. 限 位 支 吊 架 以 限 制 和 约 束 因 热 胀 而 引 起 的 管 系 位 移 为 目 的 支 吊 架 称 为 限 位 支 吊 架 。 管 系 受 热 而 发 生 热 胀 时 ， 管 系 中 的 各 点 将 发 生 位 移 。 在 管 系 中 适 当 设 置 限 位 支 吊 架 ， 可 控 制 支 撑 点 的 位 移 或 某 些 方 向 的 位 移 ， 使 管 系 的 变 形 或 各 点 的 位 移 朝 着 有 利 于 保 护 敏 感 设 备 或 有 利 于 热 补 偿 的 方 向 进 行 。 根 据 对 管 系 热 位 移 约 束 的 方 式 不 同 ， 限 位 支 吊 架 又 可 分 为 固 定 支 架 、 导 向 支 架 和 止 推 支 架 三 种 。 1) 固 定 支 架 固 定 支 架 可 限 制 管 道 支 撑 点 三 个 方 向 的 线 位 移 和 三 个 方 向 的 角 位 移 ， 因 此 它 常 用 于 管 道 上 不 允 许 有 任 何 位 移 的 地 方 。 固 定 支 架 一 般 同 时 又 能 起 承 重 作 用 。 常 用 的 固 定 支 架 型 式 有 焊 接 型 管 托 和 螺 拴 固 定 管 托 两 种 。 2) 导 向 支 架 导 向 支 架 可 限 制 管 道 支 撑 点 两 个 方 向 的 线 位 移 ， 因 此 常 用 于 引 导 管 道 位 移 方 向 、 使 管 道 能 沿 轴 向 位 移 而 不 能 横 向 位 移 的 情 况 。 当 用 于 水 平 情 况 时 ， 导 向 支 架 又 同 时 能 起 承 重 作 用 。 常 用 的 导 向 支 架 型 式 有 管 托 型 导 向 支 架 、 光 管 型 导 向 支 架 、 管 卡 型 导 向 支 架 等 型 式 。 3) 止 推 支 架 止 推 支 架 常 代 替 固 定 支 架 用 于 限 制 管 道 的 轴 向 位 移 。 根 据 限 位 方 式 的 不 同 ， 常 用 的 止 推 支 架 又 分 为 “+X/+Z“和 “-X/-Z“双 向 止 推 支 架 和 “+X/+Z“或 “-X/-Z“单 向 压力管道应力分析部分 第 17 页 共 45 页 止 推 支 架 两 种 。 常 用 的 止 推 支 架 为 单 向 止 推 架 ， 它 可 限 制 管 道 支 撑 点 一 个 方 向 的 线 位 移 。 5. 防 振 支 架 专 门 用 于 控 制 管 道 振 动 的 支 吊 架 叫 做 防 振 支 架 。 防 振 支 架 常 用 于 控 制 或 缓 解 往 复 式 机 泵 迸 出 口 管 道 或 由 地 震 、 风 载 荷 、 水 击 、 安 全 阀 排 出 反 力 引 起 的 管 道 振 动 场 合 。 应 该 说 ， 前 面 所 讲 的 支 吊 架 类 型 中 ， 除 吊 架 以 外 ， 其 它 支 架 都 在 某 种 程 度 上 起 到 防 振 作 用 ， 但 它 们 中 要 么 防 振 作 用 的 效 果 不 好 ， 要 么 会 带 来 其 它 问 题 (如 降 低 或 限 制 了 管 系 的 热 补 偿 能 力 )， 因 此 ， 工 程 上 对 于 防 振 情 况 则 给 出 了 专 用 支 架 。 常 用 的 防 振 支 架 主 要 有 两 类 ， 其 一 是 防 振 管 卡 ， 其 二 是 阻 尼 器 。 1) 防 振 管 卡 防 振 管 卡 能 有 效 地 控 制 管 系 的 高 频 率 强 迫 振 动 。 防 振 管 卡 与 固 定 支 架 不 同 ， 它 允 许 管 道 有 一 定 的 轴 向 位 移 而 使 管 系 不 会 因 热 胀 而 破 坏 。 防 振 管 卡 与 一 般 的 刚 性 承 重 支 架 和 导 向 支 架 不 同 它 对 管 道 施 加 了 较 大 的 刚 度 约 束 (从 型 式 和 数 量 上 实 现 )， 且 增 加 了 架 对 管 道 的 阻 尼 作 用 从 而 有 效 地 阻 滞 了 管 系 的 振 动 。 2) 阻 尼 器 阻 尼 器 与 减 振 支 架 的 最 大 区 别 遮 于 它 给 予 了 管 系 较 大 的 自 由 度 ， 因 而 对 连 续 强 迫 型 高 频 机 械 振 动 的 抑 制 效 果 较 差 ， 它 常 用 于 缓 解 瞬 间 激 振 (如 主 汽 门 突 然 关 闭 、 泵 突 然 停 车 、 地 震 、 水 锤 等 )引 起 的 有 阻 尼 自 由 振 动 。 工 程 上 应 用 的 阻 尼 器 有 油 压 式 阻 尼 器 、 摩 擦 式 阻 尼 器 等 。 6. 目 前 工 程 上 常 用 的 弹 簧 支 吊 架 主 要 有 两 类 ： 即 可 变 弹 簧 支 吊 架 和 恒 力 弹 簧 支 吊 架 ， 而 且 已 形 成 标 准 系 列 。 对 应 的 国 家 标 准 为 GB10181 恒 力 弹 簧 支 吊 架 和 GB10182 可 变 弹 簧 支 吊 架 。 1) 可 变 弹 簧 支 吊 架 的 工 作 原 理 可 变 弹 簧 支 吊 架 的 核 心 部 件 是 一 个 被 控 制 的 圆 柱 弹 簧 ， 当 被 支 撑 管 道 发 生 竖 向 位 移 时 ， 会 带 动 圆 柱 弹 簧 的 控 制 板 使 弹 簧 压 缩 或 被 拉 长 。 压力管道应力分析部分 第 18 页 共 45 页 由 虎 克 定 律 可 知 ， 此 时 弹 簧 压 缩 或 伸 长 所 需 要 的 力 (也 等 于 对 管 子 的 作 用 力 ) 可 用 下 式 表 示 ： F=k 式 中 F 弹 簧 被 压 缩 或 被 拉 长 量 时 所 需 要 的 力 ， N； K 弹 簧 刚 度 ， N/mzm 弹 簧 被 压 缩 或 被 拉 伸 的 变 形 量 ， mm。 弹 簧 刚 度 是 一 个 只 与 弹 簧 自 身 参 数 (如 弹 簧 直 径 、 弹 簧 材 料 等 )有 关 的 物 理 量 ， 一 旦 弹 簧 参 数 一 定 ， 它 是 个 常 数 (在 其 允 许 总 变 形 量 的 30%70%范 围 内 是 个 常 数 )。 因 此 ， 此 时 弹 簧 对 管 道 的 作 用 力 则 与 变 形 量 成 正 比 。 工 程 上 正 是 糊 糊 的 这 一 性 质 来 进 行 有 垂 直 位 移 的 管 道 支 撑 的 。 对 于 标 准 弹 簧 支 吊 架 来 说 ， 弹 簧 都 是 经 过 预 压 缩 然 后 装 入 弹 簧 箱 中 的 。 因 此 ， 对 于 同 样 一 个 变 形 量 ， 此 时 压 缩 弹 簧 所 需 耍 的 力 F 应 按 下 式 计 算 ： F = ( 1+ )k = 1k+ k = F1 k 式 中 1 弹 簧 预 压 缩 的 变 形 量 ， mm F1 弹 簧 预 压 缩 时 的 压 缩 力 ， N； F、 、 k 意 义 同 前 。 设 F 为 弹 簧 支 吊 架 的 工 作 载 荷 ， 并 用 符 号 FG 表 示 ： 设 F1 为 弹 簧 支 吊 架 的 安 装 荷 载 ， 并 用 FA 表 示 ： 设 S 为 弹 簧 在 由 安 装 载 荷 变 为 工 作 载 荷 时 的 变 形 量 ， 并 在 弹 簧 被 压 缩 时 取 正 号 ， 被 拉 伸 时 取 负 号 。 S 在 管 道 支 撑 中 即 为 管 道 支 撑 点 的 竖 直 位 移 量 ， 支 撑 点 的 竖 直 位 移 向 上 时 取 正 号 ， 向 下 时 取 负 号 。 可 变 弹 簧 支 吊 架 的 选 型 公 式 为 ： FA = k +FG 2) 常 用 可 变 弹 簧 支 吊 架 系 列 国 家 标 准 GB1018S 共 给 出 了 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G 七 种 标 准 型 式 ， 见 图 所 示 。 A 型 上 螺 纹 悬 吊 型 ； 压力管道应力分析部分 第 19 页 共 45 页 B 型 单 耳 悬 吊 型 ； C 型 双 耳 悬 吊 型 ； D 型 上 调 节 搁 置 型 ； E 型 下 调 节 搁 置 型 ； F 型 支 撑 搁 置 型 ； G 型 并 联 悬 吊 型 。 7. 可 变 弹 簧 支 吊 架 的 选 用 工 程 上 ， 一 般 按 热 态 吊 零 的 载 荷 分 配 原 则 确 定 弹 簧 支 吊 架 的 受 力 。 所 谓 热 态 吊 零 ， 是 指 弹 簧 支 吊 架 在 热 态 时 承 受 的 力 应 等 于 冷 态 时 由 管 系 分 配 给 它 的 力 。 按 这 样 的 原 则 确 定 的 弹 簧 支 吊 架 受 力 使 得 整 个 管 系 中 各 支 撑 点 承 受 的 自 重 力 在 热 态 时 比 较 均 匀 ， 但 在 热 态 时 管 系 中 各 点 的 总 载 荷 会 因 位 移 荷 载 的 作 用 而 不 再 均 匀 甚 至 会 出 现 严 重 的 不 合 理 现 象 ， 为 此 ， 工 程 上 有 时 也 采 用 冷 态 吊 零 的 载 荷 分 配 原 则 。 所 谓 冷 态 吊 零 是 指 弹 簧 支 吊 架 在 冷 态 时 承 受 的 载 荷 取 冷 态 时 由 管 系 分 配 给 它 的 载 荷 。 与 热 态 吊 零 相 反 ， 此 时 在 热 态 情 况 下 管 系 各 支 撑 点 承 受 的 自 重 载 荷 已 不 在 均 匀 ， 而 总 载 荷 (包 括 位 移 载 荷 )则 是 自 然 分 配 。 为 防 止 可 变 弹 簧 支 吊 架 引 起 管 系 在 热 态 或 冷 态 时 有 较 大 的 载 荷 转 移 ， 工 程 上 常 控 制 它 的 载 荷 变 化 率 不 超 过 25 。 根 据 这 一 限 制 条 件 ， 就 可 以 确 定 弹 簧 支 吊 架 的 刚 度 k。 在 确 定 弹 簧 支 吊 架 的 刚 度 时 应 遵 守 这 样 一 个 原 则 ： 在 弹 簧 支 吊 架 能 满 压力管道应力分析部分 第 20 页 共 45 页 足 管 系 热 态 和 冷 态 的 承 载 要 求 而 且 载 荷 变 化 率 不 超 过 规 定 值 的 情 况 下 ， 应 尽 可 能 选 用 刚 度 最 小 (指 最 小 规 格 和 最 小 允 许 位 移 值 )的 弹 簧 。 按 这 样 的 原 则 选 取 的 弹 簧 支 吊 架 ， 其 安 装 尺 寸 最 小 ， 价 格 最 便 宜 ， 而 且 实 际 的 载 荷 变 化 率 最 小 。 1) 串 联 可 变 弹 簧 支 吊 架 的 选 用 当 管 系 中 某 点 的 垂 直 位 移 量 较 大 时 ， 从 标