壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析

1、壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v載荷的定義 凡是引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的條件稱為載荷 v載荷的分類 具有不同特征的載荷產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)，對 破壞的影響不同，對載荷分類可以方便研 究不同載荷對結(jié)構(gòu)失效的影響 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v載荷的分類 按載荷作用的時間長短分類 v恒載荷 持續(xù)作用于管道的載荷，如介質(zhì)壓力、支吊架反 力、管道自重、熱膨脹受約束產(chǎn)生的熱負(fù)荷、應(yīng) 變自均衡產(chǎn)生的自拉力、殘余應(yīng)力等 v活載荷 臨時作用于管道上的載荷，如風(fēng)載荷、地震載荷 等 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v載荷的分類 按載荷是否隨時間變化分類 v靜力載荷 緩慢、無振動地加到管道上的載荷，大小和位置 均與時間無

2、關(guān)，或極為緩慢地變化，慣性力很小 可略去不計的載荷。本章內(nèi)容涉及的載荷基本上 是靜力載荷 v動力載荷 隨時間迅速變化的載荷，使管道產(chǎn)生顯著的運動， 必須考慮慣性力的影響。如管道的振動、閥門突 然關(guān)閉時的壓力沖擊、地震等 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v載荷的分類 按載荷的作用性質(zhì)分類 v自限性載荷（屬靜力載荷） 由于管道結(jié)構(gòu)變形受約束所產(chǎn)生的載荷，不直接與 外部載荷平衡，當(dāng)管道材料塑性較好時，其最大值 限定在一定范圍內(nèi)，不會無限制增大的載荷。如管 道溫度變化產(chǎn)生的熱載荷；結(jié)構(gòu)曲率發(fā)生突變處附 近的邊緣應(yīng)力等 v非自限性載荷（屬靜力載荷） 直接由外部作用的外力載荷。如介質(zhì)壓力、管道自 重等 壓力容器強(qiáng)

3、度及應(yīng)力分析 v載荷的分類 管道計算時主要考慮的靜力載荷 v介質(zhì)壓力也稱壓力載荷 v持續(xù)外載（或機(jī)械載荷） 管道自重、支吊架反力和其它外載 v位移載荷（或熱負(fù)荷） 熱脹冷縮和端點附加位移 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v應(yīng)力分類 由于載荷性質(zhì)不同，產(chǎn)生的應(yīng)力性質(zhì)也不 同，它們對管道的破壞貢獻(xiàn)不同。應(yīng)該對 其分類，對于不同應(yīng)力給予不同的限制條 件，以充分發(fā)揮材料的性能，又保證安全 生產(chǎn) 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v應(yīng)力分類 一次應(yīng)力（P） 一次應(yīng)力是由于外載荷作用而在管道內(nèi)部產(chǎn)生 的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它滿足與外力平衡的條件。 它的特征是非自限性的，始終隨外載荷的增加 而增加，最終達(dá)到破壞。由于載荷性質(zhì)不同

4、， 在管道內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力分布也不同，一次應(yīng)力又 分為： 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v應(yīng)力分類 一次應(yīng)力（P） v一次總體薄膜應(yīng)力（Pm） 它是管道的基本應(yīng)力，分布在整個管道上，在管道 的截面上是均勻分布的。如內(nèi)壓力引起的管道環(huán)向 應(yīng)力和軸向應(yīng)力 v一次彎曲應(yīng)力（Pb） 這個應(yīng)力在管道的很大區(qū)域內(nèi)分布，在管道截面上 的分布是沿厚度變化的，呈線性分布。這種應(yīng)力達(dá) 到屈服時，只是局部屈服，如果繼續(xù)加載，應(yīng)力在 管道截面上的分布重新調(diào)整，允許比一次總體薄膜 應(yīng)力具有較高的許用應(yīng)力。如由于管道的自重和機(jī) 械載荷引起管道的彎曲變形產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力等 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v應(yīng)力分類 一次應(yīng)力（P） v一次局部

5、薄膜應(yīng)力（Pl） 由于壓力或機(jī)械載荷引起的分布在局部范圍內(nèi)的薄 膜應(yīng)力。這種應(yīng)力達(dá)到屈服時，由于材料的塑性變 形，也只引起局部屈服，周圍仍受到彈性材料的約 束，允許在局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生屈服。如管道支架處或 管道接管連接處產(chǎn)生的應(yīng)力 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v應(yīng)力分類 二次應(yīng)力（Q） 由于管道變形受約束而產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力， 它本身不直接與外載荷相平衡。二次應(yīng)力的特 點是具有自限性自限性，當(dāng)材料是塑性材料塑性材料時，在較 大應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生塑性變形與之相鄰部分的約束 得到緩解，變形趨向協(xié)調(diào)，應(yīng)力不再繼續(xù)增大， 自動地限制在一定的范圍內(nèi)。二次應(yīng)力還具有 局部性局部性，就是二次應(yīng)力作用的區(qū)域范圍限制在 局

6、部區(qū)域內(nèi)。如管道由于熱脹冷縮、管道的曲 率發(fā)生突變、其它位移受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力 均屬于二次應(yīng)力 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v應(yīng)力分類 峰值應(yīng)力 由于載荷、結(jié)構(gòu)形狀的局部突變而引起的局部 應(yīng)力集中的最高應(yīng)力值。它的特征是整個結(jié)構(gòu) 不產(chǎn)生任何顯著的變形，它是疲勞破壞和脆性 斷裂的可能根源。如管道中小的轉(zhuǎn)彎半徑處、 焊縫咬邊處等 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v一般壓力管道應(yīng)力許用值的限定 幾個概念 v極限狀態(tài) 當(dāng)結(jié)構(gòu)元件的某個截面上達(dá)到整個截面發(fā)生屈服 時的狀態(tài) v極限載荷 對應(yīng)極限狀態(tài)時施加在結(jié)構(gòu)上的載荷 v極限載荷法 認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)后，不能再進(jìn)一步承受附 加載荷，可防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過渡變形，由此來

7、規(guī)定 結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力值的設(shè)計方法 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v一般壓力管道應(yīng)力許用值的限定 幾個概念 v安定性 結(jié)構(gòu)在載荷（包括熱負(fù)荷）反復(fù)變化的過程中， 不再發(fā)生塑性變形的連續(xù)循環(huán) v安定性準(zhǔn)則 由于塑性材料具有二次應(yīng)力的局部性和自限性， 控制結(jié)構(gòu)在運行中不發(fā)生疲勞破壞，使結(jié)構(gòu)保持 安定，而限定二次應(yīng)力范圍的方法 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v一般壓力管道應(yīng)力許用值的限定 一次應(yīng)力的限定 v內(nèi)壓作用下 v內(nèi)壓軸向力和持續(xù)外載作用下 v二次應(yīng)力的限定 一次應(yīng)力加二次應(yīng)力 單獨二次應(yīng)力 當(dāng) 時，單獨計算二次應(yīng)力時 式中：f 修正系數(shù)，交變次數(shù)N22.5時，單節(jié)斜接 彎頭的最大容許壓力用下式計 算： 上

8、式是按邊緣應(yīng)力確定的允許 內(nèi)壓力。 tgSrS S r S P p p t 11 11 25. 1 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v熱應(yīng)力概念 物體都具有熱脹冷縮的性質(zhì)，如果不允許物體自由變形 給其施加一約束，便在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，稱為熱應(yīng)力 或溫度應(yīng)力。 管道的自由伸長量 管端當(dāng)量軸向力 當(dāng)在管的兩端不允許有 位移時，可以認(rèn)為在管 端施加一力P，把其壓 （或拉）到原長，即： TLLTTL 01 L x L x L P TEAEA L L P 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v熱應(yīng)力概念 管中的熱應(yīng)力為 從上式可見管中由于溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力與 材料的線膨脹系數(shù)，彈性模量和溫差成正比， 而與管長無關(guān)。 TE

9、 A P 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v熱應(yīng)力概念 示例 給一個例子說明熱應(yīng)力的影響，管材為Q235- A，1594.5，操作溫度100 ，安裝溫度 為0 ，其熱膨脹系數(shù)為12.210-6/ ，彈性 模量為2.0105MPa，代入上面熱應(yīng)力計算式， 計算結(jié)果其熱應(yīng)力為244MPa，產(chǎn)生的管端推 力為529480N。 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v熱應(yīng)力概念 對于平面管系A(chǔ)CB， B端位移為： 與直接從A到B有一根 管子的伸長量相同 Tu baT bau 22 22 u u b a a b A B C 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v管道熱應(yīng)力計算 如果存在溫度變化，不僅 在管內(nèi)引起熱應(yīng)力，而且 在支吊架處引

10、起支座反力 的變化，為了保證管道和 支吊架安全運行，應(yīng)求出 支座反力。以平面管系為 例，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)力法， 求支座反力的方法。 解除B端的約束，而代之 以復(fù)原力Px、Py、Mxy， 使它們產(chǎn)生的變形效果與 原約束相同。 u u b a a b A B C Mxy Mxy Py Py Px Px A CB x y 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v管道熱應(yīng)力計算 對于圖示B端實際位移在x，y 方向的位移和轉(zhuǎn)角均為零，而 在溫差作用情況下，在x方向 的位移為橫管的伸縮量b， 在y方向的位移為豎管的a， 無角度變化。為保證與實際位移一致，在支座反力的作 用下，應(yīng)產(chǎn)生與以上位移大小相等，方向相反的位移。 在支

11、座反力的作用下在平面內(nèi)產(chǎn)生的位移和轉(zhuǎn)角應(yīng)滿足 下式： Mxy Mxy Py Py Px Px A CB x y 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v管道熱應(yīng)力計算 式中，ij是變形系數(shù)，表示在j方向的單位力在i方向上產(chǎn) 生的位移。由卡氏第二定理： 0 xymmxymyymxx ymxyyyyyxx xmxyxyyxxx MPP ayMPP bxMPP dL EI MM ji ij 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng) 系數(shù) 前面的計算認(rèn)為AC管子 與CB管在C點是剛性連接， 而實際情況，兩管的剛度 一般比直管低，即柔性大， 使變形容易，管道中的實 際熱應(yīng)力比前例中計算的 小。而彎管在彎矩的作用

12、下，其應(yīng)力與直管相比有 所增加 Mxy Mxy Py Py Px Px A CB x y 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系 數(shù) 柔性系數(shù)（K） 柔性系數(shù)：彎管相對于 直管承受彎矩彎曲時， 發(fā)生轉(zhuǎn)角的增大倍數(shù)。 彎管的柔性比直管大的 原因是，彎管在受彎矩 后，易產(chǎn)生如圖所示的 扁平效應(yīng)，使彎管的抗 彎模量減少，剛度降低 R MM rp 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 柔性系數(shù)（K） v彎管的柔性系數(shù) 用下式計算： 其中是彎管的尺寸系數(shù)，用下式計算： 式中R為管子彎曲半徑；S為管子壁厚；rp為管子平 均半徑 K計算式的使用范圍為：0.021.65，當(dāng)1.65 時，取

13、K=1。K計算式用于計算光滑彎管的柔性系 數(shù)。平面或非平面彎曲都適用 65. 1 K 2 p r RS 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 柔性系數(shù)（K） v焊接彎頭的柔性系數(shù) 用下式計算： 其中： 對于單斜接縫斜接彎頭：RY=rp 對于稀縫斜接彎頭，即： 6 5 52. 1 K 2 p Y r SR 單斜接管 2 1 1 ctg rR：tgrT pYp 時 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 柔性系數(shù)（K） v焊接彎頭的柔性系數(shù) 對于密縫斜接彎頭，即： 2 1 Tctg R ：tgrT Y p 時 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 柔性系數(shù)（K）

14、v三通的柔性系數(shù) 鑄鐵三通按剛性元件；焊制、熱壓三通由于結(jié)構(gòu) 不連續(xù)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，K取1。三通段的計算 長度，采用與連接管子直徑、壁厚相同的直管段 長度。 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)（m） 彎管的應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)是指彎管在彎矩作用下的最大彎 曲應(yīng)力和直管受同樣彎矩產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力的比值 v彎管的應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 用下式計算： 且m1。當(dāng)0.854時，計算的m1，這時仍取m=1。 上式是通過疲勞試驗研究得到的，適用光滑和焊接彎管， 焊接和熱壓三通等的平面或非平面彎曲情況。 光滑彎管的尺寸系數(shù)按下式計算： 3 2 9 . 0 m 2 p r RS 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)

15、力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)（m） v彎管的應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 焊接彎管的尺寸系數(shù)按下式計算： 理論和試驗都表明，焊接彎管總是比同樣規(guī)格 的光滑彎管（包括彎制彎管和熱壓彎管）有較 高的局部應(yīng)力，即較大的應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)。下表 為一組同一規(guī)格的焊接彎管與熱壓彎管應(yīng)力加 強(qiáng)系數(shù)的比較（管子彎曲半徑與直徑比值為1.5） 2 p Y r SR 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 彎管型式 彎管計算的應(yīng) 力加強(qiáng)系數(shù) 3.92.732.20 相對壽命以熱 壓彎管為100% 3%19%55% 斜角縫n=1斜角縫n=2斜角縫n=3 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 彎管型式 彎管計算的應(yīng)力 加強(qiáng)系數(shù) 1.951.95 相對

16、壽命以熱壓 彎管為100% 100%100% 斜角縫n=6熱壓彎管 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)（m） v三通的應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 計算式仍為式 。但尺寸系數(shù)根據(jù)不同結(jié) 構(gòu)按下列公式計算。 未加強(qiáng)焊制三通： 3 2 9 . 0 m p r S 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)（m） v三通的應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 厚壁管加強(qiáng)焊制三通： 是與之相連管壁厚 是三通主管壁厚 S ；S r S S S p 1 5 . 2 1 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)（m） v三通的應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 披肩加強(qiáng)焊制三通： 是與之相連管壁厚

17、是披肩壁厚 S ；S r S S SS p 2 5 . 2 2 5 . 0 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)（m） v三通的應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 單筋或蝶式強(qiáng)焊制三通： v1普通三通：（a）單筋d1.5S；（b）蝶 式bS，h2.5S (d是筋厚，b是蝶厚，h是蝶高) p r S 25. 3 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)（m） v三通的應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 單筋或蝶式強(qiáng)焊制三通： v2厚壁三通：（a）單筋d1.5S；（b）蝶 式bS1，h2.5S1 (d是筋厚，b是蝶厚，h是蝶高) p r S S SS 5 . 2 1 6 . 0 壓力容器強(qiáng)度及

18、應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)（m） v三通的應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 單筋或蝶式強(qiáng)焊制三通： v熱壓三通： 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v柔性系數(shù)和應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)（m） v三通的應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) 單筋或蝶式強(qiáng)焊制三通： v熱壓三通： 。R ；SS SRr SS S： r r r S S S pp 過渡處的外圓弧半徑是三通支管與主管連接 過渡處壁厚是三通支管與主管連接是三通支管壁厚 其中 00 01 00 1 1 5 . 2 1 2 1 異徑（支管與主管直徑比值0.5）的熱壓或焊接三通，仍 按以上公式計算 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v管系的柔性計算：是計算管道由于持續(xù)外 載和熱負(fù)荷而產(chǎn)

19、生的力與力矩。 v管系的應(yīng)力驗算：指管道的應(yīng)力計算及分 析。 v管道端點上的力和力矩計算也是管道柔性 分析的一個重要內(nèi)容，便于校核作用在管 端設(shè)備上的載荷，評價對管端設(shè)備的影響。 由于管系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手工算法工作量太大， 目前一般采用計算機(jī)程序計算。 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v對某些無支架約束的管系，如果滿足： 式中： 管系合成熱膨脹量；L 管系的實 際總長；U 固定支架間的直線距離。 且不要求了解管端處的詳細(xì)情況，可不對 管系進(jìn)行柔性計算。 3 .208 2 UL Dw 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v力法和位移法 力法 以管系的多余未 知力為基本未知 量，通過結(jié)構(gòu)的 變形協(xié)調(diào)條件來 求出多余未知力

20、 的方法。 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v力法和位移法 力法 對右圖的空間兩支點管系， 釋放B端代之以支反力，由于 空間有六個自由度，三個坐 標(biāo)方向，三個繞軸轉(zhuǎn)動方向， 按照前面平面問題的解法， 可列出六個方程，或?qū)懗删?陣形式的方程，如下式： FPB=D 各矩陣展開式為： 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v注意這里矩陣D中的各位移，如果包含各 已知外力引起的位移和熱膨脹引起的位移， 就能求得B點處在這些外力和由于溫度變 化共同引起的支座反力 z y x z y x z y x z y x B D M M M P P P PF 666564636261 565554535251 464544434241

21、363534333231 262524232221 161514131211 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v力法和位移法 力法 對于更復(fù)雜管系，如右圖的 三支點和下頁圖的四支點管 系，它們的求解方法是，在 分叉點將其分離。如右圖分 成三個支管得到三個方程組， 由于在分叉點的位移dc未知， 但在分叉點三個支管在該點 的合力等于零，作為約束條 件，可把三個方程組簡化成 二個方程組。最后得到的二 個方程組，每個方程組是6個 方程，結(jié)果是12個一次方程 組，是12元一次方程組。 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v力法和位移法 力法 四支管的分支管系。右 圖分成五個支管先得到 五個方程組，有兩個分 叉點，在分叉點有

22、二個 分叉點位移未知，有二 個分叉點合力等于零的 平衡條件，可使五個方 程組，簡化成三個方程 組，得到18元一次方程 組，可解。 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v力法和位移法 力法 對于更復(fù)雜的問題，如有分叉點、支座、法 蘭、閥門、三通、四通等處，進(jìn)行分離，代 之以未知力，分離的每段管段，中間無以上 各種元件，列出它們的方程，然后根據(jù)在分 離點建立各未知力的平衡方程作為補充方程， 就建立了與未知力相同數(shù)目的方程組，可以 進(jìn)行求解。 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v位移法 以獨立結(jié)點的位移（線位移和角位移）為基本未 知量，求解在分離點未知位移的方法。 上面三支點圖的獨立結(jié)點是C；四支點圖的獨立 結(jié)點是T，V

23、。三支點圖可得方程組： 四支點圖可得方程組： BCACCOc DKDKDKdKKK 321321 BVCVTV ATVTTO V T DKDKDK DKDKDK d d KKKK KKKK 432 521 4322 2321 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v等值剛度法 對樹枝狀管系， 支吊架也視為一 個無熱膨脹及重 量，但有一定剛 度的分支。 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v如圖所示的管系，規(guī)定一個管端作 為始端，其余的管端作為末端，自 任一末端開始，將相鄰的兩分支合 并成一個分支。而使該合成的分支 與原真實的兩分支的剛度等值，其 在分叉點處的位移與管道真實分叉 點的位移相等。再用這一合成的分 支與其相鄰

24、的分支按同樣的原則合 成，逐分叉點向始端方向合并，最 終將整個樹枝狀管道在始端處合并 成一個剛度等值的單支管道，在求 得此單支管道的始端作用力后，再 往回逐岔分解并計算各分叉點的位 移及分支的作用力，這樣就能解得 管系的各作用力及位移。 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v有限單元法 實際上就是位移法。可用綜合性有限元程序計算。 v表算法 手算法的列表進(jìn)行計算。 v管道應(yīng)力驗算 在求得管系各分支段的反力后,可求得管子中的應(yīng)力，然 后根據(jù)這些應(yīng)力的性質(zhì)進(jìn)行驗算。 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v管道應(yīng)力驗算 管道內(nèi)壓折算應(yīng)力驗算公式 由于壓力管道一般采用塑性材料，采用最大剪應(yīng)力理 論可得下式： T w re C

25、S CSDp 2 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v管道應(yīng)力驗算 管道內(nèi)壓和持續(xù)外載合成軸向應(yīng)力的驗算公式 按照最大剪應(yīng)力理論得下式： 式中的持續(xù)外載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和彎扭當(dāng)量應(yīng)力，分別 按下兩式計算： 是環(huán)向焊縫系數(shù)。對碳鋼和低合金鋼取0.9，對于高鉻 鋼取0.7 管子的軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力公式計算： T rzzzrzh 211 T zzzzh 211 或 W Mm A P zz 21 24 2 p SDS pD r n n z 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v管道應(yīng)力驗算 二次應(yīng)力驗算公式 v一次加二次應(yīng)力 當(dāng)量應(yīng)力分別按最大拉應(yīng)力理論和最大剪應(yīng)力理論 得下列兩式： 取兩者中的最大值。驗算公式為下式： 2

26、2 2 2 2 22 4 45 . 0 zh zhzh T f25. 1 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v管道應(yīng)力驗算 二次應(yīng)力驗算公式 v僅驗算熱脹彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力 合成當(dāng)量應(yīng)力按最大剪應(yīng)力理論得： 強(qiáng)度條件為： W Mm MMMmm ZYXz f 22222 3 4 1 25. 1 25. 025. 1 zh T f T f f f 或 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v補償器 能減小熱應(yīng)力的彎曲管段和伸縮裝置 自然補償器 由管道布置自然形成彎曲管段，吸收管道的熱膨冷縮變形。 有L型和Z型等型式 人工補償器 有型、波形、填料函式（套管式和球形）。專門設(shè)置用于 吸收管道熱膨脹的彎曲管段或伸縮裝置。 型補償

27、器結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、投資少，在石油化工管道 設(shè)計中廣泛采用。 波形補償器補償能力大、占地少，但制造較為復(fù)雜，價格高， 適用于低壓大直徑管道。波形補償器又稱為波紋管膨脹節(jié)， 其結(jié)構(gòu)型式較多，分為帶約束和無約束兩類。 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v管道自補償能力的判別條件 對具有同一直徑、同一壁厚、無支管、兩端固定、無中間 約束的非劇毒介質(zhì)管道，滿足上式管道具有自補償能力， 可不進(jìn)行管道詳細(xì)應(yīng)力分析 v冷緊技術(shù) 先將管道切去一段預(yù)定長度，安裝時再拉緊就位，使管道 產(chǎn)生一預(yù)拉伸，當(dāng)管道工作在較高溫度熱脹時，

28、抵消一部 分變形，從而減少管道應(yīng)力的技術(shù)。與敏感設(shè)備相連的管 道不宜采用冷緊技術(shù)。 3 .208 2 UL Dw 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v支吊架的功能 支吊架的功能分為三個方面：承受管道載荷；限制管 道位移；控制管道振動 v承重支吊架 恒力支吊架 變力支吊架 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v承重支吊架 剛性支吊架 限位支吊架 v限位裝置 v導(dǎo)向裝置 v固定支架 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v承重支吊架 振動控制裝置 v減振裝置 v阻尼裝置 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v支吊架選用及設(shè)置 強(qiáng)度條件 由管道重量等外載引起和管道軸向彎曲應(yīng)力不得超 過規(guī)定的許用值，即按照彎曲理論來決定管道的最 大跨距 按強(qiáng)度條件

29、確定水平管道的最大跨距兩端簡 支均布載荷管道的最大應(yīng)力（在管道中間截 面） v兩端簡支均布載荷管道的最大應(yīng)力（在管道中間 截面） 8 2 max qL M 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v支吊架選用及設(shè)置 兩端固支均布載荷管道的最大應(yīng)力（在管道端部） 因?qū)嶋H管道既不是固支，又不是簡支，介于二者 之間。多數(shù)情況下還是連續(xù)管道。在工程中取最 大彎矩為： 最大跨距為： 一般取20MPa。 12 2 max qL M 10 2 max qL M W qL W M 10 2 max max q W L 10 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v支吊架選用及設(shè)置 剛度條件 限制管道在一定跨度下的撓度不得超過規(guī)定的允許值

30、按剛度條件確定最大跨距 一般工業(yè)管道規(guī)定管道撓曲產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角不得大于管道坡度， 即：maxi 如圖，i=h/L，一般取i=0.0020.003。 由承受均布載荷的連續(xù)水平管道的最 大撓曲角可得下式： 工程中一般取按強(qiáng)度和剛度兩個條件計算的最大跨距中最小 的作為管道跨度。 L h i max 3 3 max 5 125q iEI L EI qL 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v支吊架選用及設(shè)置 管道上的風(fēng)載荷 式中：C系數(shù)，一般取1.21.8之間； q不同高度的風(fēng)壓值，q=KZW0； KZ風(fēng)壓高度變化系數(shù)，風(fēng)下頁表； W0在10米高處的基本風(fēng)壓值。 qCLDP w 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v風(fēng)壓高度變化

31、系數(shù) 離地面或海面 高度（米） 陸上海上 50.780.84 101.001.00 151.151.10 201.251.18 301.411.29 401.541.37 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v設(shè)置支吊架的原則 盡量在靠近閥門等較重管件處設(shè)置支吊架；在垂直 管道上設(shè)置管架時最好使管架位于管道重心的上方， 盡量做到使機(jī)器設(shè)備的接口不承重。 盡量保持管系有足夠的柔性，不影響管系的自然補 償；不宜在過分靠近彎頭和支管連接部位設(shè)置導(dǎo)向 支架；彈簧支吊架應(yīng)設(shè)置在熱脹等位移小的地方。 管道固定點位置應(yīng)滿足下列要求： v對于復(fù)雜管道可用固定點將其劃分成幾個形狀較 為簡單的管段，如L形管段、U形管段、Z形管段 等以便進(jìn)行分析計算； 壓力容器強(qiáng)度及應(yīng)力分析 v設(shè)置支吊架的