壓力管道應(yīng)力分析

1、第二章壓力管道強(qiáng)度及應(yīng)力分析楊玉芬一、壓力管道應(yīng)力分析的目的和意義 1 1、壓力管道的安全運(yùn)行意義重大、壓力管道的安全運(yùn)行意義重大 一套完整的工藝裝置，只有通過管道按照流一套完整的工藝裝置，只有通過管道按照流程需要將工藝過程所必須的各種機(jī)械裝備加程需要將工藝過程所必須的各種機(jī)械裝備加以連接才能進(jìn)行正常的生產(chǎn)。以連接才能進(jìn)行正常的生產(chǎn)。 另外，工藝裝置能否長期安全生產(chǎn)和具有足另外，工藝裝置能否長期安全生產(chǎn)和具有足夠的使用壽命也與管道設(shè)計(jì)的好壞密切相關(guān)。夠的使用壽命也與管道設(shè)計(jì)的好壞密切相關(guān)。 因此，管道設(shè)計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)裝置不可缺少的因此，管道設(shè)計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)裝置不可缺少的重要組成部分，我們必須給予高

2、度的重視。重要組成部分，我們必須給予高度的重視。 我們所討論的壓力管道是指我們所討論的壓力管道是指壓力管道安全壓力管道安全管理與監(jiān)察規(guī)定管理與監(jiān)察規(guī)定限定范圍內(nèi)的管道，管道限定范圍內(nèi)的管道，管道中通常都是高溫（或超低溫）、高壓、易燃、中通常都是高溫（或超低溫）、高壓、易燃、易爆、有毒等危險(xiǎn)性較大的介質(zhì)。易爆、有毒等危險(xiǎn)性較大的介質(zhì)。 因此，壓力管道一旦發(fā)生安全事故，都會造因此，壓力管道一旦發(fā)生安全事故，都會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員的傷亡，這些在國成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員的傷亡，這些在國內(nèi)外都一有了大量的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。內(nèi)外都一有了大量的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。 保障壓力管道的安全運(yùn)行，首先要通過合理保障壓力管道

3、的安全運(yùn)行，首先要通過合理的設(shè)計(jì)保障管道的強(qiáng)度。的設(shè)計(jì)保障管道的強(qiáng)度。 2 2、管道所承受的載荷復(fù)雜、管道所承受的載荷復(fù)雜 作用于管道的載荷有：作用于管道的載荷有： （1 1）管內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的壓力）管內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的壓力 介質(zhì)產(chǎn)生的壓力主要在管子中產(chǎn)生環(huán)向介質(zhì)產(chǎn)生的壓力主要在管子中產(chǎn)生環(huán)向的使管子直徑增大或縮小的變形，這也的使管子直徑增大或縮小的變形，這也是管子本身發(fā)生破裂的主要影響因素。是管子本身發(fā)生破裂的主要影響因素。 同時(shí)，介質(zhì)的壓力在遠(yuǎn)端軸向還會在管同時(shí)，介質(zhì)的壓力在遠(yuǎn)端軸向還會在管子中產(chǎn)生軸向拉（壓）應(yīng)力而引起某些子中產(chǎn)生軸向拉（壓）應(yīng)力而引起某些附加載荷。附加載荷。 對于厚壁管，還會產(chǎn)生

4、沿半徑方向的載對于厚壁管，還會產(chǎn)生沿半徑方向的載荷。荷。 （2 2）管子重量（自身、介質(zhì)、保溫層）管子重量（自身、介質(zhì)、保溫層） 高壓、大直徑鋼管的重量（自身、介質(zhì)、高壓、大直徑鋼管的重量（自身、介質(zhì)、保溫層）不容忽視。保溫層）不容忽視。 管子重量在水平布置的接管中產(chǎn)生類似管子重量在水平布置的接管中產(chǎn)生類似于梁的變形，而在豎直布置的接管中產(chǎn)于梁的變形，而在豎直布置的接管中產(chǎn)生壓應(yīng)力，困難造成失穩(wěn)破壞。生壓應(yīng)力，困難造成失穩(wěn)破壞。 （3 3）零部件的重量）零部件的重量 （4 4）支吊架產(chǎn)生的支反力）支吊架產(chǎn)生的支反力 （5 5）風(fēng)力、地震產(chǎn)生的載荷）風(fēng)力、地震產(chǎn)生的載荷 （6 6）管道溫度變化所

5、產(chǎn)生的溫差應(yīng)力）管道溫度變化所產(chǎn)生的溫差應(yīng)力 （7 7）管道安裝所產(chǎn)生的約束力）管道安裝所產(chǎn)生的約束力 （8 8）設(shè)備的變形或位移在管道上產(chǎn)生的）設(shè)備的變形或位移在管道上產(chǎn)生的附加載荷附加載荷 （9 9）此外，還有介質(zhì)在管內(nèi)的流動(dòng)所引）此外，還有介質(zhì)在管內(nèi)的流動(dòng)所引起的各種動(dòng)載荷起的各種動(dòng)載荷3 3、不同性質(zhì)的載荷對管道安全的影響有很、不同性質(zhì)的載荷對管道安全的影響有很大差別大差別例如：例如：（1 1）隨著管內(nèi)介質(zhì)壓力的增加，管壁的應(yīng)）隨著管內(nèi)介質(zhì)壓力的增加，管壁的應(yīng)力水平會不斷加大，直至破壞，這種狀態(tài)稱力水平會不斷加大，直至破壞，這種狀態(tài)稱為應(yīng)力沒有自限性。為應(yīng)力沒有自限性。（2 2）隨著管

6、內(nèi)溫度增加，由于有約束存在，）隨著管內(nèi)溫度增加，由于有約束存在，管壁的應(yīng)力水平也會加大，但當(dāng)達(dá)到一定程管壁的應(yīng)力水平也會加大，但當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，如材料屈服，由溫差產(chǎn)生的應(yīng)力會逐度時(shí)，如材料屈服，由溫差產(chǎn)生的應(yīng)力會逐漸降下來，這種性質(zhì)成為應(yīng)力具有自限性。漸降下來，這種性質(zhì)成為應(yīng)力具有自限性。 不同性質(zhì)的載荷，在管道中所產(chǎn)生的應(yīng)力不同性質(zhì)的載荷，在管道中所產(chǎn)生的應(yīng)力對管道安全的影響不同，因此，要根據(jù)不對管道安全的影響不同，因此，要根據(jù)不同類型的載荷采用不同的強(qiáng)度條件，才能同類型的載荷采用不同的強(qiáng)度條件，才能在保障安全的前提下，盡可能的提高管道在保障安全的前提下，盡可能的提高管道運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。運(yùn)行

7、的經(jīng)濟(jì)性。 對于壓力管道，介質(zhì)的內(nèi)壓是最主要對于壓力管道，介質(zhì)的內(nèi)壓是最主要的載荷，也是管道強(qiáng)度計(jì)算的主要依據(jù)的載荷，也是管道強(qiáng)度計(jì)算的主要依據(jù)。4、壓力管道應(yīng)力分析的目的、壓力管道應(yīng)力分析的目的 壓力管道的設(shè)計(jì)壓力管道的設(shè)計(jì)應(yīng)應(yīng)能夠適應(yīng)介質(zhì)的壓力、能夠適應(yīng)介質(zhì)的壓力、溫度和介質(zhì)的操作條件，設(shè)計(jì)的核心問題是溫度和介質(zhì)的操作條件，設(shè)計(jì)的核心問題是研究壓力管道在外載荷作用下，有效地抵抗研究壓力管道在外載荷作用下，有效地抵抗變形和破壞的能力，即處理強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)變形和破壞的能力，即處理強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題，保證壓力管道的定性問題，保證壓力管道的安全性和經(jīng)濟(jì)性。安全性和經(jīng)濟(jì)性。 因此，對壓力管道進(jìn)行

8、較為充分的載荷因此，對壓力管道進(jìn)行較為充分的載荷和應(yīng)力、應(yīng)力與變形分析，構(gòu)成了壓力管道和應(yīng)力、應(yīng)力與變形分析，構(gòu)成了壓力管道設(shè)計(jì)的重要理論基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的重要理論基礎(chǔ)。二、壓力管道應(yīng)力分析 1 1、載荷的分類、載荷的分類 （1 1）根據(jù)作用時(shí)間分：）根據(jù)作用時(shí)間分： 持續(xù)載荷持續(xù)載荷 介質(zhì)壓力、重量、支反力、熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力等介質(zhì)壓力、重量、支反力、熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力等 瞬間載荷瞬間載荷 臨時(shí)作用于管道的載荷，臨時(shí)作用于管道的載荷， 風(fēng)載荷、地震載荷等風(fēng)載荷、地震載荷等 （2 2）根據(jù)作用性質(zhì)分：）根據(jù)作用性質(zhì)分： 靜載荷靜載荷 緩慢、毫無振動(dòng)的、使管道不產(chǎn)生顯著運(yùn)緩慢、毫無振動(dòng)的、使管道不產(chǎn)生顯著

9、運(yùn)動(dòng)的載荷動(dòng)的載荷 動(dòng)載荷動(dòng)載荷 管道振動(dòng)、壓力沖擊、風(fēng)，地震載荷等管道振動(dòng)、壓力沖擊、風(fēng)，地震載荷等 （3 3）載荷的自限性）載荷的自限性 自限性載荷是指由于結(jié)構(gòu)變形自限性載荷是指由于結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)過程中過程中所產(chǎn)生的載荷，例如：設(shè)備接所產(chǎn)生的載荷，例如：設(shè)備接管處。管處。 在管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，主要考慮的載在管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，主要考慮的載荷有介質(zhì)內(nèi)壓、自重、支反力，及附荷有介質(zhì)內(nèi)壓、自重、支反力，及附加位移等，介質(zhì)內(nèi)壓是強(qiáng)度計(jì)算的最加位移等，介質(zhì)內(nèi)壓是強(qiáng)度計(jì)算的最主要的依據(jù)。主要的依據(jù)。 2 2、應(yīng)力分類、應(yīng)力分類 （1 1）應(yīng)力的概念及管道的破壞）應(yīng)力的概念及管道的破壞 應(yīng)力的基本定義是

10、指構(gòu)件單位面積上所應(yīng)力的基本定義是指構(gòu)件單位面積上所承受的承受的內(nèi)力內(nèi)力 一般來說，應(yīng)力的值隨外載荷增大而增一般來說，應(yīng)力的值隨外載荷增大而增大，而各種材料對應(yīng)力的承受能力有一個(gè)大，而各種材料對應(yīng)力的承受能力有一個(gè)極限，稱為強(qiáng)度極限，當(dāng)應(yīng)力的值達(dá)到或極限，稱為強(qiáng)度極限，當(dāng)應(yīng)力的值達(dá)到或超過材料的極限時(shí)，材料就可能發(fā)生諸如超過材料的極限時(shí)，材料就可能發(fā)生諸如過度變形、開裂、斷裂、失穩(wěn)等現(xiàn)象，稱過度變形、開裂、斷裂、失穩(wěn)等現(xiàn)象，稱為失效或破壞。為失效或破壞。 （2 2）應(yīng)力分類）應(yīng)力分類 壓力管道應(yīng)力分類的依據(jù)是應(yīng)力對壓力管道應(yīng)力分類的依據(jù)是應(yīng)力對管道強(qiáng)度破壞所起作用的大小。管道強(qiáng)度破壞所起作用的

11、大小。 這種作用又取決于下列兩個(gè)因素：這種作用又取決于下列兩個(gè)因素： A A、應(yīng)力產(chǎn)生的原因、應(yīng)力產(chǎn)生的原因 即應(yīng)力是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形即應(yīng)力是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的 外載荷是機(jī)械載荷還是熱載荷；外載荷是機(jī)械載荷還是熱載荷；B B、應(yīng)力的作用區(qū)域和分布形式、應(yīng)力的作用區(qū)域和分布形式即應(yīng)力的作用是總體范圍還是局部范圍的即應(yīng)力的作用是總體范圍還是局部范圍的沿厚度的分布是均勻的還是線性的或非線性沿厚度的分布是均勻的還是線性的或非線性的。的。目前，比較通用的應(yīng)力分類方法是將壓力管目前，比較通用的應(yīng)力分類方法是將壓力管道中的應(yīng)力分為三大類：道中的應(yīng)力分為三大類

12、：一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。 1）一次應(yīng)力（）一次應(yīng)力（P） 一次應(yīng)力是指平衡外加機(jī)械載荷所必須的一次應(yīng)力是指平衡外加機(jī)械載荷所必須的應(yīng)力。應(yīng)力。 一次應(yīng)力必須滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的一次應(yīng)力必須滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的靜力平衡關(guān)系，它隨外載荷的增加而增加，靜力平衡關(guān)系，它隨外載荷的增加而增加，不會因達(dá)到材料的屈服點(diǎn)而自行限制，所以，不會因達(dá)到材料的屈服點(diǎn)而自行限制，所以，一次應(yīng)力的基本特征是一次應(yīng)力的基本特征是“非自限性非自限性”。 如：管道介質(zhì)壓力、支反力、集中載荷等。如：管道介質(zhì)壓力、支反力、集中載荷等。 另外，當(dāng)一次應(yīng)力超過屈服點(diǎn)時(shí)將引起管另外，當(dāng)

13、一次應(yīng)力超過屈服點(diǎn)時(shí)將引起管道總體范圍內(nèi)的顯著變形或破壞，對管道道總體范圍內(nèi)的顯著變形或破壞，對管道的失效及破壞影響最大。的失效及破壞影響最大。 一次應(yīng)力還可分為以下三種一次應(yīng)力還可分為以下三種 : a一次總體薄膜應(yīng)力一次總體薄膜應(yīng)力 Pm 一次總體薄膜應(yīng)力是指沿厚度方向均勻分一次總體薄膜應(yīng)力是指沿厚度方向均勻分布的應(yīng)力，等于沿厚度方向的應(yīng)力平均值。布的應(yīng)力，等于沿厚度方向的應(yīng)力平均值。 一次總體薄膜應(yīng)力達(dá)到材料的屈服點(diǎn)就意一次總體薄膜應(yīng)力達(dá)到材料的屈服點(diǎn)就意味著管道在整體范圍內(nèi)發(fā)生屈服，應(yīng)力不味著管道在整體范圍內(nèi)發(fā)生屈服，應(yīng)力不重新分布，而是直接導(dǎo)致破壞。重新分布，而是直接導(dǎo)致破壞。 b一次

14、彎曲應(yīng)力一次彎曲應(yīng)力Pb 一次彎曲應(yīng)力是指沿厚度線性分布的應(yīng)力。一次彎曲應(yīng)力是指沿厚度線性分布的應(yīng)力。它在內(nèi)、外表面上大小相等、方向相反。它在內(nèi)、外表面上大小相等、方向相反。 這種應(yīng)力在達(dá)到屈服極限時(shí)，只是表面屈這種應(yīng)力在達(dá)到屈服極限時(shí)，只是表面屈服，如果繼續(xù)增加載荷，則屈服加深，直服，如果繼續(xù)增加載荷，則屈服加深，直至最后破壞，因此其破壞時(shí)的應(yīng)力大于一至最后破壞，因此其破壞時(shí)的應(yīng)力大于一次總體薄膜應(yīng)力。次總體薄膜應(yīng)力。 如：風(fēng)載荷在管壁產(chǎn)生的軸向彎曲應(yīng)力。如：風(fēng)載荷在管壁產(chǎn)生的軸向彎曲應(yīng)力。 c c一次局部薄膜應(yīng)力（一次局部薄膜應(yīng)力（P Pl l） 一次局部薄膜應(yīng)力是在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)由內(nèi)一次局

15、部薄膜應(yīng)力是在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)由內(nèi)壓或其他機(jī)械載荷產(chǎn)的薄膜應(yīng)力和結(jié)構(gòu)不壓或其他機(jī)械載荷產(chǎn)的薄膜應(yīng)力和結(jié)構(gòu)不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力統(tǒng)稱為一次局部連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力統(tǒng)稱為一次局部薄膜應(yīng)力。薄膜應(yīng)力。 這種應(yīng)力只引起局部屈服這種應(yīng)力只引起局部屈服如管子與設(shè)備的焊接處或法蘭盤與管子的如管子與設(shè)備的焊接處或法蘭盤與管子的連接處。連接處。 2）二次應(yīng)力）二次應(yīng)力(Q) 二次應(yīng)力是指由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的二次應(yīng)力是指由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的應(yīng)力。自身約束所引起的應(yīng)力。 二次應(yīng)力不是由外載荷直接產(chǎn)生的，其作二次應(yīng)力不是由外載荷直接產(chǎn)生的，其作用不是為平衡外載荷，而是結(jié)構(gòu)在受載時(shí)用不是為平衡外

16、載荷，而是結(jié)構(gòu)在受載時(shí)變形協(xié)調(diào)而使應(yīng)力得到緩解變形協(xié)調(diào)而使應(yīng)力得到緩解 。 一般壓力管道上所產(chǎn)生的二次應(yīng)力，主要一般壓力管道上所產(chǎn)生的二次應(yīng)力，主要是考慮由于熱脹冷縮以及位移受到約束所是考慮由于熱脹冷縮以及位移受到約束所產(chǎn)生的應(yīng)力。通常稱為熱脹二次應(yīng)力。產(chǎn)生的應(yīng)力。通常稱為熱脹二次應(yīng)力。 二次應(yīng)力的特點(diǎn)是自限性二次應(yīng)力的特點(diǎn)是自限性 。 3 3）峰值應(yīng)力）峰值應(yīng)力F F 峰值應(yīng)力是由于載荷、結(jié)構(gòu)形狀突變而引峰值應(yīng)力是由于載荷、結(jié)構(gòu)形狀突變而引起的局部應(yīng)力集中的最高應(yīng)力值起的局部應(yīng)力集中的最高應(yīng)力值, ,是引起疲是引起疲勞破壞或脆性斷裂的可能根源。勞破壞或脆性斷裂的可能根源。 3 3、承壓管道中

17、的應(yīng)力分布、承壓管道中的應(yīng)力分布 （1 1）管壁中的應(yīng)力狀態(tài)）管壁中的應(yīng)力狀態(tài) 在承受內(nèi)（外）壓力作用的管道器壁中，在承受內(nèi)（外）壓力作用的管道器壁中，由于管道幾何形狀的軸對稱性質(zhì)，可能產(chǎn)由于管道幾何形狀的軸對稱性質(zhì)，可能產(chǎn)生的主應(yīng)力有生的主應(yīng)力有 、z z 、r r 。 當(dāng)管壁的厚度與管直徑相比較小時(shí)，在半當(dāng)管壁的厚度與管直徑相比較小時(shí)，在半徑方向的擠壓應(yīng)力徑方向的擠壓應(yīng)力r r可以忽略不計(jì)，管壁可以忽略不計(jì)，管壁內(nèi)只有兩個(gè)方向的主應(yīng)力，稱為兩向應(yīng)力內(nèi)只有兩個(gè)方向的主應(yīng)力，稱為兩向應(yīng)力狀態(tài)或平面應(yīng)力狀態(tài)，反之，稱為三向應(yīng)狀態(tài)或平面應(yīng)力狀態(tài)，反之，稱為三向應(yīng)力狀態(tài)或平面應(yīng)力狀態(tài)力狀態(tài)或平面應(yīng)力

18、狀態(tài) （2 2）薄壁管與厚壁管）薄壁管與厚壁管 當(dāng)管道外徑當(dāng)管道外徑/ /內(nèi)徑內(nèi)徑 1.21.2時(shí)，時(shí)，管道稱為薄壁管，管道稱為薄壁管，應(yīng)力分布為兩向應(yīng)力狀態(tài)或平面應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力分布為兩向應(yīng)力狀態(tài)或平面應(yīng)力狀態(tài)。 反之稱為厚壁管，應(yīng)力分布為三向應(yīng)力狀反之稱為厚壁管，應(yīng)力分布為三向應(yīng)力狀態(tài)或平面應(yīng)變狀態(tài)。態(tài)或平面應(yīng)變狀態(tài)。 （3 3）三向應(yīng)力的計(jì)算公式（）三向應(yīng)力的計(jì)算公式（GB 50316)GB 50316) = PD= PDn n / 2te / 2te z z= PD= PDn n2 2 / 4te (D / 4te (Dn n+te)+te) r r= - P / 2= - P / 2

19、式中：式中：P P 介質(zhì)內(nèi)壓介質(zhì)內(nèi)壓 MPaMPa D Dn n 管子的內(nèi)徑管子的內(nèi)徑 mmmm te te 管子的有效管子的有效( (當(dāng)量）壁厚當(dāng)量）壁厚 mmmm （4 4）其他載荷在管壁中產(chǎn)生的應(yīng)力主要在）其他載荷在管壁中產(chǎn)生的應(yīng)力主要在管道的軸向管道的軸向 管子重量（自身、介質(zhì)、保溫層）管子重量（自身、介質(zhì)、保溫層） 零部件的重量零部件的重量 支吊架產(chǎn)生的支反力支吊架產(chǎn)生的支反力 風(fēng)力、地震產(chǎn)生的載荷風(fēng)力、地震產(chǎn)生的載荷 管道溫度變化所產(chǎn)生的溫差應(yīng)力管道溫度變化所產(chǎn)生的溫差應(yīng)力 管道安裝所產(chǎn)生的約束力管道安裝所產(chǎn)生的約束力 設(shè)備的變形或位移在管道上產(chǎn)生的附加載設(shè)備的變形或位移在管道上產(chǎn)

20、生的附加載荷荷三、一般壓力管道應(yīng)力許用值的限定 1 1、材料的極限值、材料的極限值 屈服極限屈服極限s s、斷裂極限、斷裂極限b b、蠕變極限、蠕變極限D(zhuǎn) D、疲勞極限等疲勞極限等n n 2 2、安全系數(shù)、安全系數(shù) n ns s =1.5 =1.5 、 n nb b=3=3 3 3、許用應(yīng)力、許用應(yīng)力 =min =min s s/ n/ ns s 、 b b/ n/ nb b 許用應(yīng)力許用應(yīng)力是在考慮了各種可能因素的情況是在考慮了各種可能因素的情況下人為指定的應(yīng)力許用上限，一般由查表得下人為指定的應(yīng)力許用上限，一般由查表得到。到。 4 4、失效準(zhǔn)則、失效準(zhǔn)則 失效準(zhǔn)則是指在判斷構(gòu)件是否失效時(shí)所

21、應(yīng)失效準(zhǔn)則是指在判斷構(gòu)件是否失效時(shí)所應(yīng)用的最高應(yīng)力限制，通常的表達(dá)式為：用的最高應(yīng)力限制，通常的表達(dá)式為： max max 該式也稱為強(qiáng)度條件該式也稱為強(qiáng)度條件 （1 1）一次應(yīng)力的強(qiáng)度條件）一次應(yīng)力的強(qiáng)度條件 對于一次應(yīng)力，根據(jù)極限載荷準(zhǔn)則來對于一次應(yīng)力，根據(jù)極限載荷準(zhǔn)則來規(guī)定其許用應(yīng)力值，這是一個(gè)防止結(jié)構(gòu)過規(guī)定其許用應(yīng)力值，這是一個(gè)防止結(jié)構(gòu)過度變形的準(zhǔn)則。度變形的準(zhǔn)則。 一般進(jìn)行下列兩項(xiàng)驗(yàn)算：一般進(jìn)行下列兩項(xiàng)驗(yàn)算： 1）管道在工作條件下，內(nèi)壓折算應(yīng)力的驗(yàn)算 內(nèi)壓在管道器壁上產(chǎn)生的主應(yīng)力分別為： 環(huán)向、軸向、徑向 強(qiáng)度條件為，最大當(dāng)量應(yīng)力不超過材料在工作溫度下的基本許用應(yīng)力 e t 其中:

22、e 內(nèi)壓折算應(yīng)力或叫當(dāng)量應(yīng)力 t 操作時(shí)，管道器壁的溫度 2）管道在工作條件下，內(nèi)壓軸向應(yīng)力和持續(xù)外載荷的驗(yàn)算 軸向應(yīng)力 除了內(nèi)壓外，外載荷如管道重量、部件重量、支反力也會在軸向產(chǎn)生彎曲應(yīng)力與內(nèi)壓軸向應(yīng)力疊加。 強(qiáng)度條件為，最大當(dāng)量應(yīng)力不超過材料在工作溫度下的基本許用應(yīng)力 zhl t 該公式的含義為： 當(dāng)以環(huán)向應(yīng)力作為最大應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)后，還應(yīng)校核與環(huán)向應(yīng)力垂直方向上的軸向應(yīng)力是否滿足要求，因軸向應(yīng)力復(fù)雜。 （2 2）二次應(yīng)力的強(qiáng)度條件）二次應(yīng)力的強(qiáng)度條件 二次應(yīng)力產(chǎn)生的破壞，是在反復(fù)加載二次應(yīng)力產(chǎn)生的破壞，是在反復(fù)加載及冷熱交換作用下引起的疲勞破壞，根據(jù)及冷熱交換作用下引起的疲勞破壞，根據(jù)

23、安定性準(zhǔn)則來規(guī)定其許用應(yīng)力值，這是一安定性準(zhǔn)則來規(guī)定其許用應(yīng)力值，這是一個(gè)防止結(jié)構(gòu)反復(fù)發(fā)生正反方向屈服變形的個(gè)防止結(jié)構(gòu)反復(fù)發(fā)生正反方向屈服變形的準(zhǔn)則。準(zhǔn)則。 對這類應(yīng)力限定，并不是限定一個(gè)時(shí)對這類應(yīng)力限定，并不是限定一個(gè)時(shí)期的應(yīng)力水平，而是控制其交變循環(huán)次數(shù)期的應(yīng)力水平，而是控制其交變循環(huán)次數(shù) 強(qiáng)度條件為：強(qiáng)度條件為： 內(nèi)壓和持續(xù)外載荷產(chǎn)生的一次、二次內(nèi)壓和持續(xù)外載荷產(chǎn)生的一次、二次應(yīng)力應(yīng)力e e： e e 1.25 f ( + 1.25 f ( + t t ) ) 單獨(dú)計(jì)算熱脹二次單獨(dú)計(jì)算熱脹二次應(yīng)力應(yīng)力e e ： e e f (1.25 + 0.25 f (1.25 + 0.25t t )

24、 ) 考慮軸向載荷時(shí)，單獨(dú)計(jì)算熱脹二次考慮軸向載荷時(shí)，單獨(dú)計(jì)算熱脹二次應(yīng)力應(yīng)力e e ： e e f1.25 ( + f1.25 ( + t t )- )-zhlzhl 其中：其中：f f為修正系數(shù)。（為修正系數(shù)。（p33)p33)四、壓力管道的強(qiáng)度計(jì)算 1 1、承受內(nèi)壓管子的強(qiáng)度分析、承受內(nèi)壓管子的強(qiáng)度分析 承受內(nèi)壓管子，管內(nèi)任一點(diǎn)上的應(yīng)力承受內(nèi)壓管子，管內(nèi)任一點(diǎn)上的應(yīng)力 狀態(tài)可以用三個(gè)主應(yīng)力來表示：狀態(tài)可以用三個(gè)主應(yīng)力來表示： 1 1 = = PD= PDn n / 2te / 2te 2 2 = =z z= PD= PDn n2 2 / 4te (D / 4te (Dn n+te)+te

25、) 3 3 = =r r= - P / 2= - P / 2 式中：式中：P P 介質(zhì)內(nèi)壓介質(zhì)內(nèi)壓 MPaMPa D Dn n 管子的內(nèi)徑管子的內(nèi)徑 mmmm te te 管子的有效管子的有效( (當(dāng)量）壁厚當(dāng)量）壁厚 mmmm 2 2、管子壁厚計(jì)算（、管子壁厚計(jì)算（GB 50316)GB 50316) （1 1）管子計(jì)算壁厚）管子計(jì)算壁厚tsts 承受內(nèi)壓管子計(jì)算壁厚公式：承受內(nèi)壓管子計(jì)算壁厚公式： ts= PDts= PD0 0 / (2 / (2t tE Ej j+ PY) + PY) 式中：式中： tsts 管子的計(jì)算壁厚管子的計(jì)算壁厚, mm;, mm; P P 管子的設(shè)計(jì)壓力管子的

26、設(shè)計(jì)壓力 MPa;MPa; D D0 0 管子的外徑，管子的外徑， mm;mm; E Ej j 焊接接頭系數(shù)焊接接頭系數(shù); ; t t 管子材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用管子材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用 應(yīng)力應(yīng)力, MPa, MPa。 Y Y 考慮溫差應(yīng)力影響的系數(shù)考慮溫差應(yīng)力影響的系數(shù) （2 2）管子設(shè)計(jì)壁厚）管子設(shè)計(jì)壁厚t tsdsd 在工程上，需要考慮強(qiáng)度削弱因素在工程上，需要考慮強(qiáng)度削弱因素 t tsdsd= t= ts s +C +C 式中：式中： t tsd sd 管子的設(shè)計(jì)壁厚管子的設(shè)計(jì)壁厚, mm;, mm; C C 壁厚附加裕量壁厚附加裕量, mm. , mm. （3 3）管子的名義厚度）

27、管子的名義厚度t tn n t tn n t tsdsd并向上圓整到材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格并向上圓整到材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度的厚度 3 3、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 ts= PDts= PD0 0 / (2 / (2t tE Ej j+ PY)+ PY) （1 1）設(shè)計(jì)壓力）設(shè)計(jì)壓力P P（GB 50316 GB 50316 ，P13)P13) 設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于操作條件最苛刻時(shí)的壓設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于操作條件最苛刻時(shí)的壓力。力。 （2 2）設(shè)計(jì)溫度）設(shè)計(jì)溫度 原則上說，設(shè)計(jì)溫度應(yīng)為管道器壁溫度，實(shí)原則上說，設(shè)計(jì)溫度應(yīng)為管道器壁溫度，實(shí)際設(shè)計(jì)中以介質(zhì)的操作溫度作為設(shè)計(jì)溫度際設(shè)計(jì)中以介質(zhì)的操作溫度作為設(shè)計(jì)溫度

28、 ts= PDts= PD0 0 / (2 / (2t tE Ej j+ PY) + PY) （3 3）許用應(yīng)力）許用應(yīng)力t t （GB 50316 GB 50316 ，P102)P102) 許用應(yīng)力的選取要考慮四方面的因素許用應(yīng)力的選取要考慮四方面的因素: : 材料、使用狀態(tài)、厚度范圍、設(shè)計(jì)溫度材料、使用狀態(tài)、厚度范圍、設(shè)計(jì)溫度 （4 4）焊接接頭系數(shù)）焊接接頭系數(shù)E Ej j（GB 50316 GB 50316 ，P21)P21) E Ej j 1.0 1.0 （5 5）系數(shù)）系數(shù)Y Y （GB 50316 GB 50316 ，P44)P44) 當(dāng)當(dāng) ts Dts D0 0 /6 /6 、

29、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)溫度482482時(shí)時(shí) 對管道常用材料對管道常用材料 Y=0.4 Y=0.4 （6 6）壁厚附加量）壁厚附加量C C（P35)P35) C=C C=C1 1+C+C2 2 式中：式中： C C1 1 管子壁厚負(fù)偏差、彎管減薄量管子壁厚負(fù)偏差、彎管減薄量 的附加值，的附加值，mmmm。C C1 11 1的大小與材的大小與材 料、壁厚及管子級別有關(guān)料、壁厚及管子級別有關(guān) C C2 2 管子腐蝕、磨損減薄量的附加管子腐蝕、磨損減薄量的附加 值，值， mmmm。 C C2 2的大小與介質(zhì)有關(guān)的大小與介質(zhì)有關(guān) 當(dāng)腐蝕不嚴(yán)重時(shí)，單面取當(dāng)腐蝕不嚴(yán)重時(shí)，單面取1-1.5,1-1.5,雙面取雙面取2

30、-32-3 否則，按腐蝕速率和設(shè)計(jì)壽命算否則，按腐蝕速率和設(shè)計(jì)壽命算 練習(xí)：練習(xí)： 1 1、名詞解釋、名詞解釋 （1）一次應(yīng)力）一次應(yīng)力 一次應(yīng)力是指平衡外加機(jī)械載荷所必須的應(yīng)力。一次應(yīng)力是指平衡外加機(jī)械載荷所必須的應(yīng)力。一次應(yīng)力必須滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的靜一次應(yīng)力必須滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的靜力平衡關(guān)系，它隨外載荷的增加而增加，不會力平衡關(guān)系，它隨外載荷的增加而增加，不會因達(dá)到材料的屈服點(diǎn)而自行限制。因達(dá)到材料的屈服點(diǎn)而自行限制。 （2）許用應(yīng)力）許用應(yīng)力 許用應(yīng)力是在考慮了各種可能因素的情況下人許用應(yīng)力是在考慮了各種可能因素的情況下人為指定的應(yīng)力許用上限。為指定的應(yīng)力許用上限。 數(shù)值

31、為材料的強(qiáng)度極限除以安全系數(shù)。數(shù)值為材料的強(qiáng)度極限除以安全系數(shù)。 （3）設(shè)計(jì)壓力）設(shè)計(jì)壓力 設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于操作條件最苛刻時(shí)的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于操作條件最苛刻時(shí)的壓力。壓力。 （4）設(shè)計(jì)溫度）設(shè)計(jì)溫度 原則上說，設(shè)計(jì)溫度應(yīng)為管道器壁溫度，原則上說，設(shè)計(jì)溫度應(yīng)為管道器壁溫度，實(shí)際設(shè)計(jì)中以介質(zhì)的操作溫度作為設(shè)計(jì)實(shí)際設(shè)計(jì)中以介質(zhì)的操作溫度作為設(shè)計(jì)溫度溫度 （5）壁厚附加量）壁厚附加量 C1管子壁厚負(fù)偏差、彎管減薄量的附加管子壁厚負(fù)偏差、彎管減薄量的附加值，值， C2管子腐蝕、磨損減薄量的附加值，管子腐蝕、磨損減薄量的附加值， （6）名義厚度）名義厚度 tn tsd并向上圓整到材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的并向上圓整到

32、材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度厚度 2、問答題、問答題 （1）什么是應(yīng)力的自限性？）什么是應(yīng)力的自限性？ 二次應(yīng)力是由于熱應(yīng)力或變形約束而產(chǎn)二次應(yīng)力是由于熱應(yīng)力或變形約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)在受載時(shí)因變形協(xié)調(diào)而生的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)在受載時(shí)因變形協(xié)調(diào)而使應(yīng)力得到緩解，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力的使應(yīng)力得到緩解，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力的自限性。自限性。 （2）引起管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的）引起管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的靜載荷，其特性有什么不同？表現(xiàn)在什靜載荷，其特性有什么不同？表現(xiàn)在什么地方？么地方？ 一次應(yīng)力是由外載荷作用在管道上引起一次應(yīng)力是由外載荷作用在管道上引起的內(nèi)力，隨外載荷的增加而增加，的內(nèi)力，隨外載荷的增加而增加， 二次

33、應(yīng)力是由于熱應(yīng)力或變形約束而產(chǎn)二次應(yīng)力是由于熱應(yīng)力或變形約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，特點(diǎn)為有自限性。生的應(yīng)力，特點(diǎn)為有自限性。 3 3、計(jì)算題、計(jì)算題 （1 1）某單位需要設(shè)計(jì)壓力為）某單位需要設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa ,1.6 MPa ,設(shè)計(jì)溫度為設(shè)計(jì)溫度為100100，用鋼板直縫卷焊的，用鋼板直縫卷焊的630630鋼管，設(shè)計(jì)采用鋼管，設(shè)計(jì)采用Q235Q235熱軋鋼板雙面熱軋鋼板雙面對接焊，焊縫進(jìn)行對接焊，焊縫進(jìn)行20%20%射線檢測，腐蝕附射線檢測，腐蝕附加量加量2.0 mm,2.0 mm,試計(jì)算鋼板厚度。試計(jì)算鋼板厚度。 （注：注： Q235 Q235 t t =113 MPa=113 MPa）

34、解：解： ts= PDts= PD0 0 / 2 ( / 2 (t t Ej + PY)Ej + PY) 其中：其中：P=1.6 MPa P=1.6 MPa D D0 0=630 mm=630 mm t=100 t=100 材料材料Q235 Q235 熱軋狀態(tài)熱軋狀態(tài) 100100、假定厚度、假定厚度范圍范圍3-16 mm, 3-16 mm, t t =113 MPa =113 MPa 雙面對接焊，焊縫進(jìn)行雙面對接焊，焊縫進(jìn)行20%20%射線檢測射線檢測 Ej=0.85 Ej=0.85 Y=0.4 (100482)Y=0.4 (1005.2 (YD0/6=630/6=1055.2 (Y滿足條件

35、）滿足條件） C=CC=C1 1+C+C2 2 C C2 2=2 mm C=2 mm C1 1=0.5 mm=0.5 mm（p36)p36) C=2.5 mm C=2.5 mm tsd= 5.2+2.5=7.7 mm tsd= 5.2+2.5=7.7 mm 答：可選用答：可選用tn=8mmtn=8mm的鋼板。的鋼板。 （2 2）已知管內(nèi)設(shè)計(jì)壓力為）已知管內(nèi)設(shè)計(jì)壓力為12MPa ,12MPa ,管子管子外徑為外徑為273 mm273 mm，為普通無縫鋼管，管材，為普通無縫鋼管，管材工作溫度為工作溫度為5050，在工作溫度下的許用應(yīng)在工作溫度下的許用應(yīng)力為力為113 MPa113 MPa，腐蝕附加

36、量，腐蝕附加量1.0 mm,1.0 mm,求管求管子的計(jì)算厚度。子的計(jì)算厚度。ts= PD0 / 2(ts= PD0 / 2(t t Ej + PY)Ej + PY)P=12 MPa P=12 MPa D0=273 mmD0=273 mmt t =113 MPa =113 MPa Ej=1Ej=1Y=0.4 Y=0.4 （50 50 482 482 ）ts=12ts=12* *273/(2273/(2* *113113* *1+121+12* *0.4)0.4) =14.2 mm =14.2 mm （3 3）已知）已知DN300DN300無縫鋼管的外徑為無縫鋼管的外徑為325 325 mmmm

37、，管內(nèi)設(shè)計(jì)壓力為，管內(nèi)設(shè)計(jì)壓力為4.75 MPa , 4.75 MPa , 管材管材為普通低合金鋼，設(shè)計(jì)溫度為為普通低合金鋼，設(shè)計(jì)溫度為425 425 ，在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力為在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力為87 MPa87 MPa，腐蝕附加量腐蝕附加量1.5 mm, 1.5 mm, 求管子的名義厚求管子的名義厚度。度。ts= PD0 / 2(ts= PD0 / 2(t t Ej + PY)Ej + PY)P= 4.75 MPa P= 4.75 MPa D0=325 mmD0=325 mmt t =87 MPa =87 MPa Ej=1Ej=1Y=0.4 (425Y=0.4 (425 4828.78

38、 D0/6=325/6=548.78 mmmm (Y (Y滿足條件）滿足條件） C=CC=C1 1+C+C2 2 C C2 2=1.5 mm =1.5 mm C C1 1=a/(100-a)=a/(100-a)* *tsts =15 =15* *8.78/(100-15)=1.55 mm (p35)8.78/(100-15)=1.55 mm (p35) C=3.05 mm C=3.05 mm tsd= 8.78+3.05=11.83 mm tsd= 8.78+3.05=11.83 mm tntn tsdtsd =11.83mm=11.83mm 答：按答：按GB/T 8163GB/T 8163輸

39、送流體用無縫鋼輸送流體用無縫鋼管管，可選用，可選用tn=12 mmtn=12 mm的鋼板。的鋼板。 4 4、彎管壁厚計(jì)算、彎管壁厚計(jì)算 （1 1）計(jì)算壁厚）計(jì)算壁厚t tlwlw t tlwlw= t= ts s(1 + D(1 + D0 0/4R )/4R ) t tlwlw= PD= PD0 0 /2 ( /2 (t tE Ej j+ PY) (1 + D+ PY) (1 + D0 0/4R )/4R ) （2 2）設(shè)計(jì)壁厚和名義壁厚）設(shè)計(jì)壁厚和名義壁厚 （3 3）彎管的不圓度彎管的不圓度TuTu限定限定 對于輸送劇毒流體或?qū)τ谳斔蛣《玖黧w或P10MPaP10MPa的鋼管，的鋼管，TuTu

40、不超過不超過5%5%，其他，其他TuTu不超過不超過8%8%。練習(xí)：練習(xí)：已知一熱軋管的彎曲半徑已知一熱軋管的彎曲半徑R=500 mmR=500 mm，管子外徑管子外徑D D0 0=159 mm=159 mm，設(shè)計(jì)溫度為常，設(shè)計(jì)溫度為常溫溫, ,普通碳素鋼許用應(yīng)力普通碳素鋼許用應(yīng)力t t =116 =116 MPaMPa，內(nèi)壓，內(nèi)壓 P=10 MPaP=10 MPa，C2=1 mm ,C2=1 mm ,求彎管的名義壁厚。求彎管的名義壁厚。 t tlwlw= t= ts s(1 + D(1 + D0 0/4/4* *R )R ) t ts s= PD= PD0 0 / 2 ( / 2 (t tE

41、 Ej j+ PY)+ PY) 解：解： t ts s=10=10* *159/2159/2* *(116(116* *1+101+10* *0.40.4） =6.63 mm=6.63 mm t tlwlw=t=ts s(1 + D(1 + D0 0/4/4* *R )R ) =6.631+ 159/(4 =6.631+ 159/(4* *500)=7.16 mm500)=7.16 mm C1=15C1=15* *7.16/(100-15)=1.26 mm7.16/(100-15)=1.26 mm C2=1 mmC2=1 mm C=C1+ C2=2.26mmC=C1+ C2=2.26mm T

42、Tsdwsdw=ts+ C=7.2+2.26 mm=9.46 mm=ts+ C=7.2+2.26 mm=9.46 mm 取管子的名義厚度為取管子的名義厚度為 10 mm .10 mm .5 5、焊制三通管壁厚計(jì)算、焊制三通管壁厚計(jì)算 （1 1）主管計(jì)算壁厚）主管計(jì)算壁厚 t tlzlz= = PDPD0 0 / 2 ( / 2 (t t+ P) + P) 式中：式中： 強(qiáng)度削弱系數(shù)強(qiáng)度削弱系數(shù) 對于單筋、蝶式等局部補(bǔ)對于單筋、蝶式等局部補(bǔ)強(qiáng)的三通，強(qiáng)的三通， =0.9=0.9。 焊制三通管選用無縫鋼管，否則要考慮焊接接焊制三通管選用無縫鋼管，否則要考慮焊接接頭系數(shù)。頭系數(shù)。 （2 2）三通支管

43、的計(jì)算壁厚）三通支管的計(jì)算壁厚 t tldld= t= tlzlz d d0 0/D/D0 0 焊制三通長度一般為焊制三通長度一般為3.5D3.5D0 0 高度一般為高度一般為1.7 D1.7 D0 0 五、壓力管道的熱應(yīng)力分析 1 1、熱應(yīng)力的概念、熱應(yīng)力的概念 管道在溫度發(fā)生變化時(shí)，會有熱脹冷縮的現(xiàn)管道在溫度發(fā)生變化時(shí)，會有熱脹冷縮的現(xiàn)象。象。 自由伸縮的管道不產(chǎn)生熱應(yīng)力自由伸縮的管道不產(chǎn)生熱應(yīng)力 通常管道在設(shè)備間固定，變形受約束，當(dāng)溫通常管道在設(shè)備間固定，變形受約束，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，不能自由伸縮，管內(nèi)將產(chǎn)生度發(fā)生變化時(shí)，不能自由伸縮，管內(nèi)將產(chǎn)生熱應(yīng)力，或稱為溫度應(yīng)力熱應(yīng)力，或稱為溫度應(yīng)

44、力( (溫差應(yīng)力）。溫差應(yīng)力）。 熱應(yīng)力對管道的安全有很大的威脅，是設(shè)計(jì)熱應(yīng)力對管道的安全有很大的威脅，是設(shè)計(jì)中必須考慮的問題。中必須考慮的問題。 2 2、簡單直管段熱應(yīng)力的計(jì)算、簡單直管段熱應(yīng)力的計(jì)算 設(shè)一直管段長設(shè)一直管段長L L，截面積為，截面積為A A，管材彈，管材彈性模量為性模量為E.E. 管道按裝溫度為管道按裝溫度為T T0 0, ,工作溫度為工作溫度為T T1 1, , T T1 1TT0 0。管材的線膨脹系數(shù)為。管材的線膨脹系數(shù)為， 在非安裝自由狀態(tài)下，管子的伸縮為在非安裝自由狀態(tài)下，管子的伸縮為ll 則有：則有： l=(Tl=(T1 1-T-T0 0)L)L llt t=(T

45、=(T1 1-T-T0 0)L)L 實(shí)際的管段兩端是固定的，伸縮為實(shí)際的管段兩端是固定的，伸縮為0 0。 此時(shí)在管壁中就產(chǎn)生了力！此時(shí)在管壁中就產(chǎn)生了力！ 力隨溫度升高而增大！力隨溫度升高而增大！ 可能產(chǎn)生兩種效果：可能產(chǎn)生兩種效果： （1 1）破壞管道的支撐）破壞管道的支撐 （2 2）管子失穩(wěn)破壞）管子失穩(wěn)破壞 由于溫度變化在由于溫度變化在 管壁中產(chǎn)生的力可以通過管壁中產(chǎn)生的力可以通過軸向拉伸與壓縮的計(jì)算方法來確定。軸向拉伸與壓縮的計(jì)算方法來確定。 假定軸受軸向壓縮，壓力為假定軸受軸向壓縮，壓力為P P，軸受力的面，軸受力的面積為積為A,A,長度為長度為L L，則軸截面中的應(yīng)力為：，則軸截面

46、中的應(yīng)力為： =P/A =P/A 由胡克定律，由胡克定律， 所產(chǎn)生的壓縮變形為所產(chǎn)生的壓縮變形為 l= l= * *L/E=PL/E=P* *L/(AL/(A* *E)E) 管子的安裝如管子的安裝如p39p39圖圖 為克服溫差變形，在管內(nèi)產(chǎn)生的載荷可以為克服溫差變形，在管內(nèi)產(chǎn)生的載荷可以借助下式計(jì)算借助下式計(jì)算 ll軸軸= PL/EA= PL/EA 令令ll溫差溫差= l= l軸軸則：則： (T(T1 1-T-T0 0)L=PL/EA )L=PL/EA 令：令：(T(T1 1-T-T0 0) = T) = T 可以解出：可以解出： P=T EAP=T EA 而而溫差溫差=P/A=P/A稱為溫差

47、應(yīng)力稱為溫差應(yīng)力, ,與溫差大小和與溫差大小和材料特性有關(guān)。材料特性有關(guān)。 管內(nèi)的熱應(yīng)力為管內(nèi)的熱應(yīng)力為 = P/ A = = P/ A = T ET E 管內(nèi)的熱應(yīng)力在某些條件下會很大，如管內(nèi)的熱應(yīng)力在某些條件下會很大，如P40P40管徑為管徑為159 mm159 mm，溫度差為，溫度差為100100時(shí)，管內(nèi)產(chǎn)生時(shí)，管內(nèi)產(chǎn)生的溫差應(yīng)力為的溫差應(yīng)力為244 MPa 244 MPa 。 3 3、實(shí)際管道的熱應(yīng)力計(jì)算、實(shí)際管道的熱應(yīng)力計(jì)算 實(shí)際管道的熱應(yīng)力計(jì)算是一個(gè)超靜定問題，實(shí)際管道的熱應(yīng)力計(jì)算是一個(gè)超靜定問題，只能通過變形協(xié)調(diào)方程、物理方程或數(shù)值解只能通過變形協(xié)調(diào)方程、物理方程或數(shù)值解法得到近

48、似解。法得到近似解。 如：力法、位移法、有限元法等。如：力法、位移法、有限元法等。 通常用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。通常用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。 六、管道的柔性及柔性設(shè)計(jì)六、管道的柔性及柔性設(shè)計(jì) 1 1、管道的柔性、管道的柔性 溫度變化時(shí)管道系統(tǒng)熱脹的可能性稱為管溫度變化時(shí)管道系統(tǒng)熱脹的可能性稱為管系的柔性。系的柔性。 管道的柔性是反映管道變形難易程度的一管道的柔性是反映管道變形難易程度的一個(gè)物理概念，表示管道通過自身變形吸收個(gè)物理概念，表示管道通過自身變形吸收熱脹、冷縮及其他位移變形的能力。熱脹、冷縮及其他位移變形的能力。 管系的柔性越大，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力就越小。管系的柔性越大，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力就越小。 2 2

49、、工程上增大管道柔性的幾種措施、工程上增大管道柔性的幾種措施(GB 50316)(GB 50316) （1 1）在條件允許的情況下）在條件允許的情況下, ,應(yīng)首先考慮采用改應(yīng)首先考慮采用改變管道走向以增加管道的柔性變管道走向以增加管道的柔性, ,如將管道根據(jù)如將管道根據(jù)工藝需要布置成工藝需要布置成L L型或型或Z Z型型( (稱為自然補(bǔ)償器稱為自然補(bǔ)償器);); （2 2）增加管系的長度可以增加管道的柔性）增加管系的長度可以增加管道的柔性, ,增增加與其垂直的管道的長度可以減小管系的剛性加與其垂直的管道的長度可以減小管系的剛性; ; （3 3）選用彈簧支吊架）選用彈簧支吊架, ,在吊架處存在的

50、垂直位在吊架處存在的垂直位移移, ,可以將約束放松可以將約束放松, ,增加管道的柔性增加管道的柔性. . （4 4）選用人工補(bǔ)償器）選用人工補(bǔ)償器 a a、 設(shè)置設(shè)置 型彎型彎 b b、 設(shè)置設(shè)置波紋管膨脹節(jié)波紋管膨脹節(jié) 3 3、管道支吊架的類型和選用、管道支吊架的類型和選用 （1 1）管道支吊架的類型）管道支吊架的類型 三大類三大類 1 1）承重類）承重類 恒力吊架、變力支吊架、剛性支吊架恒力吊架、變力支吊架、剛性支吊架2 2）限位支吊裝置）限位支吊裝置 限位、導(dǎo)向限位、導(dǎo)向 3 3）振動(dòng)控制裝置）振動(dòng)控制裝置 彈簧減振器彈簧減振器 油壓阻尼油壓阻尼 （2 2）管道支吊架的選用）管道支吊架的

51、選用 1 1）按照支撐點(diǎn)載荷大小、位移情況、操）按照支撐點(diǎn)載荷大小、位移情況、操作溫度、安裝空間、管道材質(zhì)來選用作溫度、安裝空間、管道材質(zhì)來選用 2 2）盡量選用標(biāo)準(zhǔn)支吊架）盡量選用標(biāo)準(zhǔn)支吊架 3 3）在下列情況下應(yīng)考慮設(shè)置導(dǎo)向支架）在下列情況下應(yīng)考慮設(shè)置導(dǎo)向支架 管道橫向位移過大管道橫向位移過大 固定支架距離過長，可能產(chǎn)生橫向不穩(wěn)固定支架距離過長，可能產(chǎn)生橫向不穩(wěn)定定 管道內(nèi)因沖擊載荷或兩相流產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)管道內(nèi)因沖擊載荷或兩相流產(chǎn)生振動(dòng)時(shí) 設(shè)計(jì)時(shí)只允許軸向位移時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)只允許軸向位移時(shí) 4 4）當(dāng)架空的管道熱膨脹量較大時(shí)，應(yīng)使）當(dāng)架空的管道熱膨脹量較大時(shí)，應(yīng)使用加長管托支撐。用加長管托支撐。 （

52、3 3）管道支吊架位置的確定）管道支吊架位置的確定 1 1）滿足管道最大允許跨距要求）滿足管道最大允許跨距要求 2 2）布置在靠近集中載荷的地方）布置在靠近集中載荷的地方 3 3）在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器附近應(yīng)設(shè)置吊架）在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器附近應(yīng)設(shè)置吊架 4 4）對于復(fù)雜管系，應(yīng)根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果）對于復(fù)雜管系，應(yīng)根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果設(shè)置和調(diào)整這支吊架位置。設(shè)置和調(diào)整這支吊架位置。七、壓力管道的應(yīng)力驗(yàn)算 前面我們用強(qiáng)度理論前面我們用強(qiáng)度理論e e t t 導(dǎo)出公式導(dǎo)出公式 t ts s= PD= PD0 0 / (2 / (2t tEj+ PY) Ej+ PY) 來計(jì)算管道的壁厚。其中來計(jì)算管道的壁厚。其中ee為環(huán)向應(yīng)力。

53、為環(huán)向應(yīng)力。 應(yīng)力應(yīng)力驗(yàn)算的應(yīng)用：驗(yàn)算的應(yīng)用： （1 1）驗(yàn)算軸向應(yīng)力疊加后是否仍滿足強(qiáng)度）驗(yàn)算軸向應(yīng)力疊加后是否仍滿足強(qiáng)度條件；條件； （2 2）實(shí)際存在的管道內(nèi)的應(yīng)力值是否滿足）實(shí)際存在的管道內(nèi)的應(yīng)力值是否滿足強(qiáng)度條件，強(qiáng)度條件， （3 3）液壓試驗(yàn)時(shí)的）液壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力校核應(yīng)力校核 1 1、管道產(chǎn)生的最大軸向應(yīng)力的驗(yàn)算、管道產(chǎn)生的最大軸向應(yīng)力的驗(yàn)算 軸軸 此公式中包含：此公式中包含： 1 1）內(nèi)壓軸向應(yīng)力）內(nèi)壓軸向應(yīng)力 2 2）重量載荷、風(fēng)、地震載荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)）重量載荷、風(fēng)、地震載荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)力力 3 3）熱負(fù)荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)力）熱負(fù)荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)力 4 4）其他約束等產(chǎn)生的軸向應(yīng)力）

54、其他約束等產(chǎn)生的軸向應(yīng)力 2 2、管道內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力的驗(yàn)算、管道內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力的驗(yàn)算 根據(jù)第三強(qiáng)度理論，根據(jù)第三強(qiáng)度理論， e= e= - r - r t t 當(dāng)當(dāng)r=0r=0時(shí)，可得：時(shí)，可得： e=PDe=PD0 0-(tn-c)/2-(tn-c)/2* *EjEj* *(tn-C) (tn-C) t t （此公式的原型即為（此公式的原型即為 = PD/2 t = PD/2 t ） 3 3、壓力試驗(yàn)時(shí)最大應(yīng)力的驗(yàn)算、壓力試驗(yàn)時(shí)最大應(yīng)力的驗(yàn)算=P=P試驗(yàn)試驗(yàn)DD0 0-(tn-c)/2-(tn-c)/2* *EjEj* *(tn-C) (tn-C) 0.90.9s s練習(xí)：練習(xí)：一管

55、子外徑為一管子外徑為273 mm273 mm，壁厚為，壁厚為18 mm18 mm，為普通無縫鋼管，管材在工作溫度為普通無縫鋼管，管材在工作溫度下的屈服限為下的屈服限為 235 MPa235 MPa，設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)壓力為為12 MPa ,12 MPa ,腐蝕附加量腐蝕附加量1.0 mm,1.0 mm,液壓試驗(yàn)壓力為液壓試驗(yàn)壓力為18 MPa18 MPa，要求管內(nèi)，要求管內(nèi)最大應(yīng)力不小于最大應(yīng)力不小于0.90.9屈服限，試進(jìn)行屈服限，試進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)力驗(yàn)算 =PD=PD0 0-(tn-c)/2-(tn-c)/2* *EjEj* *(tn-C) 0.9(tn-C) 0.9s s 已知：已知：P=18 M

56、Pa Ej=1 P=18 MPa Ej=1 tn=18 mm C2=1 mm tn=18 mm C2=1 mm s s=235 MPa =235 MPa C1=15/(100-15)tn=3.2 mmC1=15/(100-15)tn=3.2 mm =18=18* *273-(18-4.2)/2273-(18-4.2)/2* *1 1* *(18-4.2)(18-4.2) =169 MPa =169 MPa 0.9 0.9s s =0.9 =0.9* *235=211.5 MPa 235=211.5 MPa 0.9 0.9s s 應(yīng)力驗(yàn)算合格應(yīng)力驗(yàn)算合格八、應(yīng)力分析及強(qiáng)度計(jì)算小結(jié)八、應(yīng)力分析及強(qiáng)

57、度計(jì)算小結(jié) ( (一一) )、應(yīng)力分類、應(yīng)力分類 一次、二次、峰值應(yīng)力一次、二次、峰值應(yīng)力 ( (二二) )、管道應(yīng)力計(jì)算公式、管道應(yīng)力計(jì)算公式 環(huán)向：環(huán)向： =PD =PD0 0/2t/2t 軸向：軸向： =PD =PD0 0/4t/4t ( (三三) )、材料的極限值材料的極限值 屈服極限屈服極限s、斷裂極限、斷裂極限b、蠕變極限、蠕變極限D(zhuǎn)、疲勞極限等疲勞極限等n ( (四四) )、安全系數(shù)、安全系數(shù) n ns s =1.5 =1.5 、 n nb b=3=3 ( (五五) )、許用應(yīng)力、許用應(yīng)力 =min=min s s/ n/ ns s 、 b b/ n/ nb b 許用應(yīng)力許用應(yīng)力

58、是在考慮了各種可能因素的情是在考慮了各種可能因素的情況下人為指定的應(yīng)力許用上限。況下人為指定的應(yīng)力許用上限。 ( (六六) )、強(qiáng)度條件（失效準(zhǔn)則）、強(qiáng)度條件（失效準(zhǔn)則） max max ( (七七) )、強(qiáng)度條件的應(yīng)用、強(qiáng)度條件的應(yīng)用 1 1、計(jì)算管道壁厚、計(jì)算管道壁厚 （1 1）計(jì)算壁厚）計(jì)算壁厚tsts max max max max = = = PD= PD0 0/ 2t/ 2t PD/ 2t PD/ 2t P(D P(D0 0 t)/ 2t Ej t)/ 2t Ej 解出解出t t ts=PD0/(2 Ej-PY) ts=PD0/(2 Ej-PY) （2 2）管道壁厚術(shù)語）管道壁厚術(shù)

59、語 ts ts 、tsdtsd、tete、tmintmin、tntn （3 3）設(shè)計(jì)厚度）設(shè)計(jì)厚度tsdtsd tsd=ts +C tsd=ts +C (4) (4) 名義厚度名義厚度 tntn (5)(5)有效厚度有效厚度tete te=tn-C te=tn-C （6 6）最小厚度）最小厚度 tmin tmin (7) (7)壁厚減薄量壁厚減薄量C1C1 (8) (8)腐蝕裕量腐蝕裕量C2C2 2 2、應(yīng)力驗(yàn)算、應(yīng)力驗(yàn)算 3 3、最高承載能力計(jì)算、最高承載能力計(jì)算 練習(xí)：練習(xí)： 1 1、簡答題、簡答題 （1 1）管道熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因）管道熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因 管道在溫度發(fā)生變化時(shí)，會有熱脹冷縮的

60、現(xiàn)象。管道在溫度發(fā)生變化時(shí)，會有熱脹冷縮的現(xiàn)象。如果變形受約束，不能自由伸縮，管內(nèi)產(chǎn)生的如果變形受約束，不能自由伸縮，管內(nèi)產(chǎn)生的約束力稱為熱應(yīng)力，或稱為溫度應(yīng)力。約束力稱為熱應(yīng)力，或稱為溫度應(yīng)力。 （2 2）管道系統(tǒng)的柔性）管道系統(tǒng)的柔性 溫度變化時(shí)管道系統(tǒng)熱脹的可能性稱為管系的溫度變化時(shí)管道系統(tǒng)熱脹的可能性稱為管系的柔性柔性 （3 3）焊接接頭系數(shù)）焊接接頭系數(shù) 焊縫材料的強(qiáng)度與母材強(qiáng)度之比，焊縫材料的強(qiáng)度與母材強(qiáng)度之比， 1.01.0計(jì)算題計(jì)算題1 1、一管子外徑為、一管子外徑為530 mm530 mm，壁厚為，壁厚為12mm12mm，鋼板卷焊，設(shè)計(jì)溫度，鋼板卷焊，設(shè)計(jì)溫度5050，管材在