管道強(qiáng)度計(jì)算

1、管道及儲(chǔ)罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)主講:彭俊嶺課程主要內(nèi)容及參考資料一、主要內(nèi)容：本課程系統(tǒng)介紹了立式鋼油罐強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算的理論和設(shè)計(jì)方法，以及地上管道、地下管道、海底管道的結(jié)構(gòu)知識(shí)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。二、教材及參考資料：教材： 帥健 于桂杰管道及儲(chǔ)罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)石油工業(yè)出版社2006，6參考資料：1、潘家華等油罐及管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)石油工業(yè)出版社2004，82、GB503412003立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范3、化工設(shè)備委員會(huì)球罐和大型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)2005，64、期刊：油氣儲(chǔ)運(yùn)、石油化工設(shè)備技術(shù)、中國(guó)油脂、天然氣與石油、石油規(guī)劃設(shè)計(jì)、石油工程建設(shè)、煉油技術(shù)與工程、石油工程建設(shè)5、 API650美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)6、 BS2

2、654英國(guó)油罐規(guī)范7、 JIS B8501日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)考核成績(jī)?cè)u(píng)定一、總成績(jī)=考試成績(jī)（90%）+平時(shí)成績(jī)（10%）二、考試形式：閉卷三、試題類型：1、填空題（1*15=15分）2、選擇題（2*20=40分）3、論述題（7*3=21分）4、計(jì)算題（12*2=24分）總復(fù)習(xí)教材目錄第一章 地下管道第二章 地上管道第三章 海底管道第四章 管道的曲屈分析第五章 管道抗震設(shè)計(jì)計(jì)算第六章 含缺陷管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)第七章 立式儲(chǔ)罐的基本尺寸和壁厚設(shè)計(jì)第八章 立式油罐固定頂?shù)脑O(shè)計(jì)第九章 浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)計(jì)算第十章 罐底和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)第十一章 立式鋼油罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì)第十二章 立式鋼油罐的抗震設(shè)計(jì)第一章 地下管道第一節(jié)第二

3、節(jié)第三節(jié)第四節(jié)第五節(jié)第六節(jié)第七節(jié)第八節(jié)概述地下管道的強(qiáng)度計(jì)算曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算三通強(qiáng)度計(jì)算地下管道穩(wěn)定性分析地下曲管道熱脹彎矩和位移計(jì)算固定支墩的設(shè)計(jì)計(jì)算地下管道的抗震計(jì)算第一節(jié) 概述長(zhǎng)距離油氣管道和礦場(chǎng)集輸管道一般都敷設(shè)在地下（占總長(zhǎng)度的98%左右），油庫(kù)管道有時(shí)也采用地下敷設(shè)。當(dāng)通過沼澤、高地下水位和重鹽堿土地區(qū)時(shí)，可采用土堤敷設(shè)。特點(diǎn)：不影響交通，環(huán)境美觀，施工簡(jiǎn)單，節(jié)省投資，但不易檢測(cè)、維修。結(jié)構(gòu)和材料：無縫管；有縫管（直縫管，螺旋管）。 Q235AF，16Mn管道的埋深規(guī)定：管道的埋深要考慮農(nóng)田耕作深度、地面負(fù)荷對(duì)管道強(qiáng)度及穩(wěn)定性的要求、熱油管道對(duì)土壤保溫要求、土壤對(duì)管道的約束、管

4、道防腐等因素綜合考慮后決定。一般規(guī)定為：管頂覆土厚度1-1.2m，且不應(yīng)小于0.6-0.8m和管直徑D；穿越鐵路和公路時(shí)管道頂部距軌底應(yīng)不小于1.3m，距公路路面應(yīng)不小于1m；熱油管道埋地越深，管道熱損失越小，一般情況下管頂埋深取1.2m 。施工作業(yè)：挖掘管溝；焊接管路；試壓；絕源；下溝；管溝回填第一節(jié) 概述管溝底寬度規(guī)定：當(dāng)管溝深度小于等于3米時(shí)，管溝底寬度b為：式中：K-溝底加寬系數(shù)，1P284表11-1當(dāng)管溝深度大于3米且小于5米時(shí)，管溝底寬度b按上式求得值再加寬0.2米。管溝的邊坡規(guī)定：根據(jù)土壤類別和土壤的物理力學(xué)性能確定。1P285表11-2強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)定：管道在溝上或溝下焊接組裝后，

5、應(yīng)進(jìn)行分段試壓。干線試壓管段長(zhǎng)度10-15公里，自然高差不超過30米，以1.25倍的管道工作壓力作為強(qiáng)度試壓壓力。當(dāng)管道最大操作壓力大于8kgf/cm2時(shí)，應(yīng)以水作為試壓介質(zhì)，小于8kgf/cm2時(shí)，允許采用空氣或其它氣體作為試壓介質(zhì)。分段接通焊接焊縫的檢驗(yàn)：進(jìn)行X射線照相或超聲波檢測(cè)。敷設(shè)工藝：管道下溝之前，應(yīng)進(jìn)行絕緣層的檢查；管道下溝之時(shí)，應(yīng)很好地與溝底相接觸，管底與溝底之間不應(yīng)存在間隙，通常在溝底回填細(xì)砂或軟土；管道下溝之后應(yīng)及時(shí)覆蓋20cm左右的細(xì)土，以免熱脹變形和大量土方回填時(shí)砸壞絕緣層；回填后的溝頂應(yīng)形成30-40cm高的土堆，以防積水。b Dg K第二節(jié) 地下管道強(qiáng)度計(jì)算一、載荷

6、和作用力：永久載荷；可變載荷；偶然載荷1、永久載荷：輸送介質(zhì)的內(nèi)壓力；鋼管及其附件、絕緣層、保溫層、結(jié)構(gòu)附件的自重；輸送介質(zhì)的重量；土壤的壓力；靜水壓力和水浮力；溫度應(yīng)力以及靜止流體由于受熱膨脹而增加的力；由于連接構(gòu)建相對(duì)位移而產(chǎn)生的作用力。第二節(jié) 地下管道強(qiáng)度計(jì)算2、可變載荷：試運(yùn)行時(shí)的水重量；附在管道上的冰雪載荷；由于內(nèi)部高落差或風(fēng)、波浪、水流等外部因素產(chǎn)生的沖擊力；車輛載荷及行人；清管載荷；檢修載荷。第二節(jié) 地下管道強(qiáng)度計(jì)算3、偶然載荷地震載荷；振動(dòng)和共振引起的載荷；凍土或膨脹土中的膨脹壓力；沙漠中沙丘移動(dòng)的影響；地基沉降附加在管道上的載荷。第二節(jié) 地下管道強(qiáng)度計(jì)算二、截面應(yīng)力：受內(nèi)壓作

7、用的圓柱殼內(nèi)應(yīng)力有環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力P Rt環(huán)向應(yīng)力： 2 P R2t軸向應(yīng)力： 1 s第二節(jié) 地下管道強(qiáng)度計(jì)算三、許用應(yīng)力與管道壁厚設(shè)計(jì)管材許用應(yīng)力為：K：強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)0.4-0.72。P7，表1-3：焊縫系數(shù)，無縫管=1，直縫管=0.8，雙面焊螺旋管=0.9，單面焊螺旋管=0.7 K s：管材的屈服強(qiáng)度，P5，表1-1P D2 t 0 第二節(jié) 地下管道強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)管道的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算壁厚，由薄殼應(yīng)力公式得出：1、液體管道直管段計(jì)算壁厚：式中： P-管道的工作壓力D-管道的外直徑-管材許用應(yīng)力，2、氣體管道直管段計(jì)算壁厚：t0 P D2 t式中： t-溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度低于120度時(shí)，取t=

8、1第二節(jié) 地下管道強(qiáng)度計(jì)算其值向上圓整至公稱3、實(shí)際壁厚為：壁厚。式中：C-壁厚附加量，即腐蝕裕量，由輸送介質(zhì)的腐蝕性能取0-1mmt t0 C ETPD21 第二節(jié) 地下管道強(qiáng)度計(jì)算地下管道的壁厚一般按環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)，與地上管道的壁厚設(shè)計(jì)方法相同。再用軸向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力的合成應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核。一、管道所受軸向應(yīng)力由不同情況確定：1、直線埋土管段：完全嵌固段2、靠近出土處的管截面：自由段PDi4 1 3、過渡管段：與自由端相距一段距離的埋土管段，管道所受軸向應(yīng)力隨土壤對(duì)管道的約束程度的不同而逐漸改變，介于1、2情況之間。 1 2 s第二節(jié) 地下管道強(qiáng)度計(jì)算ED2 1 sED2PDi2

9、ET 1 4、埋土彈性敷設(shè)彎曲管段：完全嵌固式中彎曲應(yīng)力對(duì)與管道外側(cè)為拉應(yīng)力，取+號(hào)，管道內(nèi)側(cè)為壓應(yīng)力，取-號(hào)。彎曲應(yīng)力公式推導(dǎo)見 P16二、強(qiáng)度校核： 一般管道：2 21 2管道節(jié)點(diǎn)處或接近重要建筑物處：道的水平走向或高程的變化。最小彎曲半徑滿足 minR 第三節(jié) 曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算當(dāng)管道敷設(shè)方向發(fā)生變化時(shí)，可采用彈性敷設(shè)或具有一定曲率半徑的彎管。彈性敷設(shè)：利用管道在外力或自重作用下產(chǎn)生彈性變形來改變管彎管制作方式有直管冷、熱彎，和由扇形短管焊接的蝦米彎頭。一、曲管在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力計(jì)算：在內(nèi)壓作用下，直管的環(huán)向應(yīng)力沿圓周是均勻分布的，而曲管內(nèi)側(cè)環(huán)向應(yīng)力最大，外側(cè)最小，中心線處與直管環(huán)向應(yīng)

10、力相等。E D2 F A 2 2 (R r sin )d第三節(jié) 曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算在x軸到任意夾角的A處截取一小段管壁的面積為:A (R r sin )d該截面上的環(huán)向內(nèi)力為:在內(nèi)壓P作用下，作用于微段上的力為：p r d(R r sin )d中心線處 0 和 1802R r sin 2(R r sin )P rt整理得曲管在內(nèi)壓作用下的環(huán)向應(yīng)力： 2 第三節(jié) 曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算二力在X軸方向平衡得： 2 (R r sin )d sin 0 p r(R r sin )d cos d00P D2tP rt 2 002R r2( R r )P rt 2 2R r2(R r )P rt 2 曲管

11、內(nèi)側(cè) 270曲管外側(cè) 90R/rm1m221.50.8331.250.8841.170.9061.100.9381.070.94101.060.95121.050.96112 rR2 rR)(21 rRm增強(qiáng)系數(shù)2 m縮減系數(shù))(2 rR)1)1(2r第三節(jié) 曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算2(rR R2 2r rR R增強(qiáng)系數(shù)是曲管曲率半徑和曲管管子半徑之比的函數(shù)。計(jì)算結(jié)果列表如下：R/r比值越大，增強(qiáng)系數(shù)越小。當(dāng)R=8 r時(shí)，曲管內(nèi)側(cè)環(huán)向應(yīng)力比直管僅大7%，再增大曲管曲率半徑時(shí)，增強(qiáng)系數(shù)減小量已不明顯。第三節(jié) 曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算由一個(gè)扇形短管組成的蝦米彎頭強(qiáng)度為同徑同壁厚圓管彎頭強(qiáng)度的50%，由兩個(gè)

12、扇形短管組成的蝦米彎頭強(qiáng)度為同徑同壁厚圓管彎頭強(qiáng)度的70%，由三個(gè)以上的扇形短管組成的蝦米彎頭強(qiáng)度為同徑同壁厚圓管彎頭強(qiáng)度的90%第三節(jié) 曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算P D4tP r2t曲管在內(nèi)壓作用下的軸向應(yīng)力： 1 推導(dǎo)過程見P21?？梢姡茉趦?nèi)壓作用下的軸向應(yīng)力與直管相等。曲管的壁厚一般按最大環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)，因此它的壁厚比直管段要厚些。 Ct m1 P D2 1 12210 122K 第三節(jié) 曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算二、曲管的柔性計(jì)算：曲管由于制造和熱脹時(shí)受到縱向彎矩作用，在管子截面上出現(xiàn)扁率（橢圓形），因此截面抗彎剛度降低。減剛系數(shù)t Rr 2式中： -曲管特征系數(shù)， q max s13m1 p

13、D2t第三節(jié) 曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算三、曲管的強(qiáng)度校核：曲管由于熱脹時(shí)受到縱向彎矩作用，環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)增強(qiáng)問題。所以應(yīng)校核由內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力和由縱向彎矩引起的環(huán)向應(yīng)力之和是否在允許范圍內(nèi)，要求滿足下式：式中： q max -熱脹時(shí)受到縱向彎矩引起的最大環(huán)向應(yīng)力若不滿足要求時(shí)，可增大曲管曲率半徑R或設(shè)法減小作用于曲管上的彎矩（改進(jìn)補(bǔ)償器、增大管路系統(tǒng)的柔性）。第四節(jié) 三通強(qiáng)度計(jì)算三通用于管線分支，其結(jié)構(gòu)形式有預(yù)制三通和割孔焊接三通。一、預(yù)制三通：一般采用增加三通壁厚的方法來保證強(qiáng)度。tT Bt tT 完整干管的壁厚B 爆破壓力折減系數(shù)，它是三通的爆破壓力與干管的爆破壓力之比。與管徑、壁厚、管徑比、

14、徑厚比有關(guān)。隨徑厚比增大而減小，支管壁厚增大而增大，支管管徑增大而減小。0.67-0.95形成的面積。A2 -在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)，支管富裕壁厚第四節(jié) 三通強(qiáng)度計(jì)算二、割孔焊制三通：采用等截面積補(bǔ)強(qiáng)的辦法。A1 A2 A3 AR式中：A1-在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)，主管富裕壁厚AR d h形成的面積。A2 2( B b )LA1 d ( H h )L 2.5 H 或L 2.5 B M的值小者A3 -補(bǔ)強(qiáng)元件的面積。AR -主管開孔面積。例題：P27例1-4 8.8mm10 0.4 1032 0.72 317t0 h P D2K s支管的計(jì)算壁厚：主管的計(jì)算壁厚： 6.3mm10 0.219 1032 0.72 241

15、t0b P D2K s第四節(jié) 三通強(qiáng)度計(jì)算P27例1-4例題：一支管直徑為0.219m壁厚8.2mm接在直徑0.400m壁厚10mm主管上。支管材料的屈服極限 s 241MPa ，主管材料的屈服極限 s 317MPa。該管線的工作壓力為10MPa，工作溫度52，運(yùn)行地區(qū)為一級(jí)地區(qū)。試設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度。解：強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)查表得：K=0.72第四節(jié) 三通強(qiáng)度計(jì)算AR d toh (219 2 8.2) 8.8 1786.4mm2需要補(bǔ)強(qiáng)的面積：主管富裕壁厚形成的面積：A1 (tH t0 h ) d (10 8.8) 203 243.6mm2支管富裕壁厚形成的面積：A2 2(tB t0b ) L 2

16、(8.2 6.3) 25 95mm2式中： L 2.5tH 或L 2.5tB M的值小者暫?。?L 2.5tH 2.5 10 25mm 7.76mm1447.8203 2 8.2A3d 2tBM 第四節(jié) 三通強(qiáng)度計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)元件的面積：A3 AR ( A1 A2 ) 1786.4 (243.6 95) 1447.8mm2d2補(bǔ)強(qiáng)元件的厚度：P so h2K 0 EIRPcr Pcr13P 第五節(jié) 地下管道穩(wěn)定性校核一、管道徑向穩(wěn)定性校核：當(dāng)壁厚與外徑之比小于1/110，埋地管道應(yīng)進(jìn)行徑向穩(wěn)定性校核。當(dāng)壁厚與外徑之比大于1/110時(shí)，具有足夠的徑向穩(wěn)定性。管道所受徑向外載荷管道受外壓失穩(wěn)的臨界壓力式

17、中：K0-土壤壓縮抗力系數(shù)，又稱基礎(chǔ)系數(shù)。P123表4-1 so -土壤的比重。EIK 0 D1 4Pcr 2 K 0 DEI4 212 2EIK 0 D第五節(jié) 地下管道穩(wěn)定性校核二、管道軸向穩(wěn)定性校核：地下管道受軸向壓力達(dá)到或超過臨界值時(shí)，將發(fā)生軸向失穩(wěn)，管道將發(fā)生波浪形或凸起彎曲而拱出地面造成管道破壞事故。1、埋地直管發(fā)生失穩(wěn)的臨界壓力為：產(chǎn)生波浪形彎曲的波長(zhǎng)為：產(chǎn)生凸起彎曲的波長(zhǎng)為：式中：K0-土壤壓縮抗力系數(shù)，又稱基礎(chǔ)系數(shù)。P123表4-1第五節(jié) 地下管道穩(wěn)定性校核2、向上彎曲的埋地管道的失穩(wěn)臨界壓力為：式中: 0 -計(jì)算曲率半徑q-管道向上作橫向位移時(shí)的極限阻力，P124Pcr 0.

18、375q 0軸向穩(wěn)定性校核：P L A Pcr第六節(jié) 地下曲管道熱脹彎矩和位移計(jì)算埋地管道中的曲管在溫度變化時(shí)和地上曲管一樣受到熱脹彎矩的作用，而且發(fā)生橫向位移。有可能造成彎頭的破裂或者發(fā)生嚴(yán)重的變形而影響清管器的通過。但是，埋地管道中的曲管在溫度變化時(shí)受到熱脹彎矩不僅與曲管的材料、結(jié)構(gòu)尺寸、溫度變化等因素有關(guān)，而且和周圍土壤的性質(zhì)、施工情況等因素有關(guān)。尚無精確的計(jì)算方法。簡(jiǎn)化計(jì)算方法是將埋地曲管的水平彎頭當(dāng)作一個(gè)點(diǎn)看待，彎頭相當(dāng)于彈性抗彎鉸。有如下結(jié)論：1、埋地彎頭的熱脹彎矩與拐角有關(guān)，拐角在15-35時(shí)，熱脹彎矩較大；2、回填土夯實(shí)，有利于降低彎頭的熱脹彎矩；3、距彎頭兩端一定距離設(shè)置固定

19、支墩。第七節(jié) 固定支墩的設(shè)計(jì)計(jì)算為了防止管道熱脹推擠設(shè)備，在地下管道出土前和某些地下管道彎頭的兩側(cè)常設(shè)置固定支墩加以保護(hù)。下面介紹上托式固定支墩的計(jì)算方法。一、固定支墩的受力計(jì)算：管道作用在支墩上的推力P靠支墩與土壤間的摩擦力來平衡。管道作用在支墩上的推力為： ET PD2 ET A0.2PD2PD4P A L A由于固定支墩不能絕對(duì)固定，稍有位移將使推力減小，因此由上式求得的推力值應(yīng)乘一個(gè)折減系數(shù)來確定。)45()2(2 02000 btgHHHHababHT soso 式中： -支墩與土壤間的摩擦系數(shù)第七節(jié) 固定支墩的設(shè)計(jì)計(jì)算2支墩與土壤間的摩擦力：支墩的上下左右四個(gè)面上的摩擦力之和 0

20、-支墩材料的比重 -土壤的內(nèi)摩擦角二、力平衡校核：T K P式中： K-安全系數(shù)，取1/2-1/3 -推力折減系數(shù)(t )(t )t2 2(t )xv2T第八節(jié) 地下管道的抗震計(jì)算地震對(duì)埋地管道的危害有三種情況。一是由于地震對(duì)土壤嚴(yán)重破壞使土壤失去整體連續(xù)性（斷層錯(cuò)動(dòng)），二是土壤液化使管道缺乏支承產(chǎn)生過大變形而破壞（砂土液化），三是地震波作用下地基土的變形。下面討論地震波作用下管道的應(yīng)力與應(yīng)變。沿橫波方向的土壤位移可用波動(dòng)方程表示為： y( x, t ) a0 sin) sinxvT a0 ( 2 y2y 2T式中：a0 -橫波振幅； T-橫波周期，P153，表5-13； v-橫波波速則地基土

21、體的應(yīng)變?yōu)椋簒 Tv T v則地基土體運(yùn)動(dòng)的速度和加速度為：cosxv a0yty 2T2T2 2第八節(jié) 地下管道的抗震計(jì)算2Tv max a0)Tamax a0 (則地基土體運(yùn)動(dòng)的最大加速度為：則地基土體的最大應(yīng)變?yōu)椋篴max已知地震系數(shù) K g則： maxK g T2vamax K g 1.2E maxK g T2v max E K g T2v考慮管道與土壤間有相對(duì)變形和管道本身剛性的作用，管道位移幅值要比同方向土壤的自由變位位移小些，因此引入傳遞系數(shù)，又引入安全系數(shù)得第八節(jié) 地下管道的抗震計(jì)算地震時(shí)若管道具有同周圍土體同樣的變形，從而求得地震時(shí)的附加應(yīng)力：管道最大的軸向應(yīng)變： max則地

22、震時(shí)管道的附加應(yīng)力：EK g T2v max max E 1.2管道地震強(qiáng)度校核： a s第一章復(fù)習(xí)題1、管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核的方法？2、管道受內(nèi)壓作用時(shí)截面應(yīng)力的計(jì)算？3、管材的許用應(yīng)力如何確定？4、曲管受內(nèi)壓作用時(shí)截面應(yīng)力的計(jì)算？5、割孔三通的補(bǔ)強(qiáng)原則？補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域如何確定？6、管道的穩(wěn)定性校核的內(nèi)容？7、地震對(duì)埋地管道的危害有幾種情況？復(fù)習(xí)題解答第二章 地上管道第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)第五節(jié)第六節(jié)概述管道壁厚設(shè)計(jì)管架受力計(jì)算管道跨度設(shè)計(jì)管道熱應(yīng)力計(jì)算常用補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)第一節(jié) 概述一、特點(diǎn)和應(yīng)用：檢修方便，發(fā)現(xiàn)和清除事故容易；但占空間位置，限制了通道的高度，不美觀。應(yīng)用于油庫(kù)和煉廠以及跨越山

23、谷、河流，通過沼澤、沙漠、永久凍土地區(qū)。二、結(jié)構(gòu)：無縫管；有縫管（直縫管，螺旋管）三、材料：Q235AF，16Mn四、受力分析：介質(zhì)內(nèi)壓，自重，風(fēng)雪載荷，溫度應(yīng)力。五、設(shè)計(jì)內(nèi)容：管道壁厚設(shè)計(jì)，跨度設(shè)計(jì)，熱應(yīng)力計(jì)算，熱補(bǔ)償方法選擇，管架受力計(jì)算。第二節(jié) 管道壁厚設(shè)計(jì)地上管道的壁厚一般按環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)，與地下管道的壁厚設(shè)計(jì)方法相同。第三節(jié) 管架受力計(jì)算一、管架的分類：地上管道是由管架或支架支承，下面介紹管架的分類。1、按支架高低分類：低支架和管枕；中、高支架；懸臂托架2、按支架的結(jié)構(gòu)形式分類：獨(dú)立式支架；組合式支架3、按支架對(duì)管道的約束形式分類：固定支架；活動(dòng)支架4、按管道的跨越形式分類：梁式管道跨

24、越；“ ”剛架管道跨越；桁架式管道跨越；輕型托架式管道跨越；單管拱跨越；組合管拱跨越；懸纜式管道跨越；懸垂式管道跨越；懸索式管道跨越；斜拉索式管道跨越。P50圖2-7第三節(jié) 管架受力計(jì)算二、管架的受力分析：根據(jù)載荷的作用方向不同，分為三種載荷：1、垂直載荷：液體管道作用于支架上的總垂直載荷：q氣體管道作用于支架上的總垂直載荷： 1.2(qz qw )l qv lq 1.2(qz qw ql )l式中：qZ-管道單位長(zhǎng)度自重qw-管道單位長(zhǎng)度上保溫層重量qv-管道單位長(zhǎng)度內(nèi)輸送的液體重量ql-管道單位長(zhǎng)度內(nèi)冷凝液體的重量L-管架間距第三節(jié) 管架受力計(jì)算2、橫向水平載荷：管道受風(fēng)載荷傳遞給管架，特

25、別高大的管架也要考慮風(fēng)載荷。Tw 1.3K K z 0 D l式中： K-管道風(fēng)載體型系數(shù)，P52表2-2Kz-風(fēng)壓高度變化系數(shù)， P248表11-20-標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓，P248表11-1D-管道外徑L-管架間距Pn d 2 P4第三節(jié) 管架受力計(jì)算3、軸向水平載荷：管道受軸向推力，可能有下列三項(xiàng)，根據(jù)具體情況計(jì)算。1）管道的軸向摩擦力：對(duì)于活動(dòng)支架。冷縮時(shí)取正，熱脹時(shí)取負(fù)。2）管道內(nèi)壓引起的不平衡軸向力：對(duì)于固定支架。3）補(bǔ)償器的反彈力：對(duì)于固定支架。Pm q Ls Cos第四節(jié) 管道跨度設(shè)計(jì)管道的兩支承之間的距離稱為跨度。它的大小取決于管材的強(qiáng)度、管子截面剛度、外載荷、管道敷設(shè)的坡度以及管道允許

26、的最大撓度。通?？砂垂茏拥膹?qiáng)度和剛度來確定。一、按強(qiáng)度條件來確定管道跨度1、受力分析：等跨度連續(xù)梁，受重力作用，在中間支承處有最大彎矩M2、最大彎曲應(yīng)力 w q L(D d ) 第四節(jié) 管道跨度設(shè)計(jì)MW1224 4tD 22ID432D式中：最大彎矩 M q L212Wq -管道單位長(zhǎng)度重量，L-中間跨度考慮應(yīng)力過大會(huì)造成支承處塑性變形，以及焊縫影響，最大彎曲應(yīng)力修正為/16 -焊縫系數(shù)，取值按P56表2-5管道彈性截面系數(shù) W P D 2 第四節(jié) 管道跨度設(shè)計(jì)15 w W qL中跨)(2 2t w 1.21 3、等跨度連續(xù)梁的中間跨度式中： w -許用外載綜合應(yīng)力，考慮內(nèi)壓作用下有環(huán)向應(yīng)力和

27、可能出現(xiàn)軸向應(yīng)力，則有：W 第四節(jié) 管道跨度設(shè)計(jì)q L28q L210W M/L邊跨 0.82L中跨10 w W qL彎跨 0.667L中跨4、連續(xù)梁的兩邊跨度：連續(xù)梁的邊跨支座上的彎矩為 M 最大彎曲應(yīng)力 w 5、連續(xù)梁的水平彎跨：對(duì)于水平彎管，還存在扭矩作用，最大允許跨度可按下式計(jì)算：得：x 24E I i x1 24E I Dg L 2 x x 2 2 q 224E I Dgx 3q 104x q 10 L 式中：x-管道低支座到管子最大撓度處的距離i-管道的敷設(shè)坡度用不同的x值試算上兩式，直到求出的L值相同為止。這時(shí)求得的L值就是允許跨度。第四節(jié) 管道跨度設(shè)計(jì)二、按剛度條件確定管道跨度

28、：根據(jù)對(duì)撓度的限制來確定管道跨度1、允許有反坡，限制管道的最大撓度 max 0.1Dg由連續(xù)梁的撓度方程和最大撓度限制條件求得： y ix第四節(jié) 管道跨度設(shè)計(jì)2、嚴(yán)格不允許出現(xiàn)反坡，管道的最大轉(zhuǎn)角變形 max i由連續(xù)梁的轉(zhuǎn)角方程和最大轉(zhuǎn)角限制條件求得：盡端直管的跨度為管道通常按強(qiáng)度條件確定跨度，對(duì)于蒸氣管道或?qū)ζ鋼隙扔刑厥庑枰墓艿溃瑧?yīng)按剛度條件計(jì)算跨度，再校核強(qiáng)度，最后選用兩者中數(shù)值較小者。P228-229表列出氣體和液體管道的最大允許跨度。E I iqL 53348E I iqL PA E t 第五節(jié) 管道熱應(yīng)力計(jì)算一、直管熱應(yīng)力管道熱應(yīng)力：受約束的管道在溫度變化時(shí)不能自由膨脹或收縮而產(chǎn)

29、生的內(nèi)應(yīng)力。式中： -管材的線膨脹系數(shù)E -管材的彈性模量-管道的工作溫度與安裝溫度之差 t t1 t0t直管熱應(yīng)力的大小與管道的截面積和長(zhǎng)度無關(guān)，而與材料的性質(zhì)和溫度的變化有關(guān)。PL LPE A自由伸長(zhǎng)量 L (t1 t0 ) L L t受約束P壓縮量 L 約束力 P E A t管子截面積計(jì)算得： A 2.17 10 m 1.22 105 / 0 CE 1.975 105 MPa23例題如圖所示，設(shè)油罐的進(jìn)出油管線為159*4.5鋼管，管材為Q235A鋼，工作溫度為100C，安裝溫度為0C，當(dāng)管線在1點(diǎn)處固定時(shí)，求管線的熱應(yīng)力和對(duì)油罐的推力。解：查Q235A性質(zhì)參數(shù)：P A 522.86kN

30、管線熱應(yīng)力： E t 1.22 105 197.5109 100 240.95MPa對(duì)油罐的推力：第五節(jié) 管道熱應(yīng)力計(jì)算cbaPyMxyPx二、平面管系的熱應(yīng)力計(jì)算（彈性中心法）：彈性管道熱脹時(shí)引起支座對(duì)管系的反力稱彈性力，包括力和力矩。通過求解彈性力，就可求得管系任意截面上的熱應(yīng)力?，F(xiàn)以角形管道為例，如圖所示，暫不考慮曲管柔性，計(jì)算彈性力。力法方程如下： Px xx Py xy M xy xM xPx yx Py yy M xy yM yPx Mx Py My M xy MM 0式中：-柔性系數(shù)，j方向的單位力在i方向產(chǎn)生的位移 ijx, y -平面管系在X、Y方向上的熱伸長(zhǎng)量第五節(jié) 管道熱

31、應(yīng)力計(jì)算J xE I xx J yE I yy S xE I xM Mx 管子的柔性系數(shù)如下：S yE I yM My LE I MM J xyE I xy yx 式中： Jx -管系對(duì)X軸的線慣性矩Jy -管系對(duì)Y軸的線慣性矩Jxy -管系對(duì)X、Y軸的線慣性積Sx -管系對(duì)X軸的靜矩Sy -管系對(duì)Y軸的靜矩L -管系的總長(zhǎng)第五節(jié) 管道熱應(yīng)力計(jì)算柔性系數(shù)的符號(hào)按位移和作用力的方向來確定。二者方向一致為正，反之為負(fù)。所以，力法方程可寫為：為簡(jiǎn)化求解，設(shè)一剛臂由管系C端連接管系形心，則管系C端受力可移至管系形心O點(diǎn)，通過形心O建立坐標(biāo)系，管系對(duì)X、Y軸的靜矩均為零。上式可簡(jiǎn)化為：Px J x Py

32、 J xy M xy S x x E I Px J xy Py J y M xy S y y E I Px S x Py S y M xy L 0Px J x Py J xy x E I Px J xy Py J y y E I第五節(jié) 管道熱應(yīng)力計(jì)算解方程組，可得形心處作用于剛臂端點(diǎn)O的彈性力為：J y xEI J xy yEIJ x J y J xy2J x yEI J xy xEIJ x J y J xy2Px Py 將彈性力Px和Py合成得到一個(gè)通過形心的推力P，推力P的作用線稱為推力線。推力線到管線上任意點(diǎn)的法向距離與推力P的乘積就是該點(diǎn)所受的熱脹力矩M maxW max 第五節(jié) 管道

33、熱應(yīng)力計(jì)算計(jì)算各點(diǎn)彎矩，求出管系最大彎矩：將彈性力Px和Py合成得到一個(gè)通過形心的推力P，推力P的作用線稱為推力線。推力線到管線上任意點(diǎn)的法向距離與推力P的乘積就是該點(diǎn)所受的熱脹力矩。由圖知彎矩最大值在端點(diǎn)或拐點(diǎn)處。計(jì)算最大熱應(yīng)力：熱脹在管路中不僅引起彎曲應(yīng)力，還產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力和管截面上的剪應(yīng)力，但以彎曲應(yīng)力為主。x0 LLLy0 第五節(jié) 管道熱應(yīng)力計(jì)算平面管線的形心坐標(biāo)、線靜距、線慣性矩、線慣性積的計(jì)算22S y bLL22A水平管道AB S x aLAS y bL 1、求解平面管線的形心坐標(biāo) S yB B2、線靜距： S x ydl (a l sin )dlA A垂直管道AB S x aL

34、 S xB BS y xdl (b l cos )dlJ xbc b LJ xybc d L dL bL22 abL 2 2L33J xab水平管道BC（起點(diǎn)座標(biāo)a,b）2垂直管道AB（起點(diǎn)座標(biāo)c,d）cL22J xyab cdL L33J ybc a 2 L aL2 J yab c 2 L管系A(chǔ)BC：J x J xab J xbcJ y J yab J ybcJ xy J xyab J xybcAA第五節(jié) 管道熱應(yīng)力計(jì)算3、建立以形心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，求管系對(duì)此座標(biāo)軸的線慣性矩和線慣性積：B B B BJ x y 2 dl (a l sin ) 2 dl J y x 2 dl (b l cos

35、 ) 2 dlA AB BJ xy xydl (b l cos )(a l sin )dl第五節(jié) 管道熱應(yīng)力計(jì)算彈性中心法計(jì)算平面管系熱應(yīng)力的步驟：1、計(jì)算管系自由伸長(zhǎng)量2、求管系的形心座標(biāo)3、建立以形心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，求管系對(duì)此座標(biāo)軸的線慣性矩和線慣性積：4、求通過形心處作用于剛臂端點(diǎn)O的彈性力5、求管系端點(diǎn)的熱脹力矩6、求管系中的最大熱應(yīng)力：某端點(diǎn)熱脹力矩最大，則該點(diǎn)處有最大熱應(yīng)力。1、計(jì)算管系自由伸長(zhǎng)量 mLttx bc 0122.0101001022.1)( 12 例題如圖所示，設(shè)油罐的進(jìn)出油管線為159*4.5鋼管，B2管長(zhǎng)為5m，BC管長(zhǎng)為10m，管材為Q235AF鋼，工作溫度溫度

36、為100C，安裝溫度為0C，當(dāng)管線固定點(diǎn)由1移至2處時(shí)，求管系的最大熱應(yīng)力和對(duì)油罐的推力。解：查有關(guān)表格得， 1.22 105 / 0 CE 1.975 105 MPaA 2.17 103 m2W 8.2 105 m3I 6.52 106 m45y (t2 t1 )Lab 1.22 105 100 5 0.0061m0 0例題2、求管系的形心座標(biāo)S yL10 22 3.33m5 10S yab S ybcLab Lbcx0 S xL 0.83m52 25 10S xab S xbcLab Lbcy0 YO(3.33,0.83)CABX例題3、建立以形心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，求管系對(duì)此座標(biāo)軸的線慣性矩

37、和線慣性積：OYC(-6.67,-0.83)AB(3.33,-0.83)XJ xbc b 2 L (0.83) 2 10 6.89533 24.42 (0.83) 2 5 (0.83) 52 L33 d 2 L dL2 J xabJ x J xab J xbc 24.42 6.89 31.3式中：1033 111.2 (6.67) 2 10 (6.67) 10 2 L33 a 2 L aL2 J ybcJ yab c 2 L 3.332 5 55.45例題J y J yab J ybc 55.45 111.2 166.7式中：J xy J xyab J xybc 27.61 13.86 41.

38、5式中： J2 22J xybc abL (0.83) (6.67) 10 13.862 2J x J y JJ x J y J例題4、求通過形心處作用于剛臂端點(diǎn)O的彈性力 843.8NJ y xEI J xy yEI2xyPx 256.9 NJ x yEI J xy xEI2xyPy cbaPO82 10例題5、求管系端點(diǎn)的熱脹力矩M a Py X 0 Px (Lab Y0 ) 2663.2NmM b Py X 0 PxY0 1555.8NmM c Py (Lab X 0 ) PxY0 1013.2Nm6、求管系中的最大熱應(yīng)力：A點(diǎn)熱脹力矩最大，則A點(diǎn)處有最大熱應(yīng)力。M aWPyA 0.11

39、8 32.478 32.6MPa256.921.7 102663.253 max 與前例題中直管熱應(yīng)力240.95MPa對(duì)比，角形平面管系的熱應(yīng)力大大降低。cbaPO第五節(jié) 管道熱應(yīng)力計(jì)算三、考慮彎管柔性的平面管系熱應(yīng)力計(jì)算：，換算成計(jì)算長(zhǎng)度，然后按直管的計(jì)算將彎管的長(zhǎng)度乘以方法計(jì)算。1K式中：K-彎管的減剛系數(shù)。第六節(jié) 常用補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用一、常見的補(bǔ)償器：補(bǔ)償器：能增大管道彈性，減小管道熱應(yīng)力的彎曲管段或伸縮裝置。自然補(bǔ)償器：在布置管道時(shí)自然形成的彎曲管段。如L型、Z型、 型補(bǔ)償器。它不多費(fèi)管材，不增加介質(zhì)的流動(dòng)阻力。在自然補(bǔ)償器不能滿足要求時(shí)，才采用人工補(bǔ)償器。人工補(bǔ)償器：專門設(shè)置的用

40、來吸收管道熱脹的彎曲管段和伸縮裝置。如 型、 型補(bǔ)償器，波紋補(bǔ)償器，填料函式補(bǔ)償器。第六節(jié) 常用補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用型補(bǔ)償器：由鋼管彎制而成。工作溫度和壓力與原管道相同，補(bǔ)償能力大（400mm)；尺寸大，占位大，增加了介質(zhì)的流動(dòng)阻力。波紋補(bǔ)償器：由鋼板、紅銅、鋁板薄片制成。結(jié)構(gòu)尺寸小，占位小，不增加介質(zhì)的流動(dòng)阻力；補(bǔ)償能力不大（90mm），工作壓力有限制。填料函式補(bǔ)償器：由套筒伸縮裝置構(gòu)成。結(jié)構(gòu)尺寸小，補(bǔ)償能力大不增加介質(zhì)的流動(dòng)阻力。易卡住、泄露。 t 1.5 第六節(jié) 常用補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用二、補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)計(jì)算：1、彈性中心法：分析計(jì)算管道的熱應(yīng)力P74表2-9，2-10，2-11，與管材的許用熱應(yīng)力作比較：t在常溫和工作循環(huán)次數(shù)較低時(shí)：在高溫和工作循環(huán)次數(shù)較高時(shí)： t f (1.25 c 0.25 h )式中：f-由循環(huán)次數(shù)確定的應(yīng)力降低系數(shù)，P72表2-82 208.3Dg ( L u)第六節(jié) 常用補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用2、簡(jiǎn)化計(jì)算方法：判斷管道