壓力管道應(yīng)力分析.ppt

1、第二章壓力管道強度及應(yīng)力分析,楊玉芬,一、壓力管道應(yīng)力分析的目的和意義,1、壓力管道的安全運行意義重大 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械裝備加以連接才能進行正常的生產(chǎn)。 另外，工藝裝置能否長期安全生產(chǎn)和具有足夠的使用壽命也與管道設(shè)計的好壞密切相關(guān)。 因此，管道設(shè)計是工業(yè)生產(chǎn)裝置不可缺少的重要組成部分，我們必須給予高度的重視。,我們所討論的壓力管道是指壓力管道安全管理與監(jiān)察規(guī)定限定范圍內(nèi)的管道，管道中通常都是高溫（或超低溫）、高壓、易燃、易爆、有毒等危險性較大的介質(zhì)。 因此，壓力管道一旦發(fā)生安全事故，都會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和人員的傷亡，這些在國內(nèi)外都一有了大

2、量的經(jīng)驗和教訓(xùn)。 保障壓力管道的安全運行，首先要通過合理的設(shè)計保障管道的強度。,2、管道所承受的載荷復(fù)雜 作用于管道的載荷有： （1）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。 同時，介質(zhì)的壓力在遠端軸向還會在管子中產(chǎn)生軸向拉（壓）應(yīng)力而引起某些附加載荷。 對于厚壁管，還會產(chǎn)生沿半徑方向的載荷。,（2）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)、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。 （3）零部件的重量 （4）支吊

3、架產(chǎn)生的支反力,（5）風(fēng)力、地震產(chǎn)生的載荷 （6）管道溫度變化所產(chǎn)生的溫差應(yīng)力 （7）管道安裝所產(chǎn)生的約束力 （8）設(shè)備的變形或位移在管道上產(chǎn)生的附加載荷 （9）此外，還有介質(zhì)在管內(nèi)的流動所引起的各種動載荷,3、不同性質(zhì)的載荷對管道安全的影響有很大差別 例如： （1）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)稱為應(yīng)力沒有自限性。 （2）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)達到一定程度時，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。,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)不同類型的載荷采

4、用不同的強度條件，才能在保障安全的前提下，盡可能的提高管道運行的經(jīng)濟性。 對于壓力管道，介質(zhì)的內(nèi)壓是最主要的載荷，也是管道強度計算的主要依據(jù)。,4、壓力管道應(yīng)力分析的目的 壓力管道的設(shè)計應(yīng)能夠適應(yīng)介質(zhì)的壓力、溫度和介質(zhì)的操作條件，設(shè)計的核心問題是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，即處理強度、剛度和穩(wěn)定性問題，保證壓力管道的安全性和經(jīng)濟性。 因此，對壓力管道進行較為充分的載荷和應(yīng)力、應(yīng)力與變形分析，構(gòu)成了壓力管道設(shè)計的重要理論基礎(chǔ)。,二、壓力管道應(yīng)力分析,1、載荷的分類 （1）根據(jù)作用時間分： 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 瞬間載荷 臨時作用于管道的

5、載荷， 風(fēng)載荷、地震載荷等,（2）根據(jù)作用性質(zhì)分： 靜載荷 緩慢、毫無振動的、使管道不產(chǎn)生顯著運動的載荷 動載荷 管道振動、壓力沖擊、風(fēng)，地震載荷等,（3）載荷的自限性 自限性載荷是指由于結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)過程中所產(chǎn)生的載荷，例如：設(shè)備接管處。 在管道的強度設(shè)計中，主要考慮的載荷有介質(zhì)內(nèi)壓、自重、支反力，及附加位移等，介質(zhì)內(nèi)壓是強度計算的最主要的依據(jù)。,2、應(yīng)力分類 （1）應(yīng)力的概念及管道的破壞 應(yīng)力的基本定義是指構(gòu)件單位面積上所承受的內(nèi)力 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極限，稱為強度極限，當(dāng)應(yīng)力的值達到或超過材料的極限時，材料就可能發(fā)生諸如過度變形、開裂、斷

6、裂、失穩(wěn)等現(xiàn)象，稱為失效或破壞。,（2）應(yīng)力分類 壓力管道應(yīng)力分類的依據(jù)是應(yīng)力對管道強度破壞所起作用的大小。 這種作用又取決于下列兩個因素： A、應(yīng)力產(chǎn)生的原因 即應(yīng)力是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的 外載荷是機械載荷還是熱載荷；,B、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 沿厚度的分布是均勻的還是線性的或非線性的。 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： 一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。,1）一次應(yīng)力（P） 一次應(yīng)力是指平衡外加機械載荷所必須的應(yīng)力。 一次應(yīng)力必須滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的靜力平衡關(guān)系，它隨外載荷的增加而增加，不會因達到

7、材料的屈服點而自行限制，所以，一次應(yīng)力的基本特征是“非自限性”。 如：管道介質(zhì)壓力、支反力、集中載荷等。,另外，當(dāng)一次應(yīng)力超過屈服點時將引起管道總體范圍內(nèi)的顯著變形或破壞，對管道的失效及破壞影響最大。 一次應(yīng)力還可分為以下三種 : a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)力達到材料的屈服點就意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。,b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。它在內(nèi)、外表面上大小相等、方向相反。 這種應(yīng)力在達到屈服極限時，只是表面屈服，如果繼續(xù)增加載荷，則屈服加深

8、，直至最后破壞，因此其破壞時的應(yīng)力大于一次總體薄膜應(yīng)力。 如：風(fēng)載荷在管壁產(chǎn)生的軸向彎曲應(yīng)力。,c一次局部薄膜應(yīng)力（Pl） 一次局部薄膜應(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)稱為一次局部薄膜應(yīng)力。 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連接處。,2）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，其作用不是為平衡外載荷，而是結(jié)構(gòu)在受載時變形協(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。

9、 二次應(yīng)力的特點是自限性 。,3）峰值應(yīng)力F 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,是引起疲勞破壞或脆性斷裂的可能根源。,3、承壓管道中的應(yīng)力分布 （1）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，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 、z 、r 。 當(dāng)管壁的厚度與管直徑相比較小時，在半徑方向的擠壓應(yīng)力r可以忽略不計，管壁內(nèi)只有兩個方向的主應(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)力狀態(tài)或平面應(yīng)力狀態(tài),（2）薄壁管與厚壁管 當(dāng)管道外徑/內(nèi)徑1.2時，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)。 反之稱為厚壁管，應(yīng)力分布為三

10、向應(yīng)力狀態(tài)或平面應(yīng)變狀態(tài)。,（3）三向應(yīng)力的計算公式（GB 50316) = PDn / 2te z= PDn2 / 4te (Dn+te) r= - P / 2 式中：P 介質(zhì)內(nèi)壓 MPa Dn 管子的內(nèi)徑 mm te 管子的有效(當(dāng)量）壁厚 mm,（4）其他載荷在管壁中產(chǎn)生的應(yīng)力主要在管道的軸向 管子重量（自身、介質(zhì)、保溫層） 零部件的重量 支吊架產(chǎn)生的支反力 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)生的附加載荷,三、一般壓力管道應(yīng)力許用值的限定,1、材料的極限值 屈服極限s、斷裂極限b、蠕變極限D(zhuǎn)、疲勞極限等n 2、安全系數(shù)

11、ns =1.5 、 nb=3 3、許用應(yīng)力 =min s/ ns 、 b/ nb 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，一般由查表得到。,4、失效準(zhǔn)則 失效準(zhǔn)則是指在判斷構(gòu)件是否失效時所應(yīng)用的最高應(yīng)力限制，通常的表達式為： max 該式也稱為強度條件,（1）一次應(yīng)力的強度條件 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，這是一個防止結(jié)構(gòu)過度變形的準(zhǔn)則。 一般進行下列兩項驗算：,1）管道在工作條件下，內(nèi)壓折算應(yīng)力的驗算 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: e 內(nèi)壓折算應(yīng)

12、力或叫當(dāng)量應(yīng)力 t 操作時，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)力進行強度設(shè)計后，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）二次應(yīng)力的強度條件 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)安定性準(zhǔn)則來規(guī)定其許用應(yīng)力值，這是一個防止結(jié)構(gòu)反復(fù)發(fā)生正反方向屈服變形的準(zhǔn)則。 對這類應(yīng)力限定，并不是限定

13、一個時期的應(yīng)力水平，而是控制其交變循環(huán)次數(shù),強度條件為： 內(nèi)壓和持續(xù)外載荷產(chǎn)生的一次、二次應(yīng)力e： e 1.25 f ( + t ) 單獨計算熱脹二次應(yīng)力e ： e f (1.25 + 0.25t ) 考慮軸向載荷時，單獨計算熱脹二次應(yīng)力e ： e f1.25 ( + t )-zhl 其中：f為修正系數(shù)。（p33),四、壓力管道的強度計算,1、承受內(nèi)壓管子的強度分析 承受內(nèi)壓管子，管內(nèi)任一點上的應(yīng)力 狀態(tài)可以用三個主應(yīng)力來表示： 1 = PDn / 2te 2 =z= PDn2 / 4te (Dn+te) 3 =r= - P / 2 式中：P 介質(zhì)內(nèi)壓 MPa Dn 管子的內(nèi)徑 mm te 管

14、子的有效(當(dāng)量）壁厚 mm,2、管子壁厚計算（GB 50316) （1）管子計算壁厚ts 承受內(nèi)壓管子計算壁厚公式： ts= PD0 / (2tEj+ PY) 式中： ts 管子的計算壁厚, mm; P 管子的設(shè)計壓力 MPa; D0 管子的外徑， mm; Ej 焊接接頭系數(shù); t 管子材料在設(shè)計溫度下的許用 應(yīng)力, MPa。 Y 考慮溫差應(yīng)力影響的系數(shù),（2）管子設(shè)計壁厚tsd 在工程上，需要考慮強度削弱因素 tsd= ts +C 式中： tsd 管子的設(shè)計壁厚, mm; C 壁厚附加裕量, mm. （3）管子的名義厚度tn tn tsd并向上圓整到材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度,3、設(shè)計參數(shù)的確定 t

15、s= PD0 / (2tEj+ PY) （1）設(shè)計壓力P（GB 50316 ，P13) 設(shè)計壓力應(yīng)不小于操作條件最苛刻時的壓力。 （2）設(shè)計溫度 原則上說，設(shè)計溫度應(yīng)為管道器壁溫度，實際設(shè)計中以介質(zhì)的操作溫度作為設(shè)計溫度,ts= PD0 / (2tEj+ PY) （3）許用應(yīng)力t （GB 50316 ，P102) 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)計溫度 （4）焊接接頭系數(shù)Ej（GB 50316 ，P21) Ej 1.0 （5）系數(shù)Y （GB 50316 ，P44) 當(dāng) ts D0 /6 、設(shè)計溫度482時 對管道常用材料 Y=0.4,（6）壁厚附加量C（P35)

16、 C=C1+C2 式中： C1 管子壁厚負偏差、彎管減薄量 的附加值，mm。C11的大小與材 料、壁厚及管子級別有關(guān) C2 管子腐蝕、磨損減薄量的附加 值， mm。 C2的大小與介質(zhì)有關(guān) 當(dāng)腐蝕不嚴(yán)重時，單面取1-1.5,雙面取2-3 否則，按腐蝕速率和設(shè)計壽命算,練習(xí)： 1、名詞解釋 （1）一次應(yīng)力 一次應(yīng)力是指平衡外加機械載荷所必須的應(yīng)力。一次應(yīng)力必須滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的靜力平衡關(guān)系，它隨外載荷的增加而增加，不會因達到材料的屈服點而自行限制。 （2）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為指定的應(yīng)力許用上限。 數(shù)值為材料的強度極限除以安全系數(shù)。,（3）設(shè)計壓力 設(shè)計壓力應(yīng)

17、不小于操作條件最苛刻時的壓力。 （4）設(shè)計溫度 原則上說，設(shè)計溫度應(yīng)為管道器壁溫度，實際設(shè)計中以介質(zhì)的操作溫度作為設(shè)計溫度,（5）壁厚附加量 C1管子壁厚負偏差、彎管減薄量的附加值， C2管子腐蝕、磨損減薄量的附加值， （6）名義厚度 tn tsd并向上圓整到材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度,2、問答題 （1）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)生的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)在受載時因變形協(xié)調(diào)而使應(yīng)力得到緩解，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力的自限性。,（2）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)在什么地方？ 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， 二次應(yīng)力是由于熱應(yīng)力或變

18、形約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，特點為有自限性。,3、計算題 （1）某單位需要設(shè)計壓力為1.6 MPa ,設(shè)計溫度為100，用鋼板直縫卷焊的630鋼管，設(shè)計采用Q235熱軋鋼板雙面對接焊，焊縫進行20%射線檢測，腐蝕附加量2.0 mm,試計算鋼板厚度。 （注： Q235 t =113 MPa）,解： ts= PD0 / 2 (t Ej + PY) 其中：P=1.6 MPa D0=630 mm t=100 材料Q235 熱軋狀態(tài) 100、假定厚度范圍3-16 mm, t =113 MPa,雙面對接焊，焊縫進行20%射線檢測 Ej=0.85 Y=0.4 (100482),代入公式 ts= PD0 / 2 (

19、t Ej + PY) ts=1.6*630/(2*113*0.85+1.6*0.4) =5.2 mm D0/6=630/6=1055.2 (Y滿足條件） C=C1+C2 C2=2 mm C1=0.5 mm（p36) C=2.5 mm tsd= 5.2+2.5=7.7 mm 答：可選用tn=8mm的鋼板。,（2）已知管內(nèi)設(shè)計壓力為12MPa ,管子外徑為273 mm，為普通無縫鋼管，管材工作溫度為50，在工作溫度下的許用應(yīng)力為113 MPa，腐蝕附加量1.0 mm,求管子的計算厚度。,ts= PD0 / 2(t Ej + PY) P=12 MPa D0=273 mm t =113 MPa Ej=

20、1 Y=0.4 （50 482 ） ts=12*273/(2*113*1+12*0.4) =14.2 mm,（3）已知DN300無縫鋼管的外徑為325 mm，管內(nèi)設(shè)計壓力為4.75 MPa , 管材為普通低合金鋼，設(shè)計溫度為425 ，在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力為87 MPa，腐蝕附加量1.5 mm, 求管子的名義厚度。,ts= PD0 / 2(t Ej + PY) P= 4.75 MPa D0=325 mm t =87 MPa Ej=1 Y=0.4 (4258.78 mm (Y滿足條件）,C=C1+C2 C2=1.5 mm C1=a/(100-a)*ts =15*8.78/(100-15)=1.5

21、5 mm (p35) C=3.05 mm tsd= 8.78+3.05=11.83 mm tn tsd =11.83mm 答：按GB/T 8163輸送流體用無縫鋼管，可選用tn=12 mm的鋼板。,4、彎管壁厚計算 （1）計算壁厚tlw tlw= ts(1 + D0/4R ) tlw= PD0 /2 (tEj+ PY) (1 + D0/4R ) （2）設(shè)計壁厚和名義壁厚 （3）彎管的不圓度Tu限定 對于輸送劇毒流體或P10MPa的鋼管，Tu不超過5%，其他Tu不超過8%。,練習(xí)： 已知一熱軋管的彎曲半徑R=500 mm，管子外徑D0=159 mm，設(shè)計溫度為常溫,普通碳素鋼許用應(yīng)力t =116

22、 MPa，內(nèi)壓 P=10 MPa，C2=1 mm ,求彎管的名義壁厚。,tlw= ts(1 + D0/4*R ) ts= PD0 / 2 (tEj+ PY) 解： ts=10*159/2*(116*1+10*0.4） =6.63 mm tlw=ts(1 + D0/4*R ) =6.631+ 159/(4*500)=7.16 mm C1=15*7.16/(100-15)=1.26 mm C2=1 mm C=C1+ C2=2.26mm Tsdw=ts+ C=7.2+2.26 mm=9.46 mm 取管子的名義厚度為 10 mm .,5、焊制三通管壁厚計算 （1）主管計算壁厚 tlz= PD0 /

23、2 (t+ P) 式中： 強度削弱系數(shù) 對于單筋、蝶式等局部補強的三通， =0.9。 焊制三通管選用無縫鋼管，否則要考慮焊接接頭系數(shù)。 （2）三通支管的計算壁厚 tld= tlz d0/D0 焊制三通長度一般為3.5D0 高度一般為1.7 D0,五、壓力管道的熱應(yīng)力分析,1、熱應(yīng)力的概念 管道在溫度發(fā)生變化時，會有熱脹冷縮的現(xiàn)象。 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)溫度發(fā)生變化時，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(溫差應(yīng)力）。 熱應(yīng)力對管道的安全有很大的威脅，是設(shè)計中必須考慮的問題。,2、簡單直管段熱應(yīng)力的計算 設(shè)一直管段長L，截面積為A，管材彈性模

24、量為E. 管道按裝溫度為T0,工作溫度為T1, T1T0。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l 則有： l=(T1-T0)L,lt=(T1-T0)L 實際的管段兩端是固定的，伸縮為0。 此時在管壁中就產(chǎn)生了力！ 力隨溫度升高而增大！ 可能產(chǎn)生兩種效果： （1）破壞管道的支撐 （2）管子失穩(wěn)破壞,由于溫度變化在 管壁中產(chǎn)生的力可以通過軸向拉伸與壓縮的計算方法來確定。 假定軸受軸向壓縮，壓力為P，軸受力的面積為A,長度為L，則軸截面中的應(yīng)力為： =P/A 由胡克定律， 所產(chǎn)生的壓縮變形為 l= *L/E=P*L/(A*E),管子的安裝如p39圖 為克服溫差變形，在管內(nèi)產(chǎn)生的載荷

25、可以借助下式計算 l軸= PL/EA 令l溫差= l軸則： (T1-T0)L=PL/EA 令：(T1-T0) = T 可以解出： P=T EA 而溫差=P/A稱為溫差應(yīng)力,與溫差大小和材料特性有關(guān)。,管內(nèi)的熱應(yīng)力為 = P/ A = T E 管內(nèi)的熱應(yīng)力在某些條件下會很大，如P40管徑為159 mm，溫度差為100時，管內(nèi)產(chǎn)生的溫差應(yīng)力為244 MPa 。 3、實際管道的熱應(yīng)力計算 實際管道的熱應(yīng)力計算是一個超靜定問題，只能通過變形協(xié)調(diào)方程、物理方程或數(shù)值解法得到近似解。 如：力法、位移法、有限元法等。 通常用計算機編程計算。,六、管道的柔性及柔性設(shè)計 1、管道的柔性 溫度變化時管道系統(tǒng)熱脹的

26、可能性稱為管系的柔性。 管道的柔性是反映管道變形難易程度的一個物理概念，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。 管系的柔性越大，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力就越小。,2、工程上增大管道柔性的幾種措施(GB 50316) （1）在條件允許的情況下,應(yīng)首先考慮采用改變管道走向以增加管道的柔性,如將管道根據(jù)工藝需要布置成L型或Z型(稱為自然補償器); （2）增加管系的長度可以增加管道的柔性,增加與其垂直的管道的長度可以減小管系的剛性; （3）選用彈簧支吊架,在吊架處存在的垂直位移,可以將約束放松,增加管道的柔性.,（4）選用人工補償器 a、 設(shè)置型彎 b、 設(shè)置波紋管膨脹節(jié),3、管道支吊架的類型

27、和選用 （1）管道支吊架的類型 三大類 1）承重類 恒力吊架、變力支吊架、剛性支吊架2）限位支吊裝置 限位、導(dǎo)向 3）振動控制裝置 彈簧減振器 油壓阻尼,（2）管道支吊架的選用 1）按照支撐點載荷大小、位移情況、操作溫度、安裝空間、管道材質(zhì)來選用 2）盡量選用標(biāo)準(zhǔn)支吊架 3）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 固定支架距離過長，可能產(chǎn)生橫向不穩(wěn)定 管道內(nèi)因沖擊載荷或兩相流產(chǎn)生振動時 設(shè)計時只允許軸向位移時,4）當(dāng)架空的管道熱膨脹量較大時，應(yīng)使用加長管托支撐。 （3）管道支吊架位置的確定 1）滿足管道最大允許跨距要求 2）布置在靠近集中載荷的地方 3）在轉(zhuǎn)動機器附近應(yīng)設(shè)置吊架 4）

28、對于復(fù)雜管系，應(yīng)根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果設(shè)置和調(diào)整這支吊架位置。,七、壓力管道的應(yīng)力驗算,前面我們用強度理論e t 導(dǎo)出公式 ts= PD0 / (2tEj+ PY) 來計算管道的壁厚。其中e為環(huán)向應(yīng)力。 應(yīng)力驗算的應(yīng)用： （1）驗算軸向應(yīng)力疊加后是否仍滿足強度條件； （2）實際存在的管道內(nèi)的應(yīng)力值是否滿足強度條件， （3）液壓試驗時的應(yīng)力校核,1、管道產(chǎn)生的最大軸向應(yīng)力的驗算 軸 此公式中包含： 1）內(nèi)壓軸向應(yīng)力 2）重量載荷、風(fēng)、地震載荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)力 3）熱負荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)力 4）其他約束等產(chǎn)生的軸向應(yīng)力,2、管道內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力的驗算 根據(jù)第三強度理論， e= - r t 當(dāng)r=0時，可得：

29、 e=PD0-(tn-c)/2*Ej*(tn-C) t （此公式的原型即為 = PD/2 t ）,3、壓力試驗時最大應(yīng)力的驗算 =P試驗D0-(tn-c)/2*Ej*(tn-C) 0.9s,練習(xí)： 一管子外徑為273 mm，壁厚為18 mm，為普通無縫鋼管，管材在工作溫度下的屈服限為 235 MPa，設(shè)計壓力為12 MPa ,腐蝕附加量1.0 mm, 液壓試驗壓力為18 MPa，要求管內(nèi)最大應(yīng)力不小于0.9屈服限，試進行應(yīng)力驗算,=PD0-(tn-c)/2*Ej*(tn-C) 0.9s 已知：P=18 MPa Ej=1 tn=18 mm C2=1 mm s=235 MPa C1=15/(100

30、-15)tn=3.2 mm =18*273-(18-4.2)/2*1*(18-4.2) =169 MPa 0.9s =0.9*235=211.5 MPa 0.9s 應(yīng)力驗算合格,八、應(yīng)力分析及強度計算小結(jié) (一)、應(yīng)力分類 一次、二次、峰值應(yīng)力 (二)、管道應(yīng)力計算公式 環(huán)向： =PD0/2t 軸向： =PD0/4t (三)、材料的極限值 屈服極限s、斷裂極限b、蠕變極限D(zhuǎn)、疲勞極限等n,(四)、安全系數(shù) ns =1.5 、 nb=3 (五)、許用應(yīng)力 =min s/ ns 、 b/ nb 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。 (六)、強度條件（失效準(zhǔn)則） max ,

31、(七)、強度條件的應(yīng)用 1、計算管道壁厚 （1）計算壁厚ts max max = = PD0/ 2t PD/ 2t P(D0 t)/ 2t Ej 解出t ts=PD0/(2 Ej-PY) （2）管道壁厚術(shù)語 ts 、tsd、te、tmin、tn,（3）設(shè)計厚度tsd tsd=ts +C (4) 名義厚度 tn (5)有效厚度te te=tn-C （6）最小厚度 tmin (7)壁厚減薄量C1 (8)腐蝕裕量C2 2、應(yīng)力驗算 3、最高承載能力計算,練習(xí)： 1、簡答題 （1）管道熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因 管道在溫度發(fā)生變化時，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)生的約束力稱為熱應(yīng)力，

32、或稱為溫度應(yīng)力。 （2）管道系統(tǒng)的柔性 溫度變化時管道系統(tǒng)熱脹的可能性稱為管系的柔性 （3）焊接接頭系數(shù) 焊縫材料的強度與母材強度之比， 1.0,計算題 1、一管子外徑為530 mm，壁厚為12mm，鋼板卷焊，設(shè)計溫度50，管材在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力為170 MPa，腐蝕附加量1.0 mm,求所能承受的最高設(shè)計壓力P。,解： 強度條件 max PD0-(tn-c)/2* (tn-C) *Ej P= *Ej* 2* (tn-C) / D0-(tn-c) tn=12 C1=0.8 C=1.8 雙面焊對接焊縫，局部檢驗，Ej=0.85 P= 170*0.85* 2*(12-1.8)/530-(12-1.8) =6 MPa,2、一管子外徑為159 mm，壁厚為6mm，鋼板卷焊，設(shè)計溫度100，設(shè)計壓力為3 MPa，管材在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力為113 MPa，腐蝕附加量2.0 mm,判斷此管道是否滿足強度條件。,解： 強度條件 max PD0-(tn-c)/2* (tn-C) *Ej tn=6 C2=2 C1=0.8 C=2.8 雙面焊對接焊縫，局部檢驗，Ej=0.85 3*159-（6-2.8)/2*(6-2.8) =73 MPa *Ej=113*.85=96 MPa 滿足強度條件。,練習(xí) 一