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1、压力管道强度及应力分析,压力管道的载荷和应力分类,载荷的定义 凡是引起结构产生变形的条件称为载荷 载荷的分类具有不同特征的载荷产生的应力状态 ,对破坏的影响不同 ,对载荷分类可以方便研究不同载荷对结构失效的影响,压力管道的载荷和应力分类,载荷的分类 按载荷作用的时间长短分类 恒载荷持续作用于管道的载荷 ,如介质压力、支吊架反力、管道自重、热膨胀受约束产生的热负荷、应变自均衡产生的自拉力、残余应力等 活载荷临时作用于管道上的载荷 ,如风载荷、地震载荷等,压力管道的载荷和应力分类,载荷的分类 按载荷是否随时间变化分类 静力载荷缓慢、无振动地加到管道上的载荷 ,大小和位置均与时间无关 ,或极为缓慢地
2、变化 ,惯性力很小可略去不计的载荷。本章内容涉及的载荷基本上是静力载荷 动力载荷随时间迅速变化的载荷 ,使管道产生显著的运动 ,必须考虑惯性力的影响。如管道的振动、阀门突然关闭时的压力冲击、地震等,压力管道的载荷和应力分类,载荷的分类 按载荷的作用性质分类 自限性载荷（属静力载荷）由于管道结构变形受约束所产生的载荷 ,不直接与外部载荷平衡 ,当管道材料塑性较好时 ,其最大值限定在一定范围内 ,不会无限制增大的载荷。如管道温度变化产生的热载荷；结构曲率发生突变处附近的边缘应力等 非自限性载荷（属静力载荷）直接由外部作用的外力载荷。如介质压力、管道自重等,压力管道的载荷和应力分类,载荷的分类 管道
3、计算时主要考虑的静力载荷 介质压力也称压力载荷 持续外载（或机械载荷）管道自重、支吊架反力和其它外载 位移载荷（或热负荷）热胀冷缩和端点附加位移,压力管道的载荷和应力分类,应力分类由于载荷性质不同 ,产生的应力性质也不同 ,它们对管道的破坏贡献不同。应该对其分类 ,对于不同应力给予不同的限制条件 ,以充分发挥材料的性能 ,又保证安全生产,压力管道的载荷和应力分类,应力分类 一次应力（P）一次应力是由于外载荷作用而在管道内部产生的正应力或剪应力 ,它满足与外力平衡的条件。它的特征是非自限性的 ,始终随外载荷的增加而增加 ,最终达到破坏。由于载荷性质不同 ,在管道内产生的应力分布也不同 ,一次应力
4、又分为：,压力管道的载荷和应力分类,应力分类 一次应力（P） 一次总体薄膜应力（Pm）它是管道的基本应力 ,分布在整个管道上 ,在管道的截面上是均匀分布的。如内压力引起的管道环向应力和轴向应力 一次弯曲应力（Pb）这个应力在管道的很大区域内分布 ,在管道截面上的分布是沿厚度变化的 ,呈线性分布。这种应力达到屈服时 ,只是局部屈服 ,如果继续加载 ,应力在管道截面上的分布重新调整 ,允许比一次总体薄膜应力具有较高的许用应力。如由于管道的自重和机械载荷引起管道的弯曲变形产生的弯曲应力等,压力管道的载荷和应力分类,应力分类 一次应力（P） 一次局部薄膜应力（Pl）由于压力或机械载荷引起的分布在局部范
5、围内的薄膜应力。这种应力达到屈服时 ,由于材料的塑性变形 ,也只引起局部屈服 ,周围仍受到弹性材料的约束 ,允许在局部区域内产生屈服。如管道支架处或管道接管连接处产生的应力,压力管道的载荷和应力分类,应力分类 二次应力（Q）由于管道变形受约束而产生的正应力或剪应力 ,它本身不直接与外载荷相平衡。二次应力的特点是具有自限性 ,当材料是塑性材料时 ,在较大应力区域产生塑性变形与之相邻部分的约束得到缓解 ,变形趋向协调 ,应力不再继续增大 ,自动地限制在一定的范围内。二次应力还具有局部性 ,就是二次应力作用的区域范围限制在局部区域内。如管道由于热胀冷缩、管道的曲率发生突变、其它位移受到约束而产生的应
6、力均属于二次应力,压力管道的载荷和应力分类,应力分类 峰值应力由于载荷、结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的最高应力值。它的特征是整个结构不产生任何显著的变形 ,它是疲劳破坏和脆性断裂的可能根源。如管道中小的转弯半径处、焊缝咬边处等,压力管道的载荷和应力分类,一般压力管道应力许用值的限定 几个概念 极限状态当结构元件的某个截面上达到整个截面发生屈服时的状态 极限载荷对应极限状态时施加在结构上的载荷 极限载荷法认为结构达到极限状态后 ,不能再进一步承受附加载荷 ,可防止结构产生过渡变形 ,由此来规定结构的许用应力值的设计方法,压力管道的载荷和应力分类,一般压力管道应力许用值的限定 几个概念
7、安定性结构在载荷（包括热负荷）反复变化的过程中 ,不再发生塑性变形的连续循环 安定性准则由于塑性材料具有二次应力的局部性和自限性 ,控制结构在运行中不发生疲劳破坏 ,使结构保持安定 ,而限定二次应力范围的方法,压力管道的载荷和应力分类,一般压力管道应力许用值的限定 一次应力的限定 内压作用下 内压轴向力和持续外载作用下 二次应力的限定 一次应力加二次应力 单独二次应力 当 时 ,单独计算二次应力时式中：f 修正系数 ,交变次数N7000次时 ,f=1.0 ,N7000次时,f=0.9,压力管道的强度计算,承受内压管子的应力分析上面的 三个表达式是承受内压圆筒应力分布计算式（Lame公式）的平均
8、值。Lame公式是承受均匀分布内压圆筒的精确应力计算式,压力管道的强度计算,直管壁厚计算式由最大剪应力理论可得管子的壁厚计算式： 按外径计算： 按内径计算：考虑管子制造负偏差和腐蚀裕量 ,工程上的管子壁厚计算式为,压力管道的强度计算,参数确定 设计压力P取设计压力最高工作压力 材料的许用应力t 首先根据输送介质的操作条件（如压力、温度）及其在该条件下的介质特性（毒性、易燃性、腐蚀性和渗透性）选定管子材料 ,然后查该管材在设计温度下的许用应力值,压力管道的强度计算,参数确定 焊缝系数 无缝管=1.0; 单面焊接的螺旋线钢管=0.6; 纵缝焊接钢管： 双面焊的全焊透对接焊缝： 100%无损探伤 ,
9、=1.0； 局部无损探伤 ,=0.85。 单面焊的对接焊缝 ,沿焊缝根部全长具有垫板： 100%无损探伤 ,=0.9； 局部无损探伤 ,=0.8。,压力管道的强度计算,参数确定 壁厚附加量C=C1+C2无缝直管壁厚负偏差C1按下式计算： 普通钢管厚度负偏差值,压力管道的强度计算,参数确定 壁厚附加量C=C1+C2 无缝弯管壁厚负偏差C1按下式计算： 钢板或钢带焊制管的壁厚负偏差C1：壁厚5.5 ,C1=0.5；壁厚7 ,C1=0.6；壁厚25 ,C1=0.8。 介质对管子的腐蚀速度0.05/a ,单面腐蚀C2=11.5 ,双面腐蚀C2=22.5。,压力管道的强度计算,弯管壁厚计算在壁厚各处相同
10、 ,无椭圆效应时 ,弯管在内压作用下 ,环向最大应力在弯管内侧。而直管弯制时 ,弯管外侧壁厚减薄 ,内侧壁厚加大 ,横截面产生一定的椭圆度 ,弯管外侧应力增大 ,内侧应力减少。相抵一部分后 ,实际环向应力仍比直管的大。工程中用考虑弯曲效应 ,对直管的壁厚计算式修正的方法计算 ,即,压力管道的强度计算,弯管壁厚计算由于弯曲使横截面变得不圆 ,内外侧面壁厚变化 ,对应力分布产生影响 ,为了使上面壁厚计算式的计算值能保证管道安全 ,下式定义的最大外径与最小外径的差值Tu ,必须限制在规定范围内GB50235-97工业金属管道工程施工及验收规范对弯制弯管规定：对输送剧毒流体的钢管或设计压力10MPa的
11、钢管Tu不超过5% ,输送剧毒流体以外的钢管或设计压力10MPa的钢管Tu不超过8%,压力管道的强度计算,焊制三通壁厚计算三通的连接处是曲率半径突然变化的地方 ,应力集中非常明显 ,但很快衰减。可采用局部补强或加厚管壁的方法降低应力值。三通主管的计算式：强度削弱系数 ,对于单筋、蝶式等局部补强的三通 ,=0.9。,压力管道的强度计算,焊制三通壁厚计算上式适用于Dw660mm ,dn/Dn0.8 ,1.051.5（其中=Dw/Dn）焊制三通。焊制三通所用管子为无缝钢管（否则应考虑焊接接头系数）三通支管的计算式：焊制三通的长度一般为3.5倍管子外径；高度取1.7倍外径,压力管道的强度计算,异径管壁
12、厚计算按锥壳大端的应力分析进行计算式：半锥角不得大于30 ,且半锥角和P/（t）的关系 ,不得超过下表所列的数值 ,中间值可内插求取,压力管道的强度计算,焊接弯头的强度计算 多节斜接弯头当图中的22.5时 ,用下面两式计算许用压力 ,并取两者的最小值式中rp=rn+S1/2是管子平均半径。上式是考虑斜接弯头接头处的边缘应力（二次应力），允许的许用压力,压力管道的强度计算,焊接弯头的强度计算 多节斜接弯头上式是考虑弯曲效应引起的应力增加 ,允许的许用压力。,压力管道的强度计算,焊接弯头的强度计算 多节斜接弯头上式中的R1值必须满足下列条件：式中A值由管子壁厚S1决定 ,见下表：,压力管道的强度计
13、算,焊接弯头的强度计算 单节斜接弯头当22.5时的单斜接弯头相同。当22.5时 ,单节斜接弯头的最大容许压力用下式计算：上式是按边缘应力确定的允许内压力。,压力管道的热应力分析,热应力概念物体都具有热胀冷缩的性质 ,如果不允许物体自由变形给其施加一约束 ,便在物体内部产生应力 ,称为热应力或温度应力。 管道的自由伸长量 管端当量轴向力当在管的两端不允许有位移时 ,可以认为在管端施加一力P ,把其压（或拉）到原长 ,即：,压力管道的热应力分析,热应力概念 管中的热应力为从上式可见管中由于温度变化产生的热应力与材料的线膨胀系数 ,弹性模量和温差成正比 ,而与管长无关。,压力管道的热应力分析,热应力
14、概念 示例给一个例子说明热应力的影响 ,管材为Q235-A ,1594.5 ,操作温度100 ,安装温度为0 ,其热膨胀系数为12.210-6/ ,弹性模量为2.0105MPa ,代入上面热应力计算式 ,计算结果其热应力为244MPa ,产生的管端推力为529480N。,压力管道的热应力分析,热应力概念 对于平面管系ACB ,B端位移为：与直接从A到B有一根管子的伸长量相同,压力管道的热应力分析,管道热应力计算 如果存在温度变化 ,不仅在管内引起热应力 ,而且在支吊架处引起支座反力的变化 ,为了保证管道和支吊架安全运行 ,应求出支座反力。以平面管系为例 ,采用结构力学力法 ,求支座反力的方法。
15、解除B端的约束 ,而代之以复原力Px、Py、Mxy ,使它们产生的变形效果与原约束相同。,压力管道的热应力分析,管道热应力计算对于图示B端实际位移在x ,y方向的位移和转角均为零 ,而在温差作用情况下 ,在x方向的位移为横管的伸缩量b ,在y方向的位移为竖管的a ,无角度变化。为保证与实际位移一致 ,在支座反力的作用下 ,应产生与以上位移大小相等 ,方向相反的位移。在支座反力的作用下在平面内产生的位移和转角应满足下式：,压力管道的热应力分析,管道热应力计算式中 ,ij是变形系数 ,表示在j方向的单位力在i方向上产生的位移。由卡氏第二定理：,压力管道的热应力分析,柔性系数和应力加强系数 前面的计
16、算认为AC管子与CB管在C点是刚性连接 ,而实际情况 ,两管的刚度一般比直管低 ,即柔性大 ,使变形容易 ,管道中的实际热应力比前例中计算的小。而弯管在弯矩的作用下 ,其应力与直管相比有所增加,压力管道的热应力分析,柔性系数和应力加强系数 柔性系数（K） 柔性系数：弯管相对于直管承受弯矩弯曲时 ,发生转角的增大倍数。弯管的柔性比直管大的原因是 ,弯管在受弯矩后 ,易产生如图所示的扁平效应 ,使弯管的抗弯模量减少 ,刚度降低,压力管道的热应力分析,柔性系数和应力加强系数 柔性系数（K） 弯管的柔性系数用下式计算：其中是弯管的尺寸系数 ,用下式计算：式中R为管子弯曲半径；S为管子壁厚；rp为管子平均半径K计算式的使用范围为：0.021.65 ,当1.65时 ,取K=1。K计算式用于计算光滑弯管的柔性系数。平面或非平面弯曲都适用,压力管道的热应力分析,柔性系数和应力加强系数 柔性系数（K） 焊接弯头的柔性系数用下式计算：其中： 对于单斜接缝斜接弯头：RY=rp 对于稀缝斜接弯头 ,即：,压力管道的热应力分析,柔性系数和应力加强系
