【大学课件】管道应力

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1、管 道 应 力压力管道设计分为三个阶段配管、管道材料和管道应力。其中管道 应力分析直接关系到管道自身和与其相连的机器、设备、土建结构的安 全，具有很高的技术要求，在管道设计中受到越来越多的重视。与国外 相比，我国的管道应力分析工作开展较晚，在国家标准GB50316工业 金属管道设计规范中，与管道应力相关的部分主要参考了美国规范。 对于压力管道设计，美国规范为ASME Code for Pressure Piping B31系列 。建筑之家1 1、管道应力分析的任务、管道应力分析的任务 压力、重力、风、地震、压力脉动、冲击等外力荷载和热膨 胀的存在，是管道产生应力问题的主要原因。其中，热膨胀问题

2、 是管道应力分析所要解决的最常见和最主要的问题。通俗来讲，物体内某一点的应力，是指物体内该点单位面积 上的内力。应力分析的直接理解，应该是通过计算得到物体内的 应力分布和数值。然而，通常所说的管道应力分析工作不仅仅是 简单计算一下管道的应力，它是一个扩展的概念。管道应力分析 的任务，实际上是指对管道进行包括应力计算在内的力学分析， 并使分析结果满足标准规范的要求，从而保证管道自身和与其相 连的机器、设备及土建结构的安全。一般来讲，管道应力分析可以分为静力分析和动力分析两部 分。静力分析是指在静力荷载的作用下对管道进行力学分析，并 进行相应的安全评定，使之满足标准规范的要求。动力分析则主 要指往

3、复压缩机和往复泵管道的振动分析、管道的地震、水锤和 冲击荷载作用下管道的振动分析，其目的是使地震和振动的影响 得到有效控制。 2 2、 管道应力分析基础知识管道应力分析基础知识2.1 应力应力在外力的作用下，构件发生变形，这说明构件材料内部在外力作用下变 形时原子间的相对位置发生了变化，同时原子间的相互作用力（吸引力与 排斥力）也发生了改变。这种力的改变量称为内力。因此，在外力作用下构件发生变形时材料也相应地产生附加内力。这个 内力抵抗外力改变其形状。为了说明内力对已变形构件影响的程度，以直 杆件为例，如图所示的棱柱形杆件，它是等截面和直轴线的杆件。 假设杆件的两端作用有使它产生均匀伸长或拉

4、伸的轴向力P，假想沿杆的横截面m-m将杆截分为 、两段，在外力P的作用下杆的两段受力均匀 的分开，而由于断面m-m两边的原子间的相互作 用力联系在一起，杆件的m-m断面有内力存在， 这内力就是右段杆件对左段杆件的作用力。杆件 的材料是均匀连续的，内力在截面上也是连续分 布的，以N表示分布在杆件断面上内力的合力， 由于P与N是共线力系，由段力的平衡方程可得 ： N=P 内力N的作用线与杆件的轴线重合。这种内力称为轴向力。内力是沿整个断面m-m连续分布的，单位面积上内力的强度即称为应力，以 “”表示。因此，应力是反映构件（材料）受力程度的物理量，由作用力及反作用力 恒等的定律可知，段作用于段及段作

5、用于段的应力是相等的。设杆件的断面积为A，可得： =N/A 式中 应力；因为N=P,故=P/A。应力不仅有大小，而且与它所在截面的方向有关。 构件或物体受外力（荷载）作用下将产生变形，为表明变形的程度，需计算单 位长度内的变形，即应变，以“”表示。它是与应力相对应、用以反映物体 变 形程度的物理量。如以杆件受拉伸为例，若杆件的轴向变 形量L，杆件的原长为L0,则轴向线应变为 ：=L/ L0由上式可知，应变是一无量纲的量，其 数值则等于每一单位长度的伸长量。杆件的原长为L0,当杆件受拉力P的作用 后，长度伸长至L,于是杆件的轴向伸长量为 ： L=L-L0 若杆件的材料为碳钢，在杆件的变形为弹性性

6、态时，则杆件的单位长度伸长量（应变）与作用于杆件单位面积上的力（应力）成正比，按虎克定律则它的表达式为：L/ L0P/A若上式的比例常数为E,则得：L=PL0/EA因这一表达式符合虎克定律，常数E称为弹性模数或弹性模量。它随材料和温度的不同而异。根据上述“应力”、“应变”的物理意义，可以得到应力与应变的关系式：=/E或=E这个公式的物理意义是：当杆件受拉伸，应力不超过某一限度时，正应力与轴向应变成正比例关系。杆件受力有拉伸、剪切、弯曲、扭转四种形式，仅介绍拉伸的一种受力情 况。 2.2热力管道的应力进行应力分析与计算，是研究管道在各种荷载作用下产生的力，力 矩和应力，从而作出对于管道安全性的评

7、价，并满足所连接的设备对管 道推力的限定。使设计的管道尽可能经济合理。热力管道的应力，主要 是由于承受内压力和外部荷载以及热膨胀而引起的。管道在这些荷载作 用下的应力状态是复杂的。 一般地说，管道应力分析与计算，包括对管系进行柔性计算和应力 验算两部分。管道的柔性计算，是计算管道由于外力(集中荷载或均布 荷载)和变形约束而产生的力和力矩。在进行管道的强度设计时，除按管道正常运转下的压力温度条件进 行应力分析外，还需考虑热膨胀和自重产生的应力，以及各种非正常运 行条件下的应力。通常作用到管道上荷载分类如下表所示。表中所列的 荷载，有些可以通过应力分析使这些荷载所产生的应力在允许范围内； 有些则需

8、要安装保护装置使管道的应力不超过允许的数值，例如设置安 全阀、缓冲罐等；有些则需要合理的操作，使荷载降低到可接受的范围 ，例如降低蒸汽管道的暖管速度，以减少“水锤”的影响等。荷载的种类荷载特点荷载来源 附注产生一次应力的荷载：为非自限性荷载，荷载过大，管道会被破坏。内压力或外 力在装置运行时 产生，属于长 期静荷载装置运行时在 操作温度下， 管内液体的内 压或外压因为在运行条件 下管内压力和温 度有种种变化， 所以取最不利的 压力温度组合作 为设计条件表2.2-1 作用在管道上的负荷一览表内压力或外力在装置运行时产生，属于 长期静荷载装置运行时在操作温度下 ，管内液体的内压或外压因为在运行条件

9、下管内 压力和温度有种种变化 ，所以取最不利的压力 温度组合作为设计条件重力长期静荷载其中包括管道、阀门、管 件、隔热材料和流动介质 的重量、应区分均布荷载和集中 荷载环境影响短期静荷载管内气体或蒸汽在停工时 由于大气的冷却，管内形 成负压。由于气温升高或 太阳直射使管内压力升高 。通常在应力分析中 不考虑，必要时设真空 破坏器或安全阀防止管 道破坏。试验荷载短期静荷载管道安装完毕后，进行水 压试验或气压试验的荷载一般试验压力根据 有关规范确定积雪荷载短期静荷载降雪地区的室外管道按气象资料确定风荷载短期动荷载作用于室外管道按气象资料确定地震荷载短期静荷载由地震引起的振动一般根据有关资料按静 力

10、计算压力冲击(水锤)短期动荷载机泵启动或关闭时，阀门 快速启闭时和蒸汽管道暖 管时在运行规程中设定机泵 启动和关闭的规定，蒸 汽管暖管的规定。对大 口径的水泵出口设缓闭 的逆止闭，以减少冲击 荷载。热膨胀变形在管道上产生交变应 力，每运行周期变化 一次因管道热胀或冷缩 ，管道变形而产生 的交变应力用计算机程序或有 关图表计算安装时冷紧冷紧可减少管道对设 备和固定支架的力施工过程中产生对二次应力无影响管道端点位移在管道上产生交变应 力与管道连接的设备 膨胀用计算机程序或有 关图表计算管道振动长期振动负荷管道受往复式机泵 的压力脉动、两相 流的压力脉动和机 泵喘振而引起的振 动往复式机泵的 进出口

11、设置缓冲罐 或增加管道的刚度设备或支架基础 下沉可能引起管道对设备 或支架的作用力改变 或法兰泄漏基础较差如果在设计时能预 知可能下沉量，应 在设计中予以考虑产生二次应力的荷载为自限性荷载，管道变形后荷载减轻 图a当管道热胀时，受各种支架及其所连接设备的约束，即热胀受限而产生热 应力。此外由于管道局部的温度分布不均，轴向及管内外存在温度梯度，也 产生热应力。图a为一端固定一端自由的管道，热胀时不受阻，所以没有热应力。图b 为两端固定的管道，热胀受阻而产生热应力和对固定点的作用力FX。2.3管道的热应力及管道热应力的产生 图b =eE/100 Fx=A e单位线膨胀量 e =L/L cm/m L

12、管道的计算长度，m L管道的线膨胀量，cm E管材的弹性模量，MPa A管道的截面积，mm2 热应力，MPa Fx对固定点的作用力 N例：已知长一米两端固定的钢管，DN100，管子壁厚为5mm，如图b所 示，求温度由20升到120时的热应力和对固定点的作用力？解： DN100管子的外径为114mm，壁厚为5mm，截面积A=1712mm2; 由表查炭素钢管从20升到120的线膨胀量e=0.116cm/m 由表查炭素钢120的弹性模量=1.94105MPa 热应力 =0.1161.94105/100=225MPa 对固定点的作用力FX=A =1712225=385200N从上述的例题可知，两端固定

13、的管道虽然温度变化只有100，但 热应力和对固定点的作用力都是很大的，如不采取措施，则可能造成设 备,管道或支架损坏。如果热应力过大，可能产生下列现象： 在管道冷态和热态频繁变化下，可能使管道在温度的反复作用下 ，超出管材的弹性极限，因而产生塑性变形。多次塑性变形，可能造成 管道的疲劳破坏。 在管道上热应力过大，可能使管道上的法兰连接部位发生泄漏。 与转动设备连接的管道，如果管道对转动设备的推力过大，可能 使转动设备的转子和定子接触，或改变轴承的间隙，因而产生振动。 与敏感的静设备连接的管道，如果管道对设备的推力过大，可能 造成设备的损坏，例如对衬玻璃的设备。从例题上还可以看出，这个推力是相当

14、大的。加热温度更高或 管子尺寸(直径或壁厚)更大，管道对端点的推力也将更大。为此， 必须将管系布置得柔软一些，利用管道的弯曲或扭转变形来达到热 胀或冷缩的自然补偿，以使管系的应力和推力都降低下来。最简单 的方法就是将A、B两点的直管道改成L型管型式，这样，它的应力和 推力都要比直管布置低得多。两臂L1和L2愈长，应力和推力也就愈 小。这个图表示两臂长度相等(即 L1=L2)的L型管系，管子尺寸为 2196和1594.5，它的展开 长度与固定点推力的关系。管径愈 大，展开长度愈小，则推力愈大。现以各臂长相同的L型、Z型的型平面管系为 例作比较。它们都加热到同样的温度，采用同样的 钢材和管子规格，

15、以L型的应力和推力为1，与其它 型比较如上：L型 Z型 型 应力 1 0.81 0.13 推力 1 0.61 0.04对于立体管系，除了利用弯曲变形以外，还可 以利用扭转变形来达到自然补偿的目的。2.4管道应力分析的静力分析和动力分析 静力分析包括：(1) 压力、重力等荷载作用下的管道一次应力计算-防止塑 性变形破坏;(2) 热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的管道二 次应力计算-防止疲劳破坏;(3) 管道对机器、设备作用力的计算-防止作用力过大，保 证机器、设备正常运行;(4) 管道支吊架的受力计算-为支吊架设计提供依据;(5) 管道上法兰的受力计算-防止法兰泄漏;(6) 管系位移计算-防止管道碰撞和支吊点位移过大。动力分析包括:(1) 往复压缩机(泵)管道气(液)柱固有频率分析-防止气(液)柱共振;(2) 往复压缩机(泵)管道压力脉动分析-控制压力脉动值;(3) 管道固有频率分析-防止管道系统共振;(4) 管道强迫振动响应分析-控制管道振动及应力;(5) 冲击荷载作用下管道应力分析-防止管道振动和应力过大;(6) 管道地震分析