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,,建筑之家,1、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建筑之家,2、 管道应力分析基础知识,2.1 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伸的轴向力P，假想沿杆的横截面m-m将杆截分为Ⅰ、Ⅱ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Ⅰ段力的平衡方程可得： N=P,,建筑之家,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“σ”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，Ⅱ段作用于Ⅰ段及Ⅰ段作用于Ⅱ段的应力是相等的设杆件的断面积为A，可得： σ=N/A 式中 σ—应力；因为N=P,故σ=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“ε”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ΔL，杆件的原长为L0,则轴向线应变为：ε=ΔL/ 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： ΔL=L-L0,,建筑之家,若杆件的材料为碳钢，在杆件的变形为弹性性态时，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： ΔL/ L0∝P/A若上式的比例常数为E,则得： ΔL=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： ε=σ/E或σ=Eε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建筑之家,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。
建筑之家,产生一次应力的荷载：为非自限性荷载，荷载过大，管道会被破坏表2.2-1 作用在管道上的负荷一览表,,建筑之家,,建筑之家,产生二次应力的荷载为自限性荷载，管道变形后荷载减轻,,建筑之家,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σ和对固定点的作用力FX2.3管道的热应力及管道热应力的产生,,建筑之家,,图b,σ =eE/100 Fx=Aσ e—单位线膨胀量 e =△L/L cm/m L—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 σ—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： ① DN100管子的外径为114mm，壁厚为5mm，截面积A=1712mm2;② 由表查炭素钢管从20℃升到120℃的线膨胀量e=0.116cm/m③ 由表查炭素钢120℃的弹性模量ε=1.94×105MPa④ 热应力σ =0.116×1.94×105/100=225MPa⑤ 对固定点的作用力FX=Aσ =1712×225=385200N,,建筑之家,从上述的例题可知，两端固定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：① 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② 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③ 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④ 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建筑之家,从例题上还可以看出，这个推力是相当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φ219×6和φ159×4.5，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，则推力愈大建筑之家,现以各臂长相同的L型、Z型的П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，以L型的应力和推力为1，与其它型比较如上：L型 Z型 П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建筑之家,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建筑之家,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-防止管道地震应力过大。
建筑之家,2.5管道应力分析常用规范、标准(l) GB50316-2000《工业金属管道设计规范》（2008年版）;(2) SH/T3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》;(3) SH/T3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》;(4) SH3059一2001《石油化工管道设计器材选用通则》;(5) SH/T3073一2004《石油化工管道支吊架设计规范》;(6) GB/T20801-2006 《压力管道规范 工业管道》;(7) TSG D0001-2009《压力管道安全技术监察规程—工业管道》;(8) GB/T12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》;(9) GB50251-2003《输气管道工程设计规范》;(1O)GB50253-2003《输油管道工程设计规范》;(1l) DL/T5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》;(12) SDGJ6-90《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》;(13) HG/T20645-1998《化工装置管道机械设计规范》建筑之家,2.6管道上可能承受的荷载(1) 重力荷载，包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等;(2) 压力荷载，包括内压力和外压力;(3) 位移荷载，包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等;(4) 风荷载;(5) 地震荷载;(6) 瞬变流冲击荷载，如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击;(7) 两相流脉动荷载;(8) 压力脉动荷载，如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动;(9) 机械振动荷载，如回转设备的简谐振动。
建筑之家,,2.7在管道设计中常见的振动管系振动会引起管系和管架的疲劳破坏，建筑物诱发振动以及噪声等因此管道设计时要考虑防止或控制管线发生振动首先应掌握起振源和起振力尽可能选用起振力小的机械设备和用 简单的方法减少起振力压缩机和泵的管道最易产生振动，往复式压缩机和泵的间歇吸入和排出，管道内产生压力脉动，而使管道振动离心压缩机或泵的回转部分的不平衡产生的机械振动也会传至管道消除和控制振动的方法，因振源不同而异，机械振动可用软管隔振，管道内的压力脉动可在管道上安装脉动衰减器减振；为防止风机在高压低流量不移定状态区运行时产生的喘振，可调节风机的风量和风压管系的固有振动频率与振源的振动频率错开，可以防止产生共振管道内气柱压力为振源时，要对管系的固有振动频率和它的音响振动频率进行计算，并使它们错开，以免管系与压力脉动发生共振。