壓力管道機(jī)械

1、壓力管道材料與管道機(jī)械壓力管道材料與管道機(jī)械沈陽(yáng)化工大學(xué) 李志安1緒緒 論論 1996年勞動(dòng)部以“勞部發(fā)1996140號(hào)”文發(fā)出“關(guān)于頒發(fā)壓力管道安全管理與監(jiān)察規(guī)定(以下簡(jiǎn)稱監(jiān)察規(guī)定)的通知”，標(biāo)志著我國(guó)壓力管道的管理進(jìn)入了法制管理階段。監(jiān)察規(guī)定就壓力管道的定義及壓力管道的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用、檢驗(yàn)和修理改造等方面作出了安全管理和監(jiān)察的框架規(guī)定，以期最大限度地減少壓力管道運(yùn)行中的事故發(fā)生，有效地保障壓力管道的安全運(yùn)行，保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。 壓力管道與壓力容器一樣重要，從壓力管道的設(shè)計(jì)制造到安裝，都陸續(xù)制定了相應(yīng)法規(guī)和規(guī)范。如： tsg r1001-2008壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)許可規(guī)則；

2、tsg30012009壓力管道安裝許可規(guī)則；gb/t20801.1-62006壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道；gb50316-2000工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范；等等。1.1 壓力管道的特點(diǎn)壓力管道的特點(diǎn) 壓力管道與壓力容器相比較，具有以下主要特點(diǎn)： 1)種類(lèi)多，數(shù)量大，設(shè)計(jì)、制造、安裝、應(yīng)用管理環(huán)節(jié)多 2)長(zhǎng)細(xì)比大，跨越空間大，邊界條件復(fù)雜 3)現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量大 4)材料應(yīng)用種類(lèi)多，選用復(fù)雜 5)管道及其元件生產(chǎn)廠的生產(chǎn)規(guī)模較小，產(chǎn)品質(zhì)量保證較差1.2 壓力管道的研究范疇壓力管道的研究范疇 要實(shí)現(xiàn)一條壓力管道安全、長(zhǎng)周期地運(yùn)行，同時(shí)又是最經(jīng)濟(jì)的，必須從設(shè)計(jì)、制造、安裝和應(yīng)設(shè)計(jì)、制造、安裝和應(yīng)用用四個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)

3、行把握，而且缺一不可。 我們主要研究設(shè)計(jì)問(wèn)題。 壓力管道工程設(shè)計(jì)分成管道布置、管道材料設(shè)計(jì)和管道機(jī)械設(shè)計(jì)三個(gè)部分，或者說(shuō)分成這三個(gè)專業(yè)來(lái)完成。 管道材料設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，管道布置是目的，而管道機(jī)械設(shè)計(jì)是保障。(一一)管道布置管道布置 管道布置(設(shè)計(jì))過(guò)程大致可分為以下三個(gè)環(huán)節(jié)，即配管研究、管道詳細(xì)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)文件編制及歸檔。1)配管研究 配管研究首先要了解設(shè)計(jì)條件和用戶要求，然后確定設(shè)計(jì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并委托管道材料專業(yè)確定管道等級(jí)，最后進(jìn)行管道走向、支撐、操作平臺(tái)等方面的綜合規(guī)劃和布置，并將有關(guān)的、認(rèn)為有必要的管道委托給管道機(jī)械專業(yè)進(jìn)行力學(xué)分析。2)管道詳細(xì)設(shè)計(jì) (1)管道定位 (2)閥門(mén)定位 (3)

4、操作平臺(tái)設(shè)置 (4)放空排凝設(shè)計(jì) (5)隔熱設(shè)計(jì) (6)防腐設(shè)計(jì) (7)支撐設(shè)計(jì) (8)儀表元件定位 (9)采樣設(shè)計(jì) (10)圖例標(biāo)識(shí)及圖幅安排 (11)委托資料3)設(shè)計(jì)文件的編制及歸檔 文件資料應(yīng)包括資料: 圖紙目錄、 管道設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、 管道表、 管道等級(jí)表、 管段材料表、 管道材料表、 管道設(shè)備規(guī)格表、 管道設(shè)備規(guī)格書(shū)、 管道支吊架匯總表、 非標(biāo)管道設(shè)備圖、 非標(biāo)支吊架圖等。 (二)管道材料管道材料 管道材料是整個(gè)管道設(shè)計(jì)過(guò)程中的基礎(chǔ)部分，它直接影響到壓力管道的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。因此，許多法規(guī)性的標(biāo)準(zhǔn)如ansi b31.1、ansi b313、ansi b314、sh3059等都是主要針對(duì)管

5、道材料的設(shè)計(jì)編寫(xiě)的， “壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”也主要圍繞著這部分內(nèi)容進(jìn)行規(guī)定。 管道的材料設(shè)計(jì): 管道器材標(biāo)準(zhǔn)體系的選用、 材料選用、 壓力等級(jí)的確定、 管道及其元件型式的選用等內(nèi)容。(三)管道機(jī)械管道機(jī)械 管道的機(jī)械設(shè)計(jì)一般是由管道機(jī)械工程師(以下簡(jiǎn)稱為機(jī)械工程師)來(lái)完成的。 管道機(jī)械研究的核心是管道的機(jī)械強(qiáng)度和剛度問(wèn)題,它包括: 管道及其元件的強(qiáng)度、剛度是否滿足要求; 管道對(duì)相連機(jī)械設(shè)備的附加載荷是否滿足要求等。2管道材料管道材料21金屬材料基礎(chǔ)金屬材料基礎(chǔ)金屬材料基本性能：1）機(jī)械性能：強(qiáng)度指標(biāo)：設(shè)計(jì)中常用的有強(qiáng)度極限b和屈服極限s，高溫時(shí)還要考慮蠕變極限n和高溫持久極限d。彈性指標(biāo)

6、：是穩(wěn)定性計(jì)算的主要依據(jù)，主要參數(shù)有彈性模量e，抵抗彈性變形能力指標(biāo)。塑性和韌性指標(biāo)：是材料受沖擊載荷作用時(shí)的主要設(shè)計(jì)依據(jù)，也是低溫或超低溫條件下對(duì)材料使用性考核的一個(gè)重要指標(biāo)。主要參數(shù)有延伸率，斷面收縮率，沖擊韌性k，沖擊功ak。疲勞強(qiáng)度：是指材料在交變載荷作用下，發(fā)生破壞時(shí)的最大應(yīng)力，通常用用疲勞持久極限來(lái)衡量，它是反映材料抗交變應(yīng)力破壞的強(qiáng)度指標(biāo)。斷裂韌性：是判斷材料內(nèi)部裂紋危險(xiǎn)性的一個(gè)指標(biāo)，用在斷裂力學(xué)設(shè)計(jì)中，或用于在役壓力管道的安全評(píng)定。硬度：是材料抵抗局部塑性變形的能力。材料硬度高，其耐磨性好。2）耐蝕性能：3）物理性能：4）制造工藝性能：5）材料的經(jīng)濟(jì)性：2.2管道材料選用管道材

7、料選用(見(jiàn)gb/t20801.2-2006壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 材料） 規(guī)定了壓力管道材料的基本要求。2.3管道器材標(biāo)準(zhǔn)體系及選用管道器材標(biāo)準(zhǔn)體系及選用 管道器材包括：管子，管件，法蘭及其連接件，閥門(mén)等。 這些器材標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)一定的規(guī)則在一個(gè)管路（系）中得到應(yīng)用，它們之間相互銜接，相互配合，從而確定了管道及其元件的基本參數(shù)。 這些標(biāo)準(zhǔn)中尤其以管子標(biāo)準(zhǔn)和法蘭標(biāo)準(zhǔn)最具有代表性，它們是其它應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。 1）管子系列標(biāo)準(zhǔn)： 管徑系列：大外徑（）系列；小外徑（）系列。另一分類(lèi)為英制管和公制管。公稱直徑dn 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300

8、350 400 450 500 600大外徑 22 27 34 42 48 60 76 89 114 140 168 219 273 324 356 406 457 508 610小外徑 18 25 32 38 45 57 73 89 108 133 159 219 273 325 377 426 480 530 6302）壁厚等級(jí)壁厚等級(jí)（壁厚表示方式）：三種：表號(hào)法；重量法；壁厚尺寸法。管表號(hào)表示法：用管子表號(hào)sch表示壁厚。管表號(hào)是管子設(shè)計(jì)壓力與設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力的 比值乘以1000，并經(jīng)圓整后的數(shù)值。即：sch=1000p/t 。這是美國(guó)鋼管壁厚的一種表示法，是以外徑為基準(zhǔn)的管子系

9、列。同一外徑管表號(hào)不同則壁厚不同。重量法：以管子重量表示管壁厚度。將管壁厚分為三種：標(biāo)準(zhǔn)重量管，以std表示；加厚管，以xs表示；特厚管，以xxs表示。壁厚尺寸法：外徑x壁后，我國(guó)、 iso等標(biāo)準(zhǔn)系列。3）法蘭系列標(biāo)準(zhǔn)法蘭系列標(biāo)準(zhǔn)：兩大體系：歐式法蘭（歐洲體系）：以200度作為計(jì)算基準(zhǔn)溫度，壓力等級(jí)分為（公稱壓力）：pn0.1，0.25，0.6，1.0，1.6，2.5，4.0，6.3，10.0，16，25，40（mpa）。美式法蘭（美洲體系）：以約430度（150psi(cl150）級(jí)則是300度）作為計(jì)算基準(zhǔn)溫度，壓力等級(jí)為：pn2.0 （cl150）, 5.0(cl300),6.8(cl4

10、00), 10.0(cl600),15.0(cl900),25.0(cl1500）, 42(cl2500)。注意：無(wú)論是管子還是法蘭，上述兩個(gè)系列或體系是不能互換的，即不能混合使用。4）國(guó)際上常用的標(biāo)準(zhǔn)體系：國(guó)際上常用的標(biāo)準(zhǔn)體系： 德國(guó)及前蘇聯(lián)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系，典型的歐洲體系； 美國(guó)及日本應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系； 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的應(yīng)用體系； 英國(guó)及法國(guó)的應(yīng)用體系。5）國(guó)內(nèi)常用的標(biāo)準(zhǔn)體系：國(guó)內(nèi)常用的標(biāo)準(zhǔn)體系： 國(guó)內(nèi)壓力管道常用管法蘭標(biāo)準(zhǔn)有以下四類(lèi)：a)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t91129124-2000鋼制管法蘭。 參國(guó)際iso/dis7005-1鋼法蘭編制而成，有2個(gè)公稱壓力等級(jí)。 b)中國(guó)石油化工總公司標(biāo)準(zhǔn)sh

11、3406-1996石油化工鋼制管法蘭。 參美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，屬于美洲體系。c)化工部標(biāo)準(zhǔn)hg2059320635-1997鋼制管法蘭、墊片、緊固件。 有歐洲和美洲兩個(gè)體系。（ gb/t20801.3-2006 中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)）d)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)jb/t7490-94管路法蘭及墊片。 屬于歐洲體系。 這些標(biāo)準(zhǔn)各有各自的這些標(biāo)準(zhǔn)各有各自的溫度溫度壓力等級(jí)表壓力等級(jí)表、密封面型式和接管尺寸密封面型式和接管尺寸，相互之間互換性差，相互之間互換性差，有些不能配套使用，設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意有些不能配套使用，設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。6）常用壓力管道應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系配伍表2.4 管道壓力等級(jí)管道壓力等級(jí) 壓力管道的組成件一般都是標(biāo)準(zhǔn)件，

12、所以壓力管道組成件的設(shè)計(jì)主要是其標(biāo)準(zhǔn)件的選用，管道壓力等級(jí)的確定也就是其標(biāo)準(zhǔn)件等級(jí)的確定。對(duì)于一般管道，其標(biāo)準(zhǔn)件可以分為兩大類(lèi)： 一是以公稱壓力表示，并規(guī)定了壓力溫度對(duì)應(yīng)值的標(biāo)準(zhǔn)管道配件（如管法蘭，伐門(mén)等）等； 其二是給出壓力等級(jí)（壁厚等級(jí)）系列，但未規(guī)定壓力溫度對(duì)應(yīng)值的標(biāo)準(zhǔn)管道配件（如管子，彎頭，三通，異徑管等。只有公稱直徑和壁厚）。 管道的壓力等級(jí)包括兩部分： 一是以公稱壓力表示的標(biāo)準(zhǔn)管件的公稱壓力等級(jí)； 二是以壁厚等級(jí)表示的標(biāo)準(zhǔn)管件的壁厚等級(jí)。通常把管道中由標(biāo)準(zhǔn)管件的公稱壓力等級(jí)和壁厚等級(jí)公稱壓力等級(jí)和壁厚等級(jí)共同確定的能反映管道承壓特性的參數(shù)叫做管道的壓力等級(jí)叫做管道的壓力等級(jí)。2.4

13、.1 設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)條件1）設(shè)計(jì)壓力：2）設(shè)計(jì)溫度： 2.4.2 影響管道壓力等級(jí)確定的因素影響管道壓力等級(jí)確定的因素1）影響公稱壓力等級(jí)確定的因素：應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系；材料；操作介質(zhì)；介質(zhì)溫度及管系附加力。2）影響壁厚等級(jí)確定的因素：材料的許用應(yīng)力；腐蝕裕量；管子及其元件的制造壁厚偏差；焊縫系數(shù)；鑄造質(zhì)量系數(shù)；設(shè)計(jì)壽命。2.4.3 壓力等級(jí)的確定方法壓力等級(jí)的確定方法1）管道壓力等級(jí)確定的原則：三個(gè)原則：彈性原則；等強(qiáng)度原則；靠系列原則。2）公稱壓力等級(jí)的確定方法：法蘭同時(shí)承受內(nèi)壓和管系力作用時(shí)，其當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力為： pd=p+16m/（dg3）+4f/（dg2） 式中：p管道中介質(zhì)壓力 mpa；m法

14、蘭連接承受的管系附加外力矩 n.mm；f-法蘭連接承受的管系附加軸向力 n；dg墊片壓緊力作用中心圓直徑 mm。（m,f的計(jì)算后面介紹）3）壁厚等級(jí)的確定方法： 直管壁厚計(jì)算公式：ts=pdo/2 ( t +py) 設(shè)計(jì)壁厚：td=ts+c (公式來(lái)歷后面介紹) 壁厚等級(jí)的確定：圓整厚度查相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，選擇管壁厚。 2.5 管子及其元件的選用管子及其元件的選用 壓力管道的管子及其元件的選用包括：應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系、材料標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)形式、連接形式等內(nèi)容的選定，是管道壓力等級(jí)內(nèi)容的延伸。2.5.1 管子管子 管子是壓力管道中應(yīng)用最普遍用量最大的元件，它的重量占整個(gè)壓力管道的近2/3，而投資占近3/5。 值得注

15、意的是在我國(guó)的鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)中，有結(jié)構(gòu)用鋼結(jié)構(gòu)用鋼管和流體輸送用鋼管管和流體輸送用鋼管之分。結(jié)構(gòu)用管主要用于一般金屬結(jié)構(gòu)，如橋梁鋼構(gòu)架等，它只要求保證強(qiáng)度與剛度，而對(duì)鋼管的嚴(yán)密性不作要求。流體輸送用管主要用于帶有壓力的流體輸送，除要保證強(qiáng)度和剛度外，還要求保證密封性，即鋼管出廠前要求逐根進(jìn)行水壓試驗(yàn)。 壓力管道必須采用流體輸送管道。常用管子有以下幾種類(lèi)型：1）焊接鋼管：連續(xù)爐焊（鍛焊）鋼管；電阻焊鋼管；電弧焊鋼管。 管子標(biāo)準(zhǔn)有：2）無(wú)縫鋼管：碳素鋼無(wú)縫鋼管；鉻鉬鋼無(wú)縫鋼管；不銹鋼無(wú)縫鋼管。 管子標(biāo)準(zhǔn)有：3）復(fù)合管和襯里管：2.5.2 管件管件 管件的作用：管件是用來(lái)改變管道方向、改變管徑大小、進(jìn)

16、行管道分支、局部加強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)特殊連接等作用的管道元件。 常用的管件有彎頭、三通、異徑管（大小頭）、管帽、加強(qiáng)管嘴、加強(qiáng)管接頭、活接頭、絲堵、管箍等。1）連接形式連接形式：管件之間，管件與管道之間常用的連接方式有三種：對(duì)焊連接，承插焊連接和螺紋連接。2）對(duì)焊管件：常用的對(duì)焊管件有彎頭，三通，大小頭，管帽等。3）承插焊和螺紋連接管件：常用的管件有彎頭，三通，大小頭，管帽等。2.5.3 法蘭及緊固件法蘭及緊固件： 法蘭、墊片、螺栓組成管道中可拆的連接結(jié)構(gòu)，是一種重要而普遍應(yīng)用的連接方式。法蘭是確定管道公稱壓力等級(jí)的基準(zhǔn)件。2.5.4 閥門(mén)及其它管道設(shè)備閥門(mén)及其它管道設(shè)備1）各種閥門(mén)：2）其它管道設(shè)備：

17、常見(jiàn)的管道設(shè)備還有波紋管膨脹節(jié)，過(guò)濾器，阻火器，消音器，視鏡等。主要注意波紋管（補(bǔ)償器）膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)與選用。 3管道機(jī)械管道機(jī)械3.1概述概述 管道機(jī)械是研究管道的機(jī)械強(qiáng)度和剛度問(wèn)題。3.1.1管道載荷及其工況組合管道載荷及其工況組合1）管道載荷分類(lèi)）管道載荷分類(lèi) 管道承受載荷總體分為兩大類(lèi)，即靜載荷和動(dòng)載荷。 靜力是指不隨時(shí)間而變化的力（載荷）。在壓力管道所承受的載荷中，大多都屬于靜載荷。 動(dòng)載荷相對(duì)于靜載荷，是隨時(shí)間變化的載荷。gb/t20801.3-2006將管道上可能承受的載荷分為管道上可能承受的載荷分為： 持久性載荷持久性載荷：永久作用于管道系統(tǒng)的載荷，主要有壓力載荷（內(nèi)壓和外壓，主

18、要以內(nèi)壓為多）；重力載荷（包括管道元件的自重，管道內(nèi)介質(zhì)重量，保溫層等，但不包括冰和積雪載荷）。臨時(shí)性載荷：臨時(shí)性載荷：短時(shí)間作用于管道系統(tǒng)的載荷，主要有風(fēng)載荷；地震載荷；冰雪載荷；閥門(mén)開(kāi)、關(guān)時(shí)的反沖力和壓力升高等載荷。交變性載荷交變性載荷：大小和方向隨時(shí)間發(fā)生變化的載荷，主要有溫差引起的位移載荷（管道熱脹冷縮位移，端點(diǎn)附加位移，支撐沉降等引起的載荷）；風(fēng)力引起的端點(diǎn)位移載荷；兩相流脈動(dòng)載荷；壓力脈動(dòng)載荷（如往復(fù)壓縮機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)）；瞬變流沖擊載荷（如安全閥起跳或閥門(mén)的快速開(kāi)閉時(shí)的壓力沖擊等）；機(jī)械振動(dòng)載荷（如回轉(zhuǎn)設(shè)備的簡(jiǎn)諧振動(dòng)）。 2）應(yīng)考慮的載荷組合工況應(yīng)考慮的載荷組合工況（

19、1）壓力、重力等持久載荷同時(shí)作用工況。（2）以上持久載荷與風(fēng)載荷或地震載荷等臨時(shí)載荷同時(shí)作用工況。（3）因溫差引起的載荷及其他交變載荷。（4）必要時(shí)，需考慮端點(diǎn)或支吊架永久性位移引起的載荷，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能消除該載荷的影響。3）應(yīng)考慮臨時(shí)性載荷的條件和要求）應(yīng)考慮臨時(shí)性載荷的條件和要求（1）同時(shí)滿足以下條件時(shí)，應(yīng)計(jì)及地震載荷： gc1類(lèi)管道、介質(zhì)毒性為高度危害的gc2類(lèi)管道或介質(zhì)為可燃的gc2管道；地震烈度大于等于8度，且設(shè)計(jì)基本地震加速度大于等于0.3g。(gb503162000工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，地震烈度 9度及以上時(shí)，應(yīng)在管道設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行地震驗(yàn)算。) （2）如需計(jì)及風(fēng)載荷，則風(fēng)

20、載荷和地震載荷無(wú)需同時(shí)與其他臨時(shí)性載荷構(gòu)成組合工況。（3）如需計(jì)及因閥門(mén)開(kāi)、關(guān)產(chǎn)生的載荷，則該載荷與地震載荷無(wú)需同時(shí)與其他臨時(shí)性載荷構(gòu)成組合工況。3.1.2應(yīng)力強(qiáng)度條件應(yīng)力強(qiáng)度條件1）持久載荷的應(yīng)力強(qiáng)度條件）持久載荷的應(yīng)力強(qiáng)度條件 對(duì)于持久載荷組合工況，管子和管道元件的軸向應(yīng)力sl應(yīng)不大于最高工作溫度下的材料許用應(yīng)力sh ，即強(qiáng)度條件為： slsh， sl=pd/4te+ma/z式中：ma所考慮載荷組合工況下產(chǎn)生的彎矩（n.mm）；ma=（iimai）2+（iomao）21/2mai所考慮載荷組合工況下產(chǎn)生的平面內(nèi)的彎矩；mao所考慮載荷組合工況下產(chǎn)生的平面外的彎矩；z管子或管道元件的抗彎截面

21、模量（mm3）；ii平面內(nèi)應(yīng)力增大系數(shù)，見(jiàn)gb/t20801.3-2006附錄c；io-平面外應(yīng)力增大系數(shù)，見(jiàn)gb/t20801.3-2006附錄c。2）持久載荷與臨時(shí)載荷組合工況的應(yīng)力強(qiáng)度條件）持久載荷與臨時(shí)載荷組合工況的應(yīng)力強(qiáng)度條件 sl21.33sh， sl2=pd/4te+mb/z式中：mb所考慮載荷組合工況下產(chǎn)生的彎矩（n.mm）；mb=（iimbi）2+（iombo）21/2mbi所考慮載荷組合工況下產(chǎn)生的平面內(nèi)的彎矩；mbo所考慮載荷組合工況下產(chǎn)生的平面外的彎矩；3.2管系靜應(yīng)力分析管系靜應(yīng)力分析管系靜應(yīng)力分析的主要內(nèi)容：1）壓力載荷和持續(xù)載荷作用下的一次應(yīng)力計(jì)算，防止管道元件局

22、部發(fā)生過(guò)度塑性變形而破壞。2）管道熱脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移等位移載荷作用下的二次應(yīng)力計(jì)算，防止管道元件發(fā)生疲勞破壞。3）管道對(duì)相連設(shè)備作用力的計(jì)算，防止管系對(duì)相連設(shè)備的作用力太大，保證設(shè)備正常運(yùn)行。4）管道支吊架的受力計(jì)算，為支吊架強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供載荷數(shù)據(jù)。5）管道上法蘭的受力計(jì)算，防止法蘭泄露。3.2.1管道元件變形及其應(yīng)力管道元件變形及其應(yīng)力1）拉伸和壓縮 =4f/(do2-di2) 此為管道元件受拉、壓時(shí)的強(qiáng)度條件。2）剪切 =n/a n為剪力， a橫截面積 a=(do2-di2)/43) 扭轉(zhuǎn) n=mn/wn mn扭矩，wn抗扭截面模量 wn=(do4-di4)/16do4) 彎曲 w=

23、m/wz m彎矩，wz抗彎截面模量 wz=(do4-di4)/32do3.2.2承受壓力載荷管道元件的強(qiáng)度分析承受壓力載荷管道元件的強(qiáng)度分析一承受內(nèi)壓回轉(zhuǎn)殼體應(yīng)力分析一承受內(nèi)壓回轉(zhuǎn)殼體應(yīng)力分析1）薄殼與厚殼： 薄壁容器/d i0.1 do/di=k1.2 厚壁容器/d i0.1 k1.22）有力矩與無(wú)力矩理論： 同時(shí)考慮所有內(nèi)力分量的分析方法稱為有力矩理論； 當(dāng)殼體較薄時(shí)，彎曲內(nèi)力與法向力相比很小，可以略去，稱為無(wú)力矩理論。也稱為薄膜理論，按此理論得出的應(yīng)力也稱為薄膜應(yīng)力。薄膜理論的兩個(gè)基本方程：薄膜理論的兩個(gè)基本方程：拉普拉斯方程 / r1+/ r2=pz/ ，區(qū)域平衡方程（承受氣體壓力時(shí)）

24、 =n/= pr2/2 式中：-經(jīng)向應(yīng)力，-周向應(yīng)力，r1-第一曲率半徑，r2-第二曲率半徑。3）無(wú)力矩理論薄壁圓柱殼應(yīng)力分析）無(wú)力矩理論薄壁圓柱殼應(yīng)力分析： 圓筒：r1=，r2=r 則=pr/2 =2= pr/特點(diǎn)：=24) 厚壁筒應(yīng)力表達(dá)形式：厚壁筒應(yīng)力表達(dá)形式： 厚壁園筒與薄壁園筒比較其應(yīng)力有以下三個(gè)特點(diǎn)：a)、應(yīng)力狀態(tài)是三向應(yīng)力，徑向應(yīng)力不能忽略；b)、應(yīng)力沿壁厚方向不再均布，有應(yīng)力梯度；c)、溫差應(yīng)力不能忽略，（內(nèi)、外壁間溫差產(chǎn)生的溫差應(yīng)力）。僅受內(nèi)壓時(shí)，令k= r0/ ri=d0/di得：l r=pi（1-r02/r2）/ （k2 -1）l = pi（1+r02/r2）/ （k2

25、-1）l z= pi/ （k2 -1）在內(nèi)壓作用下應(yīng)力分布特點(diǎn)：、z均為拉應(yīng)力（正值），r為壓應(yīng)力。、r沿壁厚不均布，且內(nèi)壁處有最大值；z沿厚度均布（常量），且為和r的平均值z(mì)=（+r）/2；、r沿壁厚不均勻程度與徑比k有關(guān)，k越大，不均勻程度越強(qiáng)；注意：當(dāng)k=1.1時(shí)，內(nèi)外壁應(yīng)力只相差10%; 當(dāng)k=1.3時(shí)，內(nèi)外壁應(yīng)力相差35%。所以一般規(guī)定k 1.2作這薄厚筒分界限。以絕對(duì)值大小而論,內(nèi)壁面為所有應(yīng)力中之最大,設(shè)計(jì)校核要特別注意此應(yīng)力。5）外壓圓筒的穩(wěn)定性分析（簡(jiǎn)介）按gb150二承受內(nèi)壓管道元件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)二承受內(nèi)壓管道元件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)1）壓力管道失效形式）壓力管道失效形式 壓力管道的失效

26、形式有：強(qiáng)度失效；剛度失效；失穩(wěn)失效；泄漏失效。a)強(qiáng)度失效：因材料屈服或斷裂引起的失效。l 韌性斷裂(塑性斷裂) : 斷口處有明顯的塑性變形，沒(méi)有碎片。實(shí)際爆破壓力與理值接近。l 脆性斷裂：斷口無(wú)明顯塑性變形，斷口平齊，有碎片，斷裂時(shí)的應(yīng)力較低，又稱低應(yīng)力脆斷。l 疲勞斷裂：在交變載荷作用下，以一定循環(huán)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過(guò)程，為疲勞斷裂。l 蠕變斷裂：長(zhǎng)期高溫受載，材料不斷發(fā)生蠕變變形，最終導(dǎo)致容器斷裂。l 腐蝕斷裂：b) 剛度失效：過(guò)度的彈性變形引起的失效.c)失穩(wěn)失效：在壓應(yīng)力作用下，容器突然失去原有的幾何形狀稱為失穩(wěn)失效。d) 泄漏失效：2) 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l失效判據(jù)：將力學(xué)

27、分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相比較，就可判別壓力管道是否會(huì)失效。這種判據(jù)為失效判據(jù)。l設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：失效判據(jù)不能直接用于壓力管道的設(shè)計(jì)計(jì)算。失效判據(jù)引入一定的安全系數(shù)，構(gòu)成設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。l壓力管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可分為：強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；穩(wěn)定失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。（1）強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：）強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： 彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；還有塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，又稱安定性準(zhǔn)則；疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；脆性斷裂設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。主要介紹彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要介紹彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：總體部位進(jìn)入初始屈服即為失效。 屈服失效判據(jù)為：s 考慮安全系數(shù)n得相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為即

28、強(qiáng)度條件：t t材料設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。對(duì)于三向應(yīng)力狀態(tài)采用相當(dāng)應(yīng)力（當(dāng)量應(yīng)力）的概念，建立設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為：leqt 在彈性范圍內(nèi)有四種強(qiáng)度理論，不同的強(qiáng)度理論有不同的eq表達(dá)式。假定三向應(yīng)力123l 第一強(qiáng)度理論稱最大拉應(yīng)力理論(適用于脆性材料) eq1=1tl 第二強(qiáng)度理論為最大變形理論，因與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大各國(guó)都很少采用。l 第三強(qiáng)度理論稱最大剪應(yīng)力理論，其強(qiáng)度條件為：eq3=1-3t 對(duì)于薄壁容器，1和2變?yōu)橥?hào)，而3=0。則此理論的強(qiáng)度條件與第一理論相同。l 第四強(qiáng)度理論稱最大剪切變形能理論（形狀改變比較能），強(qiáng)度條件為： eq4=1/2（ 1 - 2 ）2+（ 2 -3）2+（3-

29、1 ）21/2t 第三、第四理論適用于塑性材料。第四理論的強(qiáng)度條件較麻煩，所以一般采用第三強(qiáng)度理論來(lái)建立強(qiáng)度條件。（2）剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則）剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 要求構(gòu)件在外載作用下，彈性位移或轉(zhuǎn)角不允許超過(guò)被定值。即為剛度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則亦稱剛度條件： ww 許用位移 許用轉(zhuǎn)角3) 設(shè)計(jì)計(jì)算公式設(shè)計(jì)計(jì)算公式對(duì)于內(nèi)壓圓筒： 1=pd/2t （第一和第三強(qiáng)度理論結(jié)果一致） 2=pd/4 3=0， d筒體中面直徑。根據(jù)第三強(qiáng)度理論，用外徑表示上式有： d=do-則： p（do-）/2t 由此得： = pdo/（2t+p） 以此為基礎(chǔ)，得出下列管子和管件的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。（1）直管厚度計(jì)算公式）直管厚度計(jì)算公式gb

30、503162000規(guī)定： 計(jì)算厚度= pdo/2(t+py) 設(shè)計(jì)厚度d=+c1+c2=+c名義厚度：n=d+c4最小厚度：=+c2 有效厚度：e=nc c1-厚度減薄附加量，包括加工開(kāi)槽材料厚度負(fù)偏差等；c2腐蝕或磨蝕附加量； c4厚度圓整值； 焊接接頭系數(shù)；y系數(shù)，當(dāng)do/6時(shí)，y查gb503162000表6.2.1，當(dāng)do/6時(shí)（為厚壁管道），y=(di+2c) /(di+do+2c) 。l注意：gb503162000的6.2.1.2條規(guī)定，對(duì)于厚壁管道或高壓管道，要用斷裂力學(xué)等方法考慮其厚度問(wèn)題。gb/t20801.3-2006規(guī)定：計(jì)算厚度：t= pdo/2(t+py)（同gb503

31、16）設(shè)計(jì)厚度：td=+c2+c3=+c名義厚度：tn=td+c1+c4最小厚度：t=tnc1 (或?qū)嶋H測(cè)量值t）有效厚度：te=tnc1c(厚度關(guān)系見(jiàn)圖7） c1材料厚度負(fù)偏差；c2腐蝕或磨蝕附加量；c3機(jī)械加工深度；c4厚度圓整值；焊接接頭系數(shù)；y系數(shù)，當(dāng)do/6時(shí)，y查gb/t20801.3-2006表16，當(dāng)do/6時(shí)， y=(di+2c) /(di+do+2c) 。gb/t20801.3-2006的6.1條規(guī)定，當(dāng)do/6時(shí)，計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮失效機(jī)理、疲勞影響和溫差應(yīng)力等因素。（注意：與gb50316差別之處） （2）彎管壁厚計(jì)算）彎管壁厚計(jì)算 由于彎管在形狀上存在按一定彎曲半徑的彎曲

32、度，故在彎曲處將產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，在壓力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力要較直管大的多，相應(yīng)厚度也要比直管厚些。 非標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊彎頭： gb/t20801.3-2006公式： =pdo/2(t/i+py) 計(jì)算彎頭內(nèi)側(cè)厚度時(shí)：i=4(r/d)-1/4(r/d)-2計(jì)算彎頭外側(cè)厚度時(shí)：i=4(r/d)+1/4(r/d)+2計(jì)算彎頭中心線處厚度時(shí)：i=1.0（與直管相同） r為彎頭或彎管的軸線（管子中心線）彎曲半徑。另，彎管成形后端部最小厚度應(yīng)不小于直管設(shè)計(jì)后度。 斜接彎頭（蝦米腰）：見(jiàn)gb503162000標(biāo)準(zhǔn)的6.3節(jié)；hg20582鋼制化工容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)定第22節(jié)； gb/t20801.3-2006 的6.3

33、節(jié)。（3）焊制三通壁厚計(jì)算）焊制三通壁厚計(jì)算（參hg20582鋼制化工容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)定）主管理論計(jì)算壁厚：1= pdo/2(t+p) 支管理論計(jì)算壁厚：2=1do/ do 式中：為強(qiáng)度削弱系數(shù)，見(jiàn)hg20582鋼制化工容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)定第23節(jié)。 do支管外徑；do主管外徑。計(jì)算壁厚：理論計(jì)算壁厚加壁厚附加量。適用范圍：do660mm， 1.05do/di1.5 且0.5do/do （4）平蓋（管端焊接平封頭）的壁厚計(jì)算）平蓋（管端焊接平封頭）的壁厚計(jì)算gb503162000公式： =k1( di+2c)p/(t)1/2 d=+c di-管子內(nèi)徑 ，k1和結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，查gb503162000標(biāo)

34、準(zhǔn)表6.6.1。（5）管法蘭和法蘭蓋設(shè)計(jì)）管法蘭和法蘭蓋設(shè)計(jì)gb/t20801.3-2006規(guī)定：管法蘭和法蘭蓋按gb150設(shè)計(jì)，當(dāng)管法蘭承受外加軸向力f或外加力矩m時(shí)，要計(jì)算當(dāng)量壓力pc，以當(dāng)量壓力pc代替設(shè)計(jì)壓力p進(jìn)行計(jì)算。必要時(shí)還要校核法蘭剛度。當(dāng)量壓力為： pc=16m/do3+4f/do2+p（5）法蘭夾持的盲板）法蘭夾持的盲板gb503162000公式： =0.433dgp/(t)1/2 d=+c dg 墊片內(nèi)徑；-焊接接頭系數(shù)。gb/t20801.3-2006公式： =dg3p/(16t)1/2兩個(gè)公式完全相等： （3/16)1/2=0.4334) 壓力管道應(yīng)力集中問(wèn)題壓力管道應(yīng)

35、力集中問(wèn)題應(yīng)力集中現(xiàn)象應(yīng)力集中現(xiàn)象： 壓力管道經(jīng)常遇到元件分支開(kāi)孔、變徑、拐彎等問(wèn)題，另外除受介質(zhì)壓力作用外，還要承受管道及附件重量、 支座的約束反力等作用。這些載荷通常僅對(duì)管道局部區(qū)域產(chǎn)生影響。由于局部的不連續(xù)和局部載荷，在這些局部區(qū)域的產(chǎn)生邊緣應(yīng)力，均稱為局部應(yīng)力。局部應(yīng)力常常是迭加在由內(nèi)壓引起的膜應(yīng)力上的應(yīng)力，多數(shù)是局部彎曲應(yīng)力。局部應(yīng)力有時(shí)會(huì)達(dá)到很高的數(shù)值，可達(dá)到基本應(yīng)力的3倍以上。這種局部的應(yīng)力增大現(xiàn)象，稱為“應(yīng)力集中”現(xiàn)象。應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)： 反映應(yīng)力集中程度用一個(gè)系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)kt=max/ max局部最大總應(yīng)力 基本應(yīng)力5) 支管開(kāi)孔與開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)支管開(kāi)孔與開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)（a）

36、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)形式概括分兩種：整體補(bǔ)強(qiáng)、局部補(bǔ)強(qiáng)。整體補(bǔ)強(qiáng)，即把管壁整體加厚；局部補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)有三種形式：補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)、厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)、整鍛件（密集）補(bǔ)強(qiáng)。（b）開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(補(bǔ)強(qiáng)方法)a)、等面積補(bǔ)強(qiáng)方法： 規(guī)定：局部補(bǔ)強(qiáng)的金屬截面積a，必須大于或等于開(kāi)孔所挖去的殼壁截面積a0，即aa0 b) 壓力面積法c) 極限分析補(bǔ)強(qiáng)法在gb/t20801.3-2006中主要采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，附錄g給出整體成型三通采用壓力面積法 。gb/t20801.3-2006的6.7節(jié) 支管連接的等面積補(bǔ)強(qiáng)法簡(jiǎn)介6.7.2等面積補(bǔ)強(qiáng)法適用范圍等面積補(bǔ)強(qiáng)法適用范圍（1） gb/t20801.4-2006圖10所示

37、的焊接支管；（2）與（1）結(jié)構(gòu)類(lèi)似的焊接或鍛造三通、四通、斜三通；（3）表14（管道組成件型式尺寸標(biāo)準(zhǔn)）未列入的其他直接焊接于主管的支管連接件。（4）結(jié)構(gòu)尺寸要求：dh/th100時(shí)，db/dh1.0； dh/th100時(shí)，db/dh0.5；450；支管軸線與主管軸線相交。（5）對(duì)于gc1級(jí)管道和劇烈循環(huán)工況，不宜采用補(bǔ)強(qiáng)圈作為補(bǔ)強(qiáng)措施。6.7.3不需要補(bǔ)強(qiáng)的條件：不需要補(bǔ)強(qiáng)的條件：有5條6.7.4支管直接焊于主管的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算支管直接焊于主管的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 （1）補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)：所有截面上的補(bǔ)強(qiáng)圈寬度應(yīng)為恒值；對(duì)于db/dh0.8的焊接支管，宜采用整體補(bǔ)強(qiáng)或支管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如需采用外加補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，則應(yīng)采用套

38、筒型補(bǔ)強(qiáng)圈。（2）補(bǔ)強(qiáng)有效范圍補(bǔ)強(qiáng)區(qū)有效寬度2d2：對(duì)于焊接連接的支管：d2=d1 或d2=teb+teh+d1/2 取大值；對(duì)于擠壓成型的接口： d2=dx，且d2dh。主管外側(cè)法向補(bǔ)強(qiáng)的有效高度l4：l4 =2.5teh，或 l4 =2.5teb +tr 取小值 式中：teb支管有效厚度； teh主管有效厚度； tr 補(bǔ)強(qiáng)板名義厚度。 （3）主管開(kāi)孔所需最小補(bǔ)強(qiáng)面積(開(kāi)孔削弱的金屬截面積)a1 對(duì)于承受內(nèi)壓的主管連接件： a1=thd1（2-sin） 式中：d1扣除壁厚附加量后主管上斜開(kāi)孔的長(zhǎng)徑， d1=db-2(tb-c)/ sin；對(duì)于承受外壓（或真空）的主管連接件，按內(nèi)壓考慮，a1同

39、上。（4）補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)有效補(bǔ)強(qiáng)金屬面積 主管有效厚度之外多余的金屬面積： a2=(2d2-d1)(teh-th) 支管有效厚度之外多余的金屬面積： a3=2l4(teb-tb)/sin 補(bǔ)強(qiáng)圈金屬面積：a4=(dr-db/ sin)tr或a4 =(2d2-db/ sin)tr取小值 焊縫金屬截面積a5按實(shí)際焊縫尺寸計(jì)算。補(bǔ)強(qiáng)面積的校核要求： a2+ a3+ a4+a5a16.7.5帶擠壓成型接口的支管連接補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算帶擠壓成型接口的支管連接補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算（密集補(bǔ)強(qiáng)）（參見(jiàn)gb503162000標(biāo)準(zhǔn)6.4.3節(jié)）。6.7.6封頭上支管連接的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)封頭上支管連接的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)(1)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)：開(kāi)孔直徑應(yīng)不大于封頭

40、內(nèi)徑的1/2，超過(guò)此范圍則宜采用異徑管。(2)補(bǔ)強(qiáng)有效范圍：同前。(3)需要補(bǔ)強(qiáng)的面積a1按gb150計(jì)算。6.8整體成型三通的壓力面積法整體成型三通的壓力面積法 gb/t12459-2005鋼制對(duì)焊無(wú)縫管件和gb/t13401-2005鋼板制對(duì)焊管件中，db/dh0.5的整體成型三通補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算可采用附錄g的壓力面積法。三三 法蘭連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)法蘭連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)1）概述 法蘭連接設(shè)計(jì)包括兩個(gè)基本問(wèn)題：、密封設(shè)計(jì)：選擇法蘭類(lèi)型、壓緊面形式和墊片形式，確定螺栓載荷和尺寸。、法蘭強(qiáng)度計(jì)算：初定法蘭尺寸，對(duì)法蘭進(jìn)行應(yīng)力分析，應(yīng)力校核，以確定法蘭的厚度。與法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)有關(guān)的（墊片的）兩個(gè)特性參數(shù)：a）墊片比壓

41、力(用符號(hào)y表示)：亦稱預(yù)緊密封比壓。指預(yù)緊工況時(shí)，迫使墊片變形與壓緊面密合，以形成初始密封條件，此時(shí)墊片所必需的單位面積上的y最小壓緊力(單位mpa)b）墊片系數(shù)：在操作時(shí)，達(dá)到密封不漏，墊片上必須維持的比壓力y(操作密封比壓g)與介質(zhì)壓力p的比值，用m表示。 保證法蘭連接密封不漏的兩個(gè)條件：l預(yù)緊時(shí)，必須使螺栓力在壓緊面與墊片間建立起不低于y值的比壓力；l操作時(shí)，螺栓力應(yīng)能夠抵抗內(nèi)壓作用，并在墊片表面上維持m倍內(nèi)壓的比壓力(gmp)2）螺栓設(shè)計(jì)）螺栓設(shè)計(jì)、法蘭壓緊面型式及選擇l型式：有平面、突面、凹凸面、榫槽面l選擇：主要根據(jù)壓力和介質(zhì)情況而定、墊片的選擇：非金屬墊片；金屬墊片；組合墊片。

42、根據(jù)介質(zhì)壓力、溫度、腐蝕性而定、螺栓設(shè)計(jì)(材質(zhì)、直徑、個(gè)數(shù)) 螺栓載荷計(jì)算(分兩種工況) 在預(yù)緊工況：螺栓拉力wa應(yīng)等于壓緊墊片所需的最小壓緊力fa，即：wa=fa=dgby式中：wa螺栓最小預(yù)緊力 n；dg墊片平均直徑 mm；b墊片有效寬度，與基本寬度b0有關(guān) b06.4mm時(shí)，b= b0 (b0查表) b06.4mm時(shí)，b= 2.53(b0)1/2 y墊片預(yù)緊比壓(查表) 在操作工況：螺栓力wp應(yīng)等于抵抗內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力(使法蘭分開(kāi)的力)和維持密封表面必需的壓緊力之和。 wp=f+fp=pcdg2/4+2dgbmpc式中：wp操作狀態(tài)下螺栓的最小載荷力 n； b墊片有效寬度，與基本寬度b0

43、有關(guān) m墊片系數(shù)3）法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述）法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述按其理論基礎(chǔ)可概括為三種：基于材料力學(xué)的簡(jiǎn)單方法 此方法完全是按照材料力學(xué)的觀點(diǎn)，把高頸法蘭看作一個(gè)懸臂梁，梁的高度是法蘭的高度，懸臂長(zhǎng)為螺栓孔中心圓至壓力作用點(diǎn)(墊片中心)的距離，將法蘭剖開(kāi)然后伸直就成為又窄又長(zhǎng)的懸臂梁。以彈性分析為基礎(chǔ)的方法 此類(lèi)計(jì)算方法是將法蘭中的應(yīng)力控制在彈性范圍內(nèi)，同時(shí)保證法蘭的密封要求，是目前采用最多的方法，尤其是waters法在世界各地規(guī)范中廣泛采用。以塑性分析的基礎(chǔ)方法 此法認(rèn)為法蘭的強(qiáng)度失效是極為罕見(jiàn)的，故它不在于計(jì)算法蘭中的應(yīng)力，而著重于整個(gè)可拆連接結(jié)構(gòu)的密封性，對(duì)法蘭的應(yīng)力是以塑性失效準(zhǔn)則進(jìn)行控制的，

44、計(jì)算較復(fù)雜，只有少數(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用此法。如德國(guó)din2505，ad規(guī)范等。waters法簡(jiǎn)介法簡(jiǎn)介主要校核三個(gè)應(yīng)力： 錐頸與法蘭環(huán)連接的軸向應(yīng)力： h=fm/（12di ） mpa 法蘭環(huán)上的徑向應(yīng)力： r=(1+1.33fe)m/（f2di ） 法蘭環(huán)上的切向(周向)應(yīng)力： t=ym/（f2di）zr 式中：m法蘭計(jì)算力矩 (n.mm)；f法蘭頸部應(yīng)力校準(zhǔn)系數(shù)；,e,y系數(shù)；di殼體內(nèi)徑；1錐頸大端厚度；f法蘭環(huán)厚度； 強(qiáng)度校核：h1.5ft，rft，tft (h+r)/2ft，(h+t)/2ft幾點(diǎn)說(shuō)明：法蘭最大軸向應(yīng)力總是發(fā)生在錐頸的兩端，可在大端也可能在小端；法蘭環(huán)的最大徑向應(yīng)力位于內(nèi)緣

45、與大端連接處b點(diǎn)。法蘭環(huán)的最大周向應(yīng)力位于內(nèi)緣c點(diǎn)。waters選取了b點(diǎn)作為法蘭強(qiáng)度的校核點(diǎn)，因該點(diǎn)處于三向應(yīng)力狀態(tài)，上面應(yīng)力公式，也是該點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算式。四壓力管道試驗(yàn)（四壓力管道試驗(yàn)（gb/t20801.5-2006檢驗(yàn)與試驗(yàn)）檢驗(yàn)與試驗(yàn)）1）壓力試驗(yàn)）壓力試驗(yàn)（1）目的：壓力管道及其元件制造或安裝完畢后或定期檢驗(yàn)時(shí)，都要進(jìn)行壓力試驗(yàn)，其目的是考核缺陷對(duì)壓力管道安全性的影響。l 耐壓試驗(yàn)：在超過(guò)設(shè)計(jì)壓力下進(jìn)行的液壓(或氣壓)試驗(yàn)。對(duì)內(nèi)壓管道，其目的是考核壓力管道在超設(shè)計(jì)壓力下缺陷是否會(huì)快速擴(kuò)展造成破壞或開(kāi)裂造成泄漏；檢驗(yàn)密封結(jié)構(gòu)的密封性能。對(duì)外壓管道，用相等的壓力作內(nèi)壓試驗(yàn)，其目的是進(jìn)行“

46、試漏”，檢查是否存在穿透性缺陷。 （2）耐壓試驗(yàn)壓力及其限制 液壓試驗(yàn)壓力：pt=1.5ps1/s2 氣壓試驗(yàn)壓力： pt=1.15ps1/s2 其中：p設(shè)計(jì)壓力；s1-試驗(yàn)溫度下管子材料的許用應(yīng)力；s1-試驗(yàn)溫度下管子材料的許用應(yīng)力。 試驗(yàn)壓力的限制：當(dāng)試驗(yàn)壓力下管道周向或軸向應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，要降低試驗(yàn)壓力，為不會(huì)超過(guò)屈服強(qiáng)度的最大壓力。（3）壓力試驗(yàn)相關(guān)要求，見(jiàn)gb/t20801.5-2006第9.1節(jié)2）泄漏試驗(yàn)）泄漏試驗(yàn)（氣密試驗(yàn)） 對(duì)于輸送極度和高度危害流體及可燃流體的管道，應(yīng)進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，規(guī)定：（1）泄漏試驗(yàn)應(yīng)在壓力試驗(yàn)合格后進(jìn)行，試驗(yàn)介質(zhì)宜采用空氣；（2）泄漏試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)

47、壓力；（3）泄漏試驗(yàn)可結(jié)合試車(chē)一并進(jìn)行；（4）泄漏試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)檢查閥門(mén)填料函、法蘭或螺紋連接處、放空閥、排氣閥、排水閥等部位，以發(fā)泡劑檢查不泄漏為合格；（5）經(jīng)氣壓試驗(yàn)合格，且在試驗(yàn)后未經(jīng)拆卸過(guò)的管道系統(tǒng)可不進(jìn)行泄漏試驗(yàn)。3）真空度試驗(yàn) 真空管道系統(tǒng)在壓力試驗(yàn)合格后，還應(yīng)按設(shè)計(jì)文件的規(guī)定進(jìn)行24小時(shí)的真空度試驗(yàn)，增壓率應(yīng)不大于5%。增壓率計(jì)算式： p=（p2p1）/p1100p1試驗(yàn)初始?jí)毫Γ籶2試驗(yàn)最終壓力。五壓力管道的應(yīng)力分類(lèi)概念五壓力管道的應(yīng)力分類(lèi)概念（壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計(jì)法概述）常規(guī)法是以彈性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，將殼體總體部位應(yīng)力限制在彈性范圍內(nèi)的某一許用值。而新方法認(rèn)為：筒壁上一點(diǎn)的應(yīng)

48、力達(dá)到屈服時(shí)，并不導(dǎo)致容的失效，只有當(dāng)筒壁整體屈服，容器才算失效。根據(jù)這一觀點(diǎn)，將容器上各部位的應(yīng)力按不同的應(yīng)力性質(zhì)，即應(yīng)力對(duì)容器強(qiáng)度失效（因材料屈服或斷裂引起的失效）所起的作用的大小分為三類(lèi)： 一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力1）應(yīng)力分類(lèi)）應(yīng)力分類(lèi)a）一次應(yīng)力一次應(yīng)力(p) 一次應(yīng)力也稱基本應(yīng)力，它是由于外載荷（如壓力或重力）的作用而在管道部件中產(chǎn)生的正應(yīng)力或應(yīng)力。是指平衡外加機(jī)械載荷所必需的應(yīng)力。一次應(yīng)力有兩個(gè)特點(diǎn)：l a、這類(lèi)應(yīng)力必須滿足外載與內(nèi)力及內(nèi)力矩的靜力平衡關(guān)系，即可按靜力平衡條件加以確定；l b、有非自限性：應(yīng)力隨外載增加而增大，不會(huì)因達(dá)到屈服而自行限制。一次應(yīng)力還分以下幾種：一次

49、總體薄膜應(yīng)力(pm)，一次彎曲應(yīng)力(pb)，一次局部薄膜應(yīng)力(pl)b) 二次應(yīng)力二次應(yīng)力(q) 由于管道部件的自身約束或相鄰部件的約束、管道熱脹冷縮而產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力稱為二次應(yīng)力，和一次應(yīng)力相比較，二次應(yīng)力有以下二個(gè)特性：l a、不是為了滿足與外力的平衡，而是為了滿足變形協(xié)調(diào)條件所引起的應(yīng)力；l b、具有自限性。當(dāng)局部范圍內(nèi)的材料產(chǎn)生屈服或小量變形，相鄰部分之間的約束便得到緩和，使變形趨向協(xié)調(diào)不再繼續(xù)發(fā)展，應(yīng)力則自動(dòng)地限制在一定范圍內(nèi)不能繼續(xù)增長(zhǎng)。 二次應(yīng)力包括：（1）由總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的彎曲應(yīng)力(邊緣應(yīng)力)；（2）總體溫差應(yīng)力（如管道熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力）。c）峰值應(yīng)力峰值應(yīng)力(f)

50、由于局部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)引起的應(yīng)力集中，峰值應(yīng)力是指該處總應(yīng)力(最大應(yīng)力)中，扣除一次和二次應(yīng)力后多余的應(yīng)力值，如主管和支管連接處(接管根部)的應(yīng)力集中。l峰值應(yīng)力的基本特征是：應(yīng)力分布區(qū)域很小，它不會(huì)引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的任何明顯變形，而只是導(dǎo)致管道產(chǎn)生疲勞破壞或脆性斷裂的可能根源，因此，在一般設(shè)計(jì)中不予考慮，只是在疲勞設(shè)計(jì)時(shí)加以限制。3.3 壓力管道（管系）的熱應(yīng)力分析和柔性設(shè)計(jì)壓力管道（管系）的熱應(yīng)力分析和柔性設(shè)計(jì)3.3.1 熱膨脹概念熱膨脹概念1）管道受熱膨脹，膨脹量（自由位移量）計(jì)算式： =tl (mm) 式中：管道材料的熱（線）膨脹系數(shù)，mm/mm； t管道溫升，； l管道長(zhǎng)度，mm。2）約束

51、位移產(chǎn)生的應(yīng)力： t=e/l=et ；相應(yīng)的推力：f=ta舉例：一20#鋼管，21910mm ，l=2m，兩端固定，加熱升溫到200。材料=12.2106 mm/mm，e=1.82105mpa，分析熱應(yīng)力。t=200-20=180； 管子橫截面積a=(do2-di2)/4=8258.2mm2 解除一端約束，其自由膨脹量為：=tl=4.39mm； 自由端回到原位，管子受壓縮產(chǎn)生應(yīng)力：t=et =400mpa； 管子受到推力管子受到推力：f=ta=3303280n，推力約為330噸。歸納幾點(diǎn)歸納幾點(diǎn)：la) 管子受熱就會(huì)膨脹，管子的膨脹量與管子的長(zhǎng)度和所受溫度成正比；lb) 管子的熱脹導(dǎo)致了管子端

52、點(diǎn)沿膨脹方向發(fā)生位移，當(dāng)無(wú)其它附加位移時(shí)，端點(diǎn)位移等于膨脹量；lc) 管子端點(diǎn)位移受約束時(shí)管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力，該內(nèi)力只與管子溫度、管子材料和管子截面積有關(guān)，且成正比，而與管子長(zhǎng)度無(wú)關(guān)；ld) 管子內(nèi)力將導(dǎo)致對(duì)約束點(diǎn)施加一個(gè)推力。3.3.2 管系柔性概述管系柔性概述1）管系柔性概念管系柔性概念 在管系中由于設(shè)備的剛性，支架的約束等管道中的熱應(yīng)力是不可避免的。 通常對(duì)管系通過(guò)自身的變形而吸收熱脹的特性稱為管系的柔性。 管系的柔性是反映管道變形難易程度的一個(gè)物理概念，表示管道通過(guò)自身變形吸收熱脹冷縮和其它位移的能力。2）管系柔性分析目的管系柔性分析目的所有管道系統(tǒng)都應(yīng)具有足夠的柔性，以避免出現(xiàn)如下情況：

53、（1）由于應(yīng)力超限或疲勞原因?qū)е碌墓艿阑蛑У跫苁В唬?）管道連接部位發(fā)生泄露；（3）因存在過(guò)大的推力或彎矩，而導(dǎo)致管道支吊架、管道元件或與管道連接的其他設(shè)備產(chǎn)生應(yīng)力或載荷超限而失效。3）柔性分析的許用應(yīng)力范圍）柔性分析的許用應(yīng)力范圍許用應(yīng)力范圍sa=f（1.25sc+0.25sh）如果slsh 則： sa=f1.25（sc+sh） sl 式中：sc-循環(huán)載荷作用下管道元件或管子材料在最低工作溫度下的許用應(yīng)力；sh-循環(huán)載荷作用下管道元件或管子材料在最高工作溫度下的許用應(yīng)力；f許用應(yīng)力范圍折減系數(shù)，查gb/t20801.3表18；或計(jì)算：f=6n-0.2 且小于等于1.0；n當(dāng)量循環(huán)次數(shù)，n=

54、ne+（ri5ni） （ i=1，2，n）ne-最大應(yīng)力范圍se作用下的循環(huán)次數(shù)；se -在循環(huán)載荷作用時(shí)的最大應(yīng)力范圍（mpa）；ri-比值，ri=si/se；si-在循環(huán)載荷作用時(shí)，小于se的某一個(gè)應(yīng)力范圍值；ni-應(yīng)力范圍si作用下的循環(huán)次數(shù)。3.3.3 影響管系柔性的因素影響管系柔性的因素1）規(guī)格及尺寸的影響：直徑和壁厚小則管系柔性好；型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)懸臂長(zhǎng)則柔性好。2）管系的空間幾何形狀影響：增加管系中的彎頭數(shù)量，管系柔性增加。增加了變形點(diǎn)，彎頭本身剛度也比直管小。三通等管件的剛度也比直管小。反映這些影響程度的有兩個(gè)重要系數(shù)，柔性系數(shù)和應(yīng)力增大系柔性系數(shù)和應(yīng)力增大系數(shù)。數(shù)。（1）柔性系數(shù)k

55、：表示彎管等管件相對(duì)于直管在承受彎矩時(shí)柔性增大的程度。（2）應(yīng)力增大系數(shù)i：管道在載荷作用下，在彎頭和三通等薄壁管件上將產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中。以同一彎矩值作用在薄壁管件上和直管后，所產(chǎn)生的最大應(yīng)力之比稱為應(yīng)力增大系數(shù)。 各種彎頭和三通等管件的柔性系數(shù)和應(yīng)力增大系數(shù)，柔性系數(shù)和應(yīng)力增大系數(shù)，查gb/t20801.3附錄c和gb50316附錄e。3）管系端部相關(guān)設(shè)施剛度的影響：相當(dāng)于剛性約束。4）管系中間支撐的影響：5）管系中特殊管道元件的影響：剛性管道元件，法蘭，閥門(mén)，小型管道設(shè)備；柔性元件，膨脹節(jié)。3.3.4管道系統(tǒng)應(yīng)力范圍計(jì)算管道系統(tǒng)應(yīng)力范圍計(jì)算按可能工況分析管道系統(tǒng)的危險(xiǎn)部位，計(jì)算其軸向彎曲

56、應(yīng)力和扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力，再計(jì)算組合應(yīng)力范圍： se=（sb2+ss2）1/2 ，se sa 式中：sb-軸向應(yīng)力范圍， sb=（iimi）2+（iomo）21/2/zss-剪應(yīng)力范圍，ss=mt/2zmi由交變位移載荷引起的平面內(nèi)彎矩范圍；mo由交變位移載荷引起的平面外彎矩范圍；mt由交變位移載荷引起的扭矩范圍；3.3.5 管系的柔性設(shè)計(jì)（管系的柔性設(shè)計(jì)（與管道布置有關(guān)與管道布置有關(guān)）1）管系的空間走向和尺寸設(shè)計(jì)：盡量采用自然補(bǔ)償，即利用管系自身形狀所具有的柔性以達(dá)到吸收熱脹和端點(diǎn)位移。2）管端相關(guān)設(shè)施的剛度考慮：變換與設(shè)備接口的主要連接方向；在管系和設(shè)備接口連接處設(shè)置柔性管件，如金屬軟管。3

57、）管系中間支撐的設(shè)計(jì)：選用彈簧支吊架等。4）應(yīng)用管道柔性元件：波紋膨脹節(jié)。 5）摩擦力的考慮：6）管系冷緊的考慮：是指在安裝時(shí)（冷態(tài)）使管道產(chǎn)生一個(gè)初位移和初應(yīng)力的一種方法。冷緊的目的：是將管道的熱位移的一部分分配到冷態(tài)，從而降低管道在熱態(tài)下的熱脹應(yīng)力和對(duì)端點(diǎn)的推力和力矩，也可防止法蘭連接處彎矩過(guò)大而發(fā)生泄漏。冷緊比：指冷緊量與全部補(bǔ)償量的比值，反映冷緊對(duì)管系熱應(yīng)力影響的程度。對(duì)于在材料蠕變溫度下工作的管道，冷緊比宜為0.7； 在非蠕變溫度下工作的管道，冷緊比宜為0.5。3.4 管系的動(dòng)應(yīng)力分析管系的動(dòng)應(yīng)力分析動(dòng)載荷：風(fēng)載荷，地震載荷，瞬時(shí)變流沖擊載荷，兩相流脈動(dòng)載荷，壓力脈動(dòng)載荷，機(jī)械振動(dòng)載

58、荷等都屬于動(dòng)載荷。機(jī)械振動(dòng)研究1）機(jī)械振動(dòng)理論機(jī)械振動(dòng)理論2）往復(fù)壓縮機(jī)管道的振動(dòng)分析與設(shè)計(jì)往復(fù)壓縮機(jī)管道的振動(dòng)分析與設(shè)計(jì) 主要內(nèi)容：a) 進(jìn)行氣柱固有頻率分析，使其避開(kāi)激振力的頻率；b) 進(jìn)行壓力脈動(dòng)不均勻度分析，采用設(shè)置緩沖器或孔板等裝置結(jié)構(gòu)，抑制脈動(dòng)，將壓力不均勻度控制在允許的范圍內(nèi)；c) 進(jìn)行管系結(jié)構(gòu)振動(dòng)固有頻率，震動(dòng)特性及各節(jié)點(diǎn)的振幅及動(dòng)應(yīng)力分析，通過(guò)設(shè)置防振支架，優(yōu)化管道布置，消除過(guò)大的管道振動(dòng)。3) 管道的疲勞破壞及設(shè)計(jì)管道的疲勞破壞及設(shè)計(jì) 基本概念：平均應(yīng)力，應(yīng)力幅，循環(huán)次數(shù)，高循環(huán)疲勞，低循環(huán)疲勞。 低循環(huán)疲勞設(shè)計(jì)：疲勞設(shè)計(jì)曲線。管道結(jié)構(gòu)方面應(yīng)注意的問(wèn)題：a) 在保證管道柔性

59、要求的前提下應(yīng)加強(qiáng)支撐，以避免由壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題；b) 彎管部分應(yīng)采用長(zhǎng)半徑彎頭，以減少應(yīng)力集中的影響；c) 分支管應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)三通管件（標(biāo)準(zhǔn)三通管件與開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)相比有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是其肩部為圓滑過(guò)度，能有效地降低應(yīng)力集中影響；二是標(biāo)準(zhǔn)三通本身就具有補(bǔ)強(qiáng)作用，而無(wú)需再加補(bǔ)強(qiáng)圈，可減少施工工作量）；d) 不宜采用標(biāo)準(zhǔn)三通進(jìn)行分支時(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，且宜采用整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)；e) 不允許使用螺紋連接結(jié)構(gòu)，也不宜采用承插焊結(jié)構(gòu)；f) 整個(gè)管系各組成件的壁厚宜取一致，盡可能避免出現(xiàn)不等厚的管件焊接。3.5 管道支撐設(shè)計(jì)管道支撐設(shè)計(jì)管道的支撐設(shè)計(jì)包括：支撐型式的選用、支撐件材料的選用、支撐件強(qiáng)度的

60、計(jì)算、生根點(diǎn)載荷計(jì)算等方面的內(nèi)容。3.5.1 管道支吊架的分類(lèi)管道支吊架的分類(lèi)承重支吊架：剛性支吊架，可調(diào)剛性支吊架，可變彈簧支吊架，恒力彈簧支吊架；限制性（限位）支吊架：固定支架，限位支架，導(dǎo)向支架；防振支架：減振器，阻尼器。3.5.2 支吊架的形式及其選用支吊架的形式及其選用3.5.3 支吊架位置的確定支吊架位置的確定一支吊架位置確定的原則（管道布置相關(guān)）二管道允許跨距的確定 管道跨距是指管道相鄰兩承重支架之間的距離。如果該距離過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致管道失穩(wěn)，甚至發(fā)生強(qiáng)度破壞。因此，在管道布置設(shè)計(jì)時(shí)，承重支架的位置和數(shù)量應(yīng)滿足管道最大允許跨距（基本跨距）的要求。1）基本跨距的確定）基本跨距的確定 對(duì)