壓力管道的強度計算

1、壓力管道的強度計算1 承受內(nèi)壓管子的強度分析 按照應(yīng)力分類，管道承受壓力載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，屬于一次薄膜應(yīng)力。該應(yīng)力超過 某一限度，將使管道整體變形直至破壞。承受內(nèi)壓的管子，管壁上任一點的應(yīng)力狀態(tài)可以用 3 個互相垂直的主應(yīng)力來表 示，它們是：沿管壁圓周切線方向的環(huán)向應(yīng)力，平行于管道軸線方向的軸向應(yīng)力z，沿管壁直徑方向的徑向應(yīng)力 r，如圖 21，設(shè) P 為管內(nèi)介質(zhì)壓力， Dn為管子內(nèi) 徑， S為管子壁厚。則 3 個主應(yīng)力的平均應(yīng)力表達式為管壁上的 3 個主應(yīng)力服從下列關(guān)系式：> z> r根據(jù)最大剪應(yīng)力強度理論，材料的破壞由最大剪應(yīng)力引起，當(dāng)量應(yīng)力為最大主 應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差，故強度條

2、件為e=- r 將管壁的應(yīng)力表達式代入上式，可得理論壁厚公式圖 2 1 承受內(nèi)壓管壁的應(yīng)力狀態(tài)工程上，管子尺寸多由外徑 Dw 表示，因此又得昂一個理論壁厚公式2管子壁厚計算承受內(nèi)壓管子理論壁厚公式，按管子外徑確定時為按管子內(nèi)徑確定時為式中：Sl 管子理論壁厚， mm；P 管子的設(shè)計壓力， MPa；Dw 管子外徑， mm ；Dn 管子內(nèi)徑， mm；焊縫系數(shù)； t 管子材料在設(shè)計溫度下的基本許用應(yīng)力，MPa。管子理論壁厚，僅是按照強度條件確定的承受內(nèi)壓所需的最小管子壁厚。它只 考慮了內(nèi)壓這個基本載荷，而沒有考慮管子由于制造工藝等方面造成其強度削弱的 因素，因此它只反映管道正常部位強度沒有削弱時的情

3、況。作為工程上使用的管道 壁厚計算公式，還需考慮強度削弱因素。因此，工程上采用的管子壁厚計算公式為Sj=Sl+C (2-3)式中： Sj 管子計算壁厚， mm；C 管子壁厚附加值， mm。(1)焊縫系數(shù) ( )焊縫系數(shù) ，是考慮了確定基本許用應(yīng)力安全系數(shù)時未能考慮到的因素。焊縫 系數(shù)與管子的結(jié)構(gòu)、焊接工藝、焊縫的檢驗方法等有關(guān)。根據(jù)我國管子制造的現(xiàn)實情況，焊縫系數(shù)按下列規(guī)定選?。?1對無縫鋼管， =10；對單面焊接的螺旋線鋼管， =06；對于縱縫焊接鋼管， 參照鋼制壓力容器的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選?。弘p面焊的全焊透對接焊縫：100無損檢測 =1 0；局部無損檢測 =0 S5。單面焊的對接焊縫，沿焊縫根部全

4、長具有墊板：100無損檢測 =0 9；局部無損檢測 =0 8；(2) 壁厚附加量 (C)壁厚附加量 C，是補償鋼管制造：工藝負偏差、彎管減薄、腐蝕、磨損等的減 薄量，以保證管子有足夠的強度。它按下列方法計算：C=C 1+C2 (2-4)式中： C1 管子壁厚負偏差、彎管減薄量的附加值，mm；C2 管子腐蝕、磨損減薄量的附加值， mm。管子壁厚負偏差和彎管減薄量的附加值： 在管子制造標(biāo)準(zhǔn)中，允許有一定的壁厚負偏差，為了使管子在有壁厚負偏差時 的最小壁厚不小于理論計算壁厚，管子計算壁厚中必須計人管子壁厚負偏差的附加 值。在管子標(biāo)準(zhǔn)中，壁厚允許負偏差一般用壁厚的百分數(shù)表示，令 為管子壁厚負 偏差百分

5、數(shù)，則得熱軋無縫鋼管。值的規(guī)定值見表2 1。表 21 普通鋼管厚度負偏差 值 2鋼管種類壁厚(mm)負偏差 %普通高級碳素鋼和低201512.5合金鋼>2012.510不銹鋼101512.5>201510-20如果需要同時計及彎管減薄量的補償，則壁厚附加值可按下列方法考慮： 3 在彎制管予時，彎管的外側(cè)壁厚將減薄，內(nèi)側(cè)壁厚將加厚。目前一般采用的熱 彎工藝，彎管減薄量約為 8 10，但彎管在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布與直管有區(qū) 別，在彎管彎曲半徑大于管子外徑4 倍，彎管減薄量為 8 10時，內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力比直管約大 5。在此情況下，工程上一般將彎管與直管取相同的理論壁 厚，而在壁厚附加

6、值中計人一定的裕量。作為對彎管減薄量的補償。壁厚附加值由 下式計算：以上為無縫鋼管管子壁厚附加值 C1 的計算方法。 對于采用鋼板或鋼帶卷制的焊 接鋼管，其壁厚負偏差就是鋼板、鋼帶的允許負偏差。這時的C1 值可按下列數(shù)據(jù)采用：壁厚為 5 5mm 及以下時， C1=05mm；壁厚為 7mm 及以下時，C1=06mm；壁厚為 25mm 及以下時， C1=08mm； 管子腐蝕和磨損減薄量的附加值 當(dāng)介質(zhì)對管子的腐蝕并不嚴重，即腐蝕速度小于005mma（年） 時，單面腐蝕取 C2=115mm，雙面腐蝕取 C2=22 5mm。當(dāng)管子外面涂防腐油漆時，可認為是單面腐蝕，當(dāng)管子內(nèi)外壁均有較嚴重腐蝕 時，則認

7、為是雙面腐蝕。當(dāng)介質(zhì)對管子材料腐蝕速率大于 005mm a時，則應(yīng)根據(jù)腐蝕速度和使用年 限決定 C2 值。3彎管壁厚計算彎管在承受內(nèi)壓時， 若彎管各點壁厚相同， 且無橢圓效應(yīng)， 則彎管內(nèi)側(cè)應(yīng)力最大，外側(cè)最小，彎管破壞應(yīng)發(fā)生在內(nèi)側(cè)。但采用直管彎制成彎管后，壁厚是有變化的。如圖 22，外側(cè)壁厚 Sa減薄，內(nèi)側(cè)壁厚 5e 增厚；橫截面產(chǎn)生一定的橢圓度對應(yīng)力的影響，致使應(yīng)力分布也發(fā)生變化，外側(cè)由于壁厚減薄而使應(yīng)力增加，內(nèi)側(cè)則由壁厚增加而使應(yīng)力降低。綜合起來，彎管外側(cè)壁的實際環(huán)向應(yīng)力仍比直管大，內(nèi)側(cè)壁的環(huán)向應(yīng)力則比直管小。且應(yīng)力值與彎管的彎曲半徑及有關(guān)。而彎管的徑向應(yīng)力與直管相同，沒有變化。因此，計算彎

8、制彎管的管子理論壁厚公式為圖 22 彎管DP 平均直徑； Sa外側(cè)壁??； Se內(nèi)側(cè)壁厚； R彎曲半徑。 式中： Slw 彎管理論計算壁厚， mm；R 彎管彎曲半徑， mm。將直管理論壁厚 Sl的表達式 (21)代人式 (27)，則可得目前，工程上一般都采用式 (2 8)來計算彎制彎管的理論壁厚。 彎制彎管時，彎管處橫截面變得不圓，它對應(yīng)力有影響，可用最大外徑與最小外徑 之差 T u表示。式中：Tu 彎管最大外徑與最小外徑之差 ()； Dmax 彎管橫截面最大外徑， mm ； Dmin 彎管橫截面最小外徑， mm。在內(nèi)壓作用下，不圓的橫截面將趨于圓形，短軸伸長，長軸縮短， f 點和 a 點處 產(chǎn)

9、生較大的拉應(yīng)力，易形成縱向裂紋 (見圖 23)。T u 越大，產(chǎn)生的局部應(yīng)力也越大。 達到一定值后，將使彎管承載能力降低而導(dǎo)致破壞。因此，在各國的技術(shù)規(guī)范中， 對最大外徑與最小外徑之差都有一定的規(guī)定。我國的GB50235 97工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范 對彎制彎管規(guī)定為： 對輸送劇毒流體的鋼管或設(shè)計壓力 P10 MPa 的鋼管 Tu 不超過 5，輸送劇毒流體以外的鋼管或設(shè)計壓力P小于 10MPa 的鋼管 Tu不超過 8。 44 焊制三通壁厚計算在管道工程中，常要用到大小不等的各種三通。如圖24。由于三通處曲率半徑發(fā)生突然變化以及方向的改變，導(dǎo)致主支管接管處出現(xiàn)相當(dāng)大的應(yīng)力集中，可比管 道正

10、常部位的應(yīng)力高出 67 倍。但這種應(yīng)力集中現(xiàn)象只發(fā)生在局部區(qū)域， 離接管處稍遠就很快衰減。只要將接管處的主管或支管加厚( 或主、支管同時加厚 )，或采用補強的方法，便可降低峰值應(yīng)力，滿足強度要求。三通主管理論壁厚公式為 5圖 2 3 彎管處不圓情況圖 2 4 三通式中： Slz 主管理論計算壁厚， mm； 強度削弱系數(shù)，對于單筋、蝶式等局部補強的三通，=0 9。式(210)適用于 Dw 660mm，支管內(nèi)徑與主管內(nèi)徑之比 dnDn08，主管外 徑與內(nèi)徑之比（否則應(yīng)考的取值范圍在 10515 的焊制三通。焊制三通所用管子為無縫鋼管 慮焊縫系數(shù) ）。三通支管的理論壁厚：）理論壁t·相）對

11、應(yīng)式中： Sld 支管理論壁厚， mm； dw 支管外徑， mm 。焊制三通長度一般取為 35Dw，高度一般取為 1 7Dw 。5 異徑管壁厚計算對圖 25 所示大小頭， 可采用下式計算 （日本宇部公司所采用的計算方法 厚：6式中： Slt 異徑管理論最小壁厚， mm； Dn 最小壁厚處內(nèi)徑， mm ； 圓錐頂角的 1 2。采用圖 25所示結(jié)構(gòu)時， 不得大于 30°，設(shè) 1=，則 1與 P（ 的值不得超過表 22 所列數(shù)值，中間值可用插值法求取。表 2 2P/ t ·0.20.512481012.5146912.517.5242730圖 2 5 異徑管6 焊接彎頭的強度計算焊接彎頭也稱斜接彎頭或蝦米腰彎頭。 這里介紹美國國家標(biāo)準(zhǔn)壓力管道規(guī)范 ANSI B313 和我國化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的計算方法。571）多節(jié)斜接彎頭對圖 26 所示多節(jié)斜接彎頭，當(dāng) 角小于或等于 225°時，其最大容許內(nèi)壓 可用以下兩公式計算，并取兩公式計算結(jié)果中較小者：