壓力管道應力分析

壓力管道應力分析第一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二一、壓力管道應力分析的目的和意義1、壓力管道的安全運行意義重大一套完整的工藝裝置，只有通過管道按照流程需要將工藝過程所必須的各種機械裝備加以連接才能進行正常的生產(chǎn)。

另外，工藝裝置能否長期安全生產(chǎn)和具有足夠的使用壽命也與管道設計的好壞密切相關。因此，管道設計是工業(yè)生產(chǎn)裝置不可缺少的重要組成部分，我們必須給予高度的重視。第二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二我們所討論的壓力管道是指《壓力管道安全管理與監(jiān)察規(guī)定》限定范圍內(nèi)的管道，管道中通常都是高溫（或超低溫）、高壓、易燃、易爆、有毒等危險性較大的介質。因此，壓力管道一旦發(fā)生安全事故，都會造成嚴重的經(jīng)濟損失和人員的傷亡，這些在國內(nèi)外都一有了大量的經(jīng)驗和教訓。保障壓力管道的安全運行，首先要通過合理的設計保障管道的強度。第三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二2、管道所承受的載荷復雜作用于管道的載荷有：（1）管內(nèi)介質產(chǎn)生的壓力介質產(chǎn)生的壓力主要在管子中產(chǎn)生環(huán)向的使管子直徑增大或縮小的變形，這也是管子本身發(fā)生破裂的主要影響因素。同時，介質的壓力在遠端軸向還會在管子中產(chǎn)生軸向拉（壓）應力而引起某些附加載荷。對于厚壁管，還會產(chǎn)生沿半徑方向的載荷。第四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（2）管子重量（自身、介質、保溫層）高壓、大直徑鋼管的重量（自身、介質、保溫層）不容忽視。管子重量在水平布置的接管中產(chǎn)生類似于梁的變形，而在豎直布置的接管中產(chǎn)生壓應力，困難造成失穩(wěn)破壞。（3）零部件的重量（4）支吊架產(chǎn)生的支反力第五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（5）風力、地震產(chǎn)生的載荷（6）管道溫度變化所產(chǎn)生的溫差應力（7）管道安裝所產(chǎn)生的約束力（8）設備的變形或位移在管道上產(chǎn)生的附加載荷（9）此外，還有介質在管內(nèi)的流動所引起的各種動載荷第六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二3、不同性質的載荷對管道安全的影響有很大差別例如：（1）隨著管內(nèi)介質壓力的增加，管壁的應力水平會不斷加大，直至破壞，這種狀態(tài)稱為應力沒有自限性。（2）隨著管內(nèi)溫度增加，由于有約束存在，管壁的應力水平也會加大，但當達到一定程度時，如材料屈服，由溫差產(chǎn)生的應力會逐漸降下來，這種性質成為應力具有自限性。第七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二不同性質的載荷，在管道中所產(chǎn)生的應力對管道安全的影響不同，因此，要根據(jù)不同類型的載荷采用不同的強度條件，才能在保障安全的前提下，盡可能的提高管道運行的經(jīng)濟性。

對于壓力管道，介質的內(nèi)壓是最主要的載荷，也是管道強度計算的主要依據(jù)。第八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二4、壓力管道應力分析的目的壓力管道的設計應能夠適應介質的壓力、溫度和介質的操作條件，設計的核心問題是研究壓力管道在外載荷作用下，有效地抵抗變形和破壞的能力，即處理強度、剛度和穩(wěn)定性問題，保證壓力管道的安全性和經(jīng)濟性。因此，對壓力管道進行較為充分的載荷和應力、應力與變形分析，構成了壓力管道設計的重要理論基礎。第九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二二、壓力管道應力分析1、載荷的分類（1）根據(jù)作用時間分：持續(xù)載荷介質壓力、重量、支反力、熱應力、殘余應力等瞬間載荷臨時作用于管道的載荷，風載荷、地震載荷等第十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（2）根據(jù)作用性質分：靜載荷緩慢、毫無振動的、使管道不產(chǎn)生顯著運動的載荷動載荷管道振動、壓力沖擊、風，地震載荷等第十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（3）載荷的自限性自限性載荷是指由于結構變形協(xié)調(diào)過程中所產(chǎn)生的載荷，例如：設備接管處。在管道的強度設計中，主要考慮的載荷有介質內(nèi)壓、自重、支反力，及附加位移等，介質內(nèi)壓是強度計算的最主要的依據(jù)。第十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二2、應力分類（1）應力的概念及管道的破壞應力的基本定義是指構件單位面積上所承受的內(nèi)力一般來說，應力的值隨外載荷增大而增大，而各種材料對應力的承受能力有一個極限，稱為強度極限，當應力的值達到或超過材料的極限時，材料就可能發(fā)生諸如過度變形、開裂、斷裂、失穩(wěn)等現(xiàn)象，稱為失效或破壞。第十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（2）應力分類壓力管道應力分類的依據(jù)是應力對管道強度破壞所起作用的大小。這種作用又取決于下列兩個因素：A、應力產(chǎn)生的原因即應力是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的外載荷是機械載荷還是熱載荷；第十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二B、應力的作用區(qū)域和分布形式即應力的作用是總體范圍還是局部范圍的沿厚度的分布是均勻的還是線性的或非線性的。目前，比較通用的應力分類方法是將壓力管道中的應力分為三大類：一次應力、二次應力和峰值應力。第十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二1）一次應力（P）一次應力是指平衡外加機械載荷所必須的應力。一次應力必須滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的靜力平衡關系，它隨外載荷的增加而增加，不會因達到材料的屈服點而自行限制，所以，一次應力的基本特征是“非自限性”。如：管道介質壓力、支反力、集中載荷等。第十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二另外，當一次應力超過屈服點時將引起管道總體范圍內(nèi)的顯著變形或破壞，對管道的失效及破壞影響最大。一次應力還可分為以下三種:a．一次總體薄膜應力Pm一次總體薄膜應力是指沿厚度方向均勻分布的應力，等于沿厚度方向的應力平均值。一次總體薄膜應力達到材料的屈服點就意味著管道在整體范圍內(nèi)發(fā)生屈服，應力不重新分布，而是直接導致破壞。第十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二b．一次彎曲應力Pb一次彎曲應力是指沿厚度線性分布的應力。它在內(nèi)、外表面上大小相等、方向相反。這種應力在達到屈服極限時，只是表面屈服，如果繼續(xù)增加載荷，則屈服加深，直至最后破壞，因此其破壞時的應力大于一次總體薄膜應力。如：風載荷在管壁產(chǎn)生的軸向彎曲應力。第十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二c．一次局部薄膜應力（Pl）一次局部薄膜應力是在結構不連續(xù)區(qū)由內(nèi)壓或其他機械載荷產(chǎn)的薄膜應力和結構不連續(xù)效應產(chǎn)生的薄膜應力統(tǒng)稱為一次局部薄膜應力。這種應力只引起局部屈服

如管子與設備的焊接處或法蘭盤與管子的連接處。第十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二2）二次應力(Q)二次應力是指由相鄰部件的約束或結構的自身約束所引起的應力。二次應力不是由外載荷直接產(chǎn)生的，其作用不是為平衡外載荷，而是結構在受載時變形協(xié)調(diào)而使應力得到緩解。一般壓力管道上所產(chǎn)生的二次應力，主要是考慮由于熱脹冷縮以及位移受到約束所產(chǎn)生的應力。通常稱為熱脹二次應力。二次應力的特點是自限性。第二十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二3）峰值應力F峰值應力是由于載荷、結構形狀突變而引起的局部應力集中的最高應力值,是引起疲勞破壞或脆性斷裂的可能根源。第二十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二3、承壓管道中的應力分布（1）管壁中的應力狀態(tài)在承受內(nèi)（外）壓力作用的管道器壁中，由于管道幾何形狀的軸對稱性質，可能產(chǎn)生的主應力有σθ、σz、σr。

當管壁的厚度與管直徑相比較小時，在半徑方向的擠壓應力σr可以忽略不計，管壁內(nèi)只有兩個方向的主應力，稱為兩向應力狀態(tài)或平面應力狀態(tài)，反之，稱為三向應力狀態(tài)或平面應力狀態(tài)第二十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（2）薄壁管與厚壁管當管道外徑/內(nèi)徑1.2時，管道稱為薄壁管，應力分布為兩向應力狀態(tài)或平面應力狀態(tài)。反之稱為厚壁管，應力分布為三向應力狀態(tài)或平面應變狀態(tài)。第二十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（3）三向應力的計算公式（GB50316)σθ=PDn/2teσz=PDn2/[4te(Dn+te)]σr=-P/2式中：P介質內(nèi)壓MPaDn管子的內(nèi)徑mmte管子的有效(當量）壁厚mm第二十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（4）其他載荷在管壁中產(chǎn)生的應力主要在管道的軸向管子重量（自身、介質、保溫層）零部件的重量支吊架產(chǎn)生的支反力風力、地震產(chǎn)生的載荷管道溫度變化所產(chǎn)生的溫差應力管道安裝所產(chǎn)生的約束力設備的變形或位移在管道上產(chǎn)生的附加載荷第二十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二三、一般壓力管道應力許用值的限定1、材料的極限值屈服極限σs、斷裂極限σb、蠕變極限σD、疲勞極限等σn2、安全系數(shù)ns=1.5、nb=33、許用應力[σ]=minσs/ns、σb/nb

許用應力是在考慮了各種可能因素的情況下人為指定的應力許用上限，一般由查表得到。第二十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二4、失效準則失效準則是指在判斷構件是否失效時所應用的最高應力限制，通常的表達式為：σmax≤[σ]該式也稱為強度條件第二十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（1）一次應力的強度條件對于一次應力，根據(jù)極限載荷準則來規(guī)定其許用應力值，這是一個防止結構過度變形的準則。一般進行下列兩項驗算：第二十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二1）管道在工作條件下，內(nèi)壓折算應力的驗算內(nèi)壓在管道器壁上產(chǎn)生的主應力分別為：環(huán)向、軸向、徑向強度條件為，最大當量應力不超過材料在工作溫度下的基本許用應力σe≤[σ]t其中:σe內(nèi)壓折算應力或叫當量應力t操作時，管道器壁的溫度第二十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二2）管道在工作條件下，內(nèi)壓軸向應力和持續(xù)外載荷的驗算軸向應力除了內(nèi)壓外，外載荷如管道重量、部件重量、支反力也會在軸向產(chǎn)生彎曲應力與內(nèi)壓軸向應力疊加。強度條件為，最大當量應力不超過材料在工作溫度下的基本許用應力σzhl≤[σ]t

該公式的含義為：當以環(huán)向應力作為最大應力進行強度設計后，還應校核與環(huán)向應力垂直方向上的軸向應力是否滿足要求，因軸向應力復雜。第三十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（2）二次應力的強度條件二次應力產(chǎn)生的破壞，是在反復加載及冷熱交換作用下引起的疲勞破壞，根據(jù)安定性準則來規(guī)定其許用應力值，這是一個防止結構反復發(fā)生正反方向屈服變形的準則。對這類應力限定，并不是限定一個時期的應力水平，而是控制其交變循環(huán)次數(shù)第三十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二強度條件為：內(nèi)壓和持續(xù)外載荷產(chǎn)生的一次、二次應力σe：σe

1.25f([σ]+[σ]t)單獨計算熱脹二次應力σe：σe

f(1.25[σ]+0.25[σ]t)考慮軸向載荷時，單獨計算熱脹二次應力σe：σe

f[1.25([σ]+[σ]t)-σzhl]其中：f為修正系數(shù)。（p33)第三十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二四、壓力管道的強度計算1、承受內(nèi)壓管子的強度分析承受內(nèi)壓管子，管內(nèi)任一點上的應力狀態(tài)可以用三個主應力來表示：σ1=σθ=PDn/2teσ2=σz=PDn2/[4te(Dn+te)]σ3=σr=-P/2式中：P介質內(nèi)壓MPaDn管子的內(nèi)徑mmte管子的有效(當量）壁厚mm第三十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二2、管子壁厚計算（GB50316)（1）管子計算壁厚ts承受內(nèi)壓管子計算壁厚公式：ts=PD0/(2[σ]tEj+PY)式中：ts

管子的計算壁厚,mm;P管子的設計壓力MPa;D0管子的外徑，mm;Ej焊接接頭系數(shù);[σ]t管子材料在設計溫度下的許用應力,MPa。Y考慮溫差應力影響的系數(shù)第三十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（2）管子設計壁厚tsd在工程上，需要考慮強度削弱因素tsd=ts+C式中：tsd管子的設計壁厚,mm;C壁厚附加裕量,mm.（3）管子的名義厚度tntn≥tsd并向上圓整到材料標準規(guī)格的厚度第三十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二3、設計參數(shù)的確定

ts=PD0/(2[σ]tEj+PY)

（1）設計壓力P（GB50316，P13)設計壓力應不小于操作條件最苛刻時的壓力。（2）設計溫度原則上說，設計溫度應為管道器壁溫度，實際設計中以介質的操作溫度作為設計溫度第三十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二ts=PD0/(2[σ]tEj+PY)（3）許用應力[σ]t（GB50316，P102)許用應力的選取要考慮四方面的因素:材料、使用狀態(tài)、厚度范圍、設計溫度（4）焊接接頭系數(shù)Ej（GB50316，P21)Ej≤1.0（5）系數(shù)Y（GB50316，P44)當ts<D0/6、設計溫度<482時對管道常用材料Y=0.4第三十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（6）壁厚附加量C（P35)C=C1+C2式中：C1管子壁厚負偏差、彎管減薄量的附加值，mm。C11的大小與材料、壁厚及管子級別有關C2管子腐蝕、磨損減薄量的附加值，mm。C2的大小與介質有關當腐蝕不嚴重時，單面取1-1.5,雙面取2-3否則，按腐蝕速率和設計壽命算第三十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二練習：1、名詞解釋（1）一次應力一次應力是指平衡外加機械載荷所必須的應力。一次應力必須滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的靜力平衡關系，它隨外載荷的增加而增加，不會因達到材料的屈服點而自行限制。（2）許用應力許用應力是在考慮了各種可能因素的情況下人為指定的應力許用上限。數(shù)值為材料的強度極限除以安全系數(shù)。第三十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（3）設計壓力設計壓力應不小于操作條件最苛刻時的壓力。（4）設計溫度原則上說，設計溫度應為管道器壁溫度，實際設計中以介質的操作溫度作為設計溫度第四十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（5）壁厚附加量C1管子壁厚負偏差、彎管減薄量的附加值，C2管子腐蝕、磨損減薄量的附加值，（6）名義厚度tn≥tsd并向上圓整到材料標準規(guī)格的厚度第四十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二2、問答題（1）什么是應力的自限性？二次應力是由于熱應力或變形約束而產(chǎn)生的應力，結構在受載時因變形協(xié)調(diào)而使應力得到緩解，這種現(xiàn)象稱為應力的自限性。第四十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（2）引起管道一次應力和二次應力的靜載荷，其特性有什么不同？表現(xiàn)在什么地方？一次應力是由外載荷作用在管道上引起的內(nèi)力，隨外載荷的增加而增加，二次應力是由于熱應力或變形約束而產(chǎn)生的應力，特點為有自限性。第四十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二3、計算題（1）某單位需要設計壓力為1.6MPa,設計溫度為100℃，用鋼板直縫卷焊的φ630鋼管，設計采用Q235熱軋鋼板雙面對接焊，焊縫進行20%射線檢測，腐蝕附加量2.0mm,試計算鋼板厚度。（注：Q235[σ]t=113MPa）第四十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二解：ts=PD0/2([σ]tEj+PY)

其中：P=1.6MPaD0=630mmt℃=100℃材料Q235熱軋狀態(tài)100℃、假定厚度范圍3-16mm,[σ]t=113MPa第四十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二雙面對接焊，焊縫進行20%射線檢測Ej=0.85Y=0.4(100℃<482℃)第四十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二代入公式ts=PD0/2([σ]tEj+PY)ts=1.6*630/(2*113*0.85+1.6*0.4)=5.2mmD0/6=630/6=105>5.2(Y滿足條件）C=C1+C2C2=2mmC1=0.5mm（p36)C=2.5mmtsd=5.2+2.5=7.7mm答：可選用tn=8mm的鋼板。第四十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（2）已知管內(nèi)設計壓力為12MPa,管子外徑為273mm，為普通無縫鋼管，管材工作溫度為50℃，在工作溫度下的許用應力為113MPa，腐蝕附加量1.0mm,求管子的計算厚度。第四十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二ts=PD0/2([σ]tEj+PY)P=12MPaD0=273mm[σ]t=113MPaEj=1Y=0.4（50℃<482℃）ts=12*273/(2*113*1+12*0.4)=14.2mm第四十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（3）已知DN300無縫鋼管的外徑為325mm，管內(nèi)設計壓力為4.75MPa,管材為普通低合金鋼，設計溫度為425℃，在設計溫度下的許用應力為87MPa，腐蝕附加量1.5mm,求管子的名義厚度。第五十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二ts=PD0/2([σ]tEj+PY)P=4.75MPaD0=325mm[σ]t=87MPaEj=1Y=0.4(425℃<482℃）ts=4.75*325/(2*87*1+4.75*0.4)=8.78mmD0/6=325/6=54>8.78mm(Y滿足條件）第五十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二C=C1+C2C2=1.5mmC1=a/(100-a)*ts=15*8.78/(100-15)=1.55mm(p35)C=3.05mmtsd=8.78+3.05=11.83mmtn≥tsd

=11.83mm答：按GB/T8163《輸送流體用無縫鋼管》，可選用tn=12mm的鋼板。第五十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二4、彎管壁厚計算（1）計算壁厚tlw

tlw=ts(1+D0/4R)

tlw=PD0/2([σ]tEj+PY)(1+D0/4R)（2）設計壁厚和名義壁厚（3）彎管的不圓度Tu限定對于輸送劇毒流體或P≥10MPa的鋼管，Tu不超過5%，其他Tu不超過8%。第五十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二練習：已知一熱軋管的彎曲半徑R=500mm，管子外徑D0=159mm，設計溫度為常溫,普通碳素鋼許用應力[σ]t=116MPa，內(nèi)壓P=10MPa，C2=1mm,求彎管的名義壁厚。第五十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二

tlw=ts(1+D0/4*R)

ts=PD0/2([σ]tEj+PY)解：ts=10*159/2*(116*1+10*0.4）=6.63mmtlw=ts(1+D0/4*R)=6.63[1+159/(4*500)]=7.16mmC1=15*7.16/(100-15)=1.26mmC2=1mmC=C1+C2=2.26mmTsdw=ts+C=7.2+2.26mm=9.46mm取管子的名義厚度為10mm.第五十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二5、焊制三通管壁厚計算（1）主管計算壁厚tlz=PD0/2([σ]tφ+P)式中：φ強度削弱系數(shù)對于單筋、蝶式等局部補強的三通，φ=0.9。焊制三通管選用無縫鋼管，否則要考慮焊接接頭系數(shù)。（2）三通支管的計算壁厚tld=tlzd0/D0

焊制三通長度一般為3.5D0高度一般為1.7D0

第五十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二五、壓力管道的熱應力分析1、熱應力的概念管道在溫度發(fā)生變化時，會有熱脹冷縮的現(xiàn)象。自由伸縮的管道不產(chǎn)生熱應力通常管道在設備間固定，變形受約束，當溫度發(fā)生變化時，不能自由伸縮，管內(nèi)將產(chǎn)生熱應力，或稱為溫度應力(溫差應力）。熱應力對管道的安全有很大的威脅，是設計中必須考慮的問題。第五十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二2、簡單直管段熱應力的計算設一直管段長L，截面積為A，管材彈性模量為E.管道按裝溫度為T0,工作溫度為T1,T1>T0。管材的線膨脹系數(shù)為α，在非安裝自由狀態(tài)下，管子的伸縮為Δl則有：Δl=α(T1-T0)L第五十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二Δlt=α(T1-T0)L實際的管段兩端是固定的，伸縮為0。此時在管壁中就產(chǎn)生了力！力隨溫度升高而增大！可能產(chǎn)生兩種效果：（1）破壞管道的支撐（2）管子失穩(wěn)破壞第五十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二由于溫度變化在管壁中產(chǎn)生的力可以通過軸向拉伸與壓縮的計算方法來確定。假定軸受軸向壓縮，壓力為P，軸受力的面積為A,長度為L，則軸截面中的應力為：

σ=P/A由胡克定律，σ所產(chǎn)生的壓縮變形為Δl=σ*L/E=P*L/(A*E)第六十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二管子的安裝如p39圖為克服溫差變形，在管內(nèi)產(chǎn)生的載荷可以借助下式計算Δl軸=PL/EA令Δl溫差=Δl軸則：α(T1-T0)L=PL/EA令：(T1-T0)=ΔT可以解出：P=α?ΔT?E?A而σ溫差=P/A稱為溫差應力,與溫差大小和材料特性有關。第六十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二管內(nèi)的熱應力為σ=P/A=α?ΔT?E管內(nèi)的熱應力在某些條件下會很大，如P40管徑為159mm，溫度差為100時，管內(nèi)產(chǎn)生的溫差應力為244MPa。3、實際管道的熱應力計算實際管道的熱應力計算是一個超靜定問題，只能通過變形協(xié)調(diào)方程、物理方程或數(shù)值解法得到近似解。如：力法、位移法、有限元法等。通常用計算機編程計算。第六十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二六、管道的柔性及柔性設計1、管道的柔性溫度變化時管道系統(tǒng)熱脹的可能性稱為管系的柔性。管道的柔性是反映管道變形難易程度的一個物理概念，表示管道通過自身變形吸收熱脹、冷縮及其他位移變形的能力。管系的柔性越大，所產(chǎn)生的熱應力就越小。第六十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二2、工程上增大管道柔性的幾種措施(GB50316)（1）在條件允許的情況下,應首先考慮采用改變管道走向以增加管道的柔性,如將管道根據(jù)工藝需要布置成L型或Z型(稱為自然補償器);（2）增加管系的長度可以增加管道的柔性,增加與其垂直的管道的長度可以減小管系的剛性;（3）選用彈簧支吊架,在吊架處存在的垂直位移,可以將約束放松,增加管道的柔性.第六十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（4）選用人工補償器a、設置型彎b、設置波紋管膨脹節(jié)第六十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二3、管道支吊架的類型和選用（1）管道支吊架的類型三大類1）承重類恒力吊架、變力支吊架、剛性支吊架2）限位支吊裝置限位、導向3）振動控制裝置彈簧減振器油壓阻尼第六十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（2）管道支吊架的選用1）按照支撐點載荷大小、位移情況、操作溫度、安裝空間、管道材質來選用2）盡量選用標準支吊架3）在下列情況下應考慮設置導向支架管道橫向位移過大固定支架距離過長，可能產(chǎn)生橫向不穩(wěn)定管道內(nèi)因沖擊載荷或兩相流產(chǎn)生振動時設計時只允許軸向位移時第六十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二4）當架空的管道熱膨脹量較大時，應使用加長管托支撐。（3）管道支吊架位置的確定1）滿足管道最大允許跨距要求2）布置在靠近集中載荷的地方3）在轉動機器附近應設置吊架4）對于復雜管系，應根據(jù)應力計算結果設置和調(diào)整這支吊架位置。第六十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二七、壓力管道的應力驗算前面我們用強度理論σe≤[σ]t導出公式

ts=PD0/(2[σ]tEj+PY)來計算管道的壁厚。其中σe為環(huán)向應力。應力驗算的應用：（1）驗算軸向應力疊加后是否仍滿足強度條件；（2）實際存在的管道內(nèi)的應力值是否滿足強度條件，（3）液壓試驗時的應力校核第六十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二1、管道產(chǎn)生的最大軸向應力的驗算∑σ軸≤[σ]此公式中包含：1）內(nèi)壓軸向應力2）重量載荷、風、地震載荷產(chǎn)生的軸向應力3）熱負荷產(chǎn)生的軸向應力4）其他約束等產(chǎn)生的軸向應力第七十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二2、管道內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應力的驗算根據(jù)第三強度理論，σe=σθ-σr≤[σ]t

當σr=0時，可得：σe=P[D0-(tn-c)]/[2*Ej*(tn-C)]≤[σ]t（此公式的原型即為σθ=PD/2t）第七十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二3、壓力試驗時最大應力的驗算σ=P試驗[D0-(tn-c)]/[2*Ej*(tn-C)]≤0.9σs第七十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二練習：一管子外徑為273mm，壁厚為18mm，為普通無縫鋼管，管材在工作溫度下的屈服限為235MPa，設計壓力為12MPa,腐蝕附加量1.0mm,液壓試驗壓力為18MPa，要求管內(nèi)最大應力不小于0.9屈服限，試進行應力驗算第七十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二σ=P[D0-(tn-c)]/[2*Ej*(tn-C)]≤0.9σs已知：P=18MPaEj=1tn=18mmC2=1mmσs=235MPaC1=15/(100-15)tn=3.2mmσ=18*[273-(18-4.2)]/[2*1*(18-4.2)]=169MPa0.9σs=0.9*235=211.5MPaσ<0.9σs應力驗算合格第七十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二八、應力分析及強度計算小結(一)、應力分類一次、二次、峰值應力(二)、管道應力計算公式環(huán)向：σθ=PD0/2t軸向：σθ=PD0/4t(三)、材料的極限值屈服極限σs、斷裂極限σb、蠕變極限σD、疲勞極限等σn第七十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二(四)、安全系數(shù)ns=1.5、nb=3(五)、許用應力[σ]=min｛σs/ns、σb/nb｝

許用應力是在考慮了各種可能因素的情況下人為指定的應力許用上限。(六)、強度條件（失效準則）σmax≤[σ]

第七十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二(七)、強度條件的應用1、計算管道壁厚（1）計算壁厚tsσmax≤[σ]σmax=σθ=PD0/2tPD/2t≤[σ]P(D0–t)/2t≤[σ]Ej解出tts=PD0/(2[σ]Ej-PY)（2）管道壁厚術語ts、tsd、te、tmin、tn第七十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二（3）設計厚度tsdtsd=ts+C(4)名義厚度tn(5)有效厚度tete=tn-C（6）最小厚度tmin(7)壁厚減薄量C1(8)腐蝕裕量C22、應力驗算3、最高承載能力計算第七十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二練習：1、簡答題（1）管道熱應力產(chǎn)生的原因管道在溫度發(fā)生變化時，會有熱脹冷縮的現(xiàn)象。如果變形受約束，不能自由伸縮，管內(nèi)產(chǎn)生的約束力稱為熱應力，或稱為溫度應力。（2）管道系統(tǒng)的柔性溫度變化時管道系統(tǒng)熱脹的可能性稱為管系的柔性（3）焊接接頭系數(shù)焊縫材料的強度與母材強度之比，≤1.0第七十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二計算題1、一管子外徑為530mm，壁厚為12mm，鋼板卷焊，設計溫度50℃，管材在設計溫度下的許用應力為170MPa，腐蝕附加量1.0mm,求所能承受的最高設計壓力P。第八十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二解：強度條件σmax≤[σ]P[D0-(tn-c)]/[2*(tn-C)]≤[σ]*EjP=[σ]*Ej*[2*(tn-C)]/[D0-(tn-c)]tn=12C1=0.8C=1.8雙面焊對接焊縫，局部檢驗，Ej=0.85P=170*0.85*[2*(12-1.8)]/[530-(12-1.8)]

=6MPa第八十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二2、一管子外徑為159mm，壁厚為6mm，鋼板卷焊，設計溫度100℃，設計壓力為3MPa，管材在設計溫度下的許用應力為113MPa，腐蝕附加量2.0mm,判斷此管道是否滿足強度條件。第八十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期二解：強度條件σmax≤[σ]P[D0-(tn-c)]/[2*(tn-C)]≤[σ]*Ejtn=6C2=2C1=0.8C=2.8雙面焊對接焊縫，局部檢驗，Ej=0.853*[159-（6-2.8)]/[2*(6-2.8)]

=73MPa[σ]*Ej=113*