动力管道的应力分析及管壁厚计算VIP

动力管道的应力分析及管壁厚计算 田 峰 高 岩 孙承华 桦林集团有限责任公司 黑龙江省牡丹江市 157032 【摘要】对管子在承受内压及自重时产生的应力进行了分析,对热力管道的强度校核公式及管 子壁厚公式的选用作了简单的探讨。 关键词:动力管道 应力分析 强度校核 壁厚计算 The Stress Analysis of the Power Pipeline and the Calculation of the Pipewall Thickness Tian Feng G an Yan Sun Chenghua Hualin Co.Ltd. (Group) ,Mudanjiang Helongjiang 157032 Abstract : It is analgzed the stress under internal pressure and self - weight of the pipeline and the formula for strength cali2 brating of the heat power pipeline and the selection of the wall thickness of the pipe is discussed in this paper. Key Words : Power Pipeline ,Stress Analysis ,Strength Calibration ,Wall Thickness Calculation. 1 应力分析 众所周知,对工业上使用的热力管道还是其它动 力管道,其强度校核的目的是计算管道内的内压外载 和热伸缩等引起的力、 力矩和应力,以便套用公式校核 管道设计是否安全、 经济合理,是否能在设定的条件下 工作。为完成上述工作,需先对管道承受内压时产生 的应力进行分析,找出导致管道破坏的因素,代入相应 的导出公式,得出科学结论。 要想计算出管子的壁厚S,须知管子在内压及外载 的作用下产生的应力,通常采用薄壁材料受力分析的计 算公式求出管壁上某点的三个主应力,如图1所示。 图1 管子受压时的应力状态 周向应力 zx=Pjsrn2(1 +rw2/ r2 ) / ( r w2-rn2) (1) 轴向应力 zh=Pjsrn2 ( r w2-rn2) (2) 径向应力 jx=Pjsr2n(1 -rw2/ r2 ) / ( r w2-rn2) (3) 式中 zx 周向应力,kgf/ cm2; zh 轴向应力,kgf/ cm2; jx 径向应力,kgf/ cm2; Pjs 管内承压计算应力,kgf/ cm2; rw 管子外壁半径,cm; rn 管子内壁半径,cm; r 管壁上任一计算点半径,cm。 从(1)、(2)式可以看出,内压周向应力和内压径向 应力是一个随半径r值而定的变量,在管内壁r=rn 时,内压径向应力出现最大值,在管外壁r=rw时,周 向应力为最小值。公式可变为: r=rn时,zxmax=Pjs ( r w2+rn2 ) / ( r w2-rn2) (1a) r=rw时,zxmin= 2Pjsrn2/ ( rw2-rn2)(1b) 把管外径与内径的比值代入,则式(1a)、(1b)可 分别用下式表示: zxmax=Pjs( 2 + 1) / ( 2 - 1)(1c) zxmin= 2Pjs / ( 2 - 1)(1d) 从(1c)、(1b)可看出,周向应力始终为正值,表现 为拉应力,当管子的内外径保持不变时,值随壁厚S 的增大而增大。把管分为两类,薄壁管和厚壁管,又定 义当外、 内径比值111时为薄壁管,反之亦然。经 4 管道技术与设备2000年 推导当值 111时,周向应力的 上下限比值会变化很大,如果当为114时,它们的比 值可达115。 周向应力分布图如图2 ,径向应力图如图3。从 (3)式可见,径向应力的最大值是取在r=rn时,即在 管子外壁的绝对值最小为零。同时在式中因r zhjx,表现为强度条件为: zx-jx t j (5) 式中 t j 钢材在计算温度下的基本许用应力。 将(1a)、(2a)代入(5)式整理,可得管子由内壁应 力确定的管子壁厚的理论计算公式: Sln=rn t j / ( t j- 2Pjs)- 1 (6) 在实际使用中,仅按内压作用时产生的应力值来 计算管子壁厚是远远不够的。尽管按最大剪应力理论 计算得出的结论比较符合实际,但还需考虑管子由于 构造、 制造工艺以及运行条件方面造成其强度削弱的 诸因素。基于此点,考虑管子制造时产生的负偏差及 腐蚀裕度留量,将一些意外情况打进安全系数,则通常 采用下列公式计算壁厚。 以管外径确定壁厚时的公式为: Sl=PjsDn / ( 200 t j+Pjs)+C 式中 基本许用应力修正值; C 管子壁厚附加值。 以管子内径确定壁厚时的公式为: Sl=PjsDn / ( 200 t j- Pjs)+C 在使用无缝钢管时,= 110。 腐蚀裕度值C1的选用,在一般工业管道中无特别 碱盐酸腐蚀的情况下,均选C1016mm。 有了如上的应