管道常用计算公式.ppt

油气管线安装工专业知识 第一章管道常用计算知识书中初 中 高级工中 管道常用计算知识已基本概括 为了系统与连贯 我把这些常用计算统编在一起 起到承前启后 复习熟练各种常用计算的计算内容 以便更好地理解工作中遇到的相关知识 第一节管子质量的计算 一 管子质量的计算理论计算公式 上册171页 G L D 单位 千kg式中G 管子质量 千kg L 管长 m D 管外径 m 壁厚 m 管材密度 钢管 7 85 103kg m3铸铁 7 24 103kg m3 若把所有长度单位用dm 分米 表示 用kg dm3 则G的单位就是kg 二 经验公式G 0 2466 D Lkg式中G D L含义同上 D 的单位用习惯表示的mm L的单位用习惯表示的m 则G的单位是kg 若全部单位 长度 都用dm 系数改用24 66 则G的单位也是kg 本公式只适用于钢管 若是铸铁管系数为0 02275 铜管改为0 02796 铝管改为0 00848 所谓经验公式只不过是把密度和 的积算出来 再把长度单位改成与kg相适的dm或习惯表示法 这类公式不提倡 例 求 219 10无缝钢管20m的质量 解 已知L 10m 0 01m 7 85千kg m3D 0 219m 将已知条件代入公式理论公式 G 20 3 14 0 219 0 01 0 01 7 85 1 03033 1 03千kg经验公式 G 200 0 02466 2 19 0 1 0 1 1 03千kg答 所求钢管的质量为1 03千kg 若把系数改为24 66 则G的单位亦为kg 上边例题答案1030kg 三 查表计算 有关手册和所有管工教材附表都有钢管规格表 各种规格每米质量 原称重量 都在表中列出 G L 每米质量L 管长 m 例如1000m公称直径40mm的加厚管的质量是多少 查表知该规格管壁厚4 25 每米4 58kg 那么总质量为 4 58 1000 4580kg 4 58吨 未计接头焊道高处质量 第二节管内流量计算 一 体积流量Q V Am3 s 平均流速v m s 过流断面面积A m2 二 质量流量 上册171页 Q v A tkg s或千kg s 为流体密度千kg m3 有时用kg dm3 v和A同上 注意 在Q用kg s时 一定采用dm计v和A 这样不易出错 一般情况采用103kg s 千kg s 即所有长度单位取m 关于两种流量的使用 多使用体积流量 因为管道尺寸固定 比较容易与尺寸相联系 在化工计算时多采用质量流量 除了冷水在计算流量时两种数值一样 其他流体都不一致 因为水的密度是1 管径计算公式 上册171页 例 设某管线每天输油量为6190t 输送油的密度为流速为1 5 s 求该管线内径 D 0 26m 260mm答 根据内径260可选 273 6 5的无缝钢管 d 管道内径m Q 输油量 p 管内介质密度 Kg mV 管内流速 m s 第四节管子热膨胀计算 由于管线的安装温度多数不一致 若温差较大 则因温度变化引起的胀缩量会导致其他变形和内应力 还会涉及支承和安全问题 因此如何准确的计算胀缩量 去考虑支承形式问题 选择补偿方式和补偿条件等是管工应掌握的基础知识 膨胀量计算公式 上册172页 L L t式中 L 膨胀量 m 管子材料的线膨胀系数 或直接取1 钢1 2 10 5 0 012mm即每度1道 铜1 65 10 5 铝2 4 10 5 t 工作温度与安装温度之差 例4 某段2Km供暖管线 施工温度20 最高工作温度60 试求热膨胀量 解 已知t2 60 t1 20 t 60 20 70 L 2000m 供热管一般为钢管 1 2 10 5 把数据带入 L L t 1 2 10 5 2000 60 20 0 96 m 答 这段管的总膨胀量为0 96m 第五节线自然补偿 L型 的计算 在管道安装时 必须考虑热应力过高带来的危害 如果限制因温差导致的变形量 则管子本身会产生巨大的内应力 这种应第五节线自然补偿 L型 的计算力称热应力 它会与内部流体压力一起联合作用加大管子的破坏和支承的破坏 因此必须采取应对措施 这些措施包括采用活动管托 管夹 采用热补偿 热补偿又分自然补偿和补偿器补偿 所谓自然补偿就是利用管线某一弯曲管段的弹性变形 来吸收另一管段的变形量的方法 其弯曲部位就称自然补偿器 利用自然补偿器补偿管线长短变化 称线自然补偿 常见的自然补偿器有L型 Z型 U型及混合型 但其基本型是L型 见图一 所以我们先掌握好L型线自然补偿的计算 M 计算公式 m 上册172页 式中L1 短臂长 m L 长臂L2的伸长量 L2 tmmD 管子外径 mm 例5 如图所示 下篇 管线 L2长500m 施工温度20 工作温度80 求L1的长度 解 已知L2 500mD 60mm t 80 20 60 L 500 1 2 10 5 60 0 36m 360mm将已知条件代入公式 M答 管段L1取长9 5 10m较合适 一般不得小于计算值 技师专业知识 60 3 5无缝钢管 第六节管道强度计算 管道强度计算就是对已知管道进行强度校核或根据给定材料确定管子的壁厚 管道强度计算分别计算环向应力 温度应力 轴向应力和综合应力 一 管道环向应力 环向应力是因管内流体压力使管壁周向引起的应力 n n 式中p 流体压力 MPa 上173 下42页d 管子内径 mm 管子壁厚 mm 例6 某管线管子规格为 377 7 设计压力为4 8MPa 求环向应力 解 已知p 4 8MPad 377 2 7 363mm 7mm把已知条件代入公式 n 124 46MPa答 所求管线的环向应力为124 46MPa 管线轴向应力的计算 管线轴向应力计算公式 管线的轴向应力 正值为拉应力 负值为压应力 MPa E 钢材的弹性模量 a 钢材的线性膨胀系数 管线安装温度 管线工作温度 管线环向应力 MPa 泊松比 取0 3 温度应力计算 二 温度应力 t 温度应力就是因热胀冷缩 而管又固定死不能伸缩 使管子内部产生的压或拉应力 t 单位MPa t E t式中 管材的线膨胀系数 钢取1 2 10 5 E 管材的弹性系数 钢的E为2 06 105MPa t 工作温度t2与施工温度t1之差 例7 某油罐出油管为 159 4 5 材料Q235 操作温度68 施工温度18 当管线在罐前 1处被固定时 求管线的温度应力及对罐的推力 解 已知t2 68 t1 18 D外 159mm d内 150mm E 2 06 105MPa 将已知条件代入公式 t 68 18 50 A 2180mm2 t E t 1 2 10 5 2 06 105 50 123 6MPa对罐的推力F t A 123 6 2180 269448N 269 45KN答 管的温度应力为123 6MPa 管对罐的推力F为269 45KN 三 管的轴向应力 a 下册43页 管的轴向应力是管的温度应力和环向应力对轴向应力的影响之和 对研究对象 拉为正 压为负 温度应力是热胀为负 压 冷缩为正 拉 环向应力影响是正 拉 因为流体压力使管外胀 管有变短的倾向 a E t n式中 泊松比 横向变形系数 取0 3 t必须取t1 t2 说明 t是施工温度减工作温度 保留差的正负号 以定前项是拉还是压 即前项正 轴向力的温度应力为拉应力 也就是工作温度低于施工温度 四 管道应力核算 由于管子受力情况复杂 其主要破坏应力为环向应力和轴向应力 其破坏机理 对于塑性材料来讲 属于第三强度理论解决 根据第三强度理论的公式 1 3相当于管子应力 n a 下册43页 所以核算公式 强度条件 为 n a 式中 核算应力MPa n和 a分别是环向应力和轴向应力 管子的许用应力 0 9 s s为材料的屈服强度极限 注意 不管什么正应力 拉都为正 压都为负 例8 某管线需用 60 4的管子 施工时的温度为12 工作温度70 工作压力16MPa 试问选用Q235AF材质管能否满足强度 Q235AF的 s 235MPa 解 已知t2 70 t1 12 P 16MPad 60 2 4 5 2cm 4cm先求 n 104MPa再求 a E t1 t2 n 2 06 105 1 2 10 5 12 70 104 0 3 143 4 31 2 112 2MPa代入计算公式 n a 104 112 2 216 2MPa因 0 9 s 235 0 9 211 5MPa即 答该管从理论上不能满足强度 五 管道壁厚的计算 求管壁厚 考虑到各种受力情况 通过比较简化的实用计算式进行计算 mm式中P 工作压力MPa D 管子外径 mm 管子的许用应力 F s F 为设计常数 野外取0 72 站厂内取0 6 输气管线站厂外取0 6 厂站内取0 5 为焊缝系数 无缝管取1 0 一般螺旋管取0 9 C 为腐蚀余量 对腐蚀性介质一般取0 5 0 9 例9 现有一批Q235管材 规格为 273 6 5的螺旋焊接管 试计算 看能否用在工作压力为6 4MPa的输油管线和输气管线上 解 根据题给条件 先求许用应力 F s 假设在站外F油 0 72 F气 0 6 油 0 72 235 0 9 152 3MPa 气 0 6 235 0 9 126 9MPa同取C为0 5则 油 6 2mm 气 7 4mm 所求 油 6 2mm 管子的壁厚6 5mm 能用 气 7 4mm 管子的壁厚6 5mm 不能用 答 这批Q235 273 6 5的焊管能用在压力为6 4MPa的输油管线上 但不能用在6 4MPa的输气管线上 第七节管线允许跨度的计算 管线的固定和支承 不管是跨沟过路 还是架空布线都涉及管线的跨度问题 所谓跨度计算 就是在考虑1管重 2介质重 3管外防腐保温材料重以及4雨雪影响 甚至维护时的5人 6物重量 7风力 8抗震影响等因素 计算出两支承点的最大允许距离L 公式L0 下册44页 式中L0 管线允许跨度 m 管材的许用应力MPa N mm2 W 管子的抗弯截面系数cm3 W 0 098D 管子外径cm d 管子内径cm K0 弯距系数 支墩少于3个取0 125 支墩大于7个取0 106 4个支墩取0 1 5个支墩取0 107 6个支墩取0 105 q 单位长度管线的重量 管子重量 介质重量 防腐保温材料重量 其他力等 N m 即单位载荷 运用公式时注意单位 用MPa D d用cm得W的单位cm3 q用N m 正好得L0的单位为m 若全部长度单位用m 则 用106Pa也行 但在求q时应全部用m 例10 114 4的输油管线 需跨过8m宽的路 两个支墩位于路两边外 间距共12m 问管线跨过这12m间距 强度够否 已知管内介质密度860kg 三防结构材料为30N m 解 已知D 11 4cm 0 114m d 10 6cm 0 106m 油 860kg m3 钢 7850kg m3 则W 36 7cm3 36 7 10 6m3 q D d 钢g 油g 30 3 14 0 114 0 004 0 004 7850 9 8 0 1062 860 9 8 30 210 62Nm 取 141MPa K0 0 125得L0 14m若w用m3 则L0 14m答 该管线允许的最大跨度为14m 对于现有过路支墩12m的间距条件 强度足够 第八节盲板强度计算 在管道施工过程中 经常遇到分段施工分别试压或预留接口等 都涉及到盲板的选用问题 或盲法兰 法兰盖 的选用问题 上册175页 盲板的选用从强度方面考虑的主要因素是厚度 其计算公式为 式中D为盲板直径 指同管内径相等的直径 P 为介质压力 即工作压力 盲板的许用应力 0 3 0 6 s例11 某气管 426 8 设计压力2 5MPa 求盲板厚度 取材为Q235 解 已知D 426 2 8 410mmP 2 5MPa 235 0 6 141MPa代入 0 4 410 21 8mm答 可选板厚为22mm的Q235钢板 第九节封头强度计算 封头是筒形设备的端头部分 凡是端头部分与筒体焊接成不可拆的称为封头 而用法兰连接成可拆的称端盖 这类设备属管线的相关设备 常见封头的形式有 1半球形 2椭圆形 3碟形 4锥形及5平板形 前三种又称凸形封头 半球形封头力学性能好 但制造困难 一般用于压力较高 直径较大的中高压容器 椭圆形封头是半椭球和一段短圆筒组成 由一块板冲压成 虽然应力情况比不上半球形 但比它易做 目前被广泛采用于中低压容器 碟形封头 初看形似椭圆封头 但它的弧面不是半椭球 而是一大弧面 周边带大弯角 与园筒短节相接 制造容易 甚至可以锤打制做 但应力状态不太好 近年来慢慢被椭圆封头取代 锥形封头仅用于收集或卸除粘度较大的悬浮物料或固体物料的立式筒体容器 制做较易 平板形封头最简单 小尺寸高中低压均适应 但材质要求高 而且应对筒头加强 下面为几种封头的强度计算公式 即求封头板厚的公式 上册175页 平板接头 卧罐用 P 卧罐的设计压力 R 封头半径 E 封头材料的弹性模量 弹性系数 Mpa 封头材料的许用应力C 封头厚度附加量碟形封头 标准型 式中P C同上D内 塔或罐的内径 非标准应该用R 弧面半径 对于标准型R D内 焊缝系数 一般取0 9 椭圆封头有关参数含义同上 标准型 半球形封头有关参数同上 第十节法兰强度计算法兰是管线中常用的重要管件 也是压力容器的重要附件 法兰分压力容器法兰和管法兰 二者各自有标准 即使公称直径相同的 这两种法兰也不能代用 因为二者的连接尺寸不同 不管是平焊 对焊 活套还是螺纹式法兰 其强度计算均涉及两部分 法兰厚度和法兰螺栓 直径的确定 按抗拉强度计算 螺纹内径处 螺栓法兰的厚度计算公式和法兰螺栓抗拉计算公式一 a x M 式中 法兰厚Q 螺栓拉力 载荷 D1 法兰螺栓孔中心线直径 基圆直径 D2 法兰螺纹中径 D 法兰外径 法兰材料许用应力二 螺栓直径 内径 计算式d 式中Q 螺栓载荷 拉力 螺栓材料许用应