压力管道的强度计算..

压力管道的强度计算压力管道的强度计算 1 1 承受内压管子的强度分析承受内压管子的强度分析 按照应力分类 管道承受压力载荷产生的应力 属于一次薄膜应力 该应力超 过某一限度 将使管道整体变形直至破坏 承受内压的管子 管壁上任一点的应力状态可以用 3 个互相垂直的主应力来表 示 它们是 沿管壁圆周切线方向的环向应力 平行于管道轴线方向的轴向应 力 z 沿管壁直径方向的径向应力 r 如图 2 1 设 P 为管内介质压力 Dn为 管子内径 S 为管子壁厚 则 3 个主应力的平均应力表达式为 管壁上的 3 个主应力服从下列关系式 z r 根据最大剪应力强度理论 材料的破坏由最大剪应力引起 当量应力为最大主 应力与最小主应力之差 故强度条件为 e r 将管壁的应力表达式代入上式 可得理论壁厚公式 图 2 1 承受内压管壁的应力状态 工程上 管子尺寸多由外径 Dw表示 因此又得昂一个理论壁厚公式 2 2 管子壁厚计算 管子壁厚计算 承受内压管子理论壁厚公式 按管子外径确定时为 按管子内径确定时为 式中 Sl 管子理论壁厚 mm P 管子的设计压力 MPa Dw 管子外径 mm Dn 管子内径 mm 焊缝系数 t 管子材料在设计温度下的基本许用应力 MPa 管子理论壁厚 仅是按照强度条件确定的承受内压所需的最小管子壁厚 它只 考虑了内压这个基本载荷 而没有考虑管子由于制造工艺等方面造成其强度削弱的 因素 因此它只反映管道正常部位强度没有削弱时的情况 作为工程上使用的管道 壁厚计算公式 还需考虑强度削弱因素 因此 工程上采用的管子壁厚计算公式为 Sj Sl C 2 3 式中 Sj 管子计算壁厚 mm C 管子壁厚附加值 mm 1 焊缝系数 焊缝系数 是考虑了确定基本许用应力安全系数时未能考虑到的因素 焊 缝系数与管子的结构 焊接工艺 焊缝的检验方法等有关 根据我国管子制造的现实情况 焊缝系数按下列规定选取 1 对无缝钢管 1 0 对单面焊接的螺旋线钢管 0 6 对于纵缝焊接钢 管 参照 钢制压力容器 的有关标准选取 双面焊的全焊透对接焊缝 100 无损检测 1 0 局部无损检测 0 S5 单面焊的对接焊缝 沿焊缝根部全长具有垫板 100 无损检测 0 9 局部无损检测 0 8 2 壁厚附加量 C 壁厚附加量 C 是补偿钢管制造 工艺负偏差 弯管减薄 腐蚀 磨损等的减 薄量 以保证管子有足够的强度 它按下列方法计算 C C1 C2 2 4 式中 C1 管子壁厚负偏差 弯管减薄量的附加值 mm C2 管子腐蚀 磨损减薄量的附加值 mm 管子壁厚负偏差和弯管减薄量的附加值 在管子制造标准中 允许有一定的壁厚负偏差 为了使管子在有壁厚负偏差时 的最小壁厚不小于理论计算壁厚 管子计算壁厚中必须计人管子壁厚负偏差的附加 值 在管子标准中 壁厚允许负偏差一般用壁厚的百分数表示 令 为管子壁厚 负偏差百分数 则得 热轧无缝钢管 值的规定值见表 2 1 表表 2 2 1 1 普通钢管厚度负偏差普通钢管厚度负偏差 值值 2 2 负偏差 钢管种类 壁厚 mm 普通 高级 碳素钢和低 合金钢 20 20 15 12 5 12 5 10 不锈钢 10 10 20 15 20 12 5 15 如果需要同时计及弯管减薄量的补偿 则壁厚附加值可按下列方法考虑 3 在弯制管予时 弯管的外侧壁厚将减薄 内侧壁厚将加厚 目前一般采用的热 弯工艺 弯管减薄量约为 8 10 但弯管在内压作用下的应力分布与直管有区 别 在弯管弯曲半径大于管子外径 4 倍 弯管减薄量为 8 10 时 内压引起的 环向应力比直管约大 5 在此情况下 工程上一般将弯管与直管取相同的理论壁 厚 而在壁厚附加值中计人一定的裕量 作为对弯管减薄量的补偿 壁厚附加值由 下式计算 以上为无缝钢管管子壁厚附加值 C1的计算方法 对于采用钢板或钢带卷制的 焊接钢管 其壁厚负偏差就是钢板 钢带的允许负偏差 这时的 C1值可按下列数 据采用 壁厚为 5 5mm 及以下时 C1 0 5mm 壁厚为 7mm 及以下时 C1 0 6mm 壁厚为 25mm 及以下时 C1 0 8mm 管子腐蚀和磨损减薄量的附加值 当介质对管子的腐蚀并不严重 即腐蚀速度小于 0 05mm a 年 时 单面腐 蚀取 C2 1 1 5mm 双面腐蚀取 C2 2 2 5mm 当管子外面涂防腐油漆时 可认为是单面腐蚀 当管子内外壁均有较严重腐蚀 时 则认为是双面腐蚀 当介质对管子材料腐蚀速率大于 0 05mm a 时 则应根据腐蚀速度和使用年 限决定 C2值 3 3 弯管壁厚计算 弯管壁厚计算 弯管在承受内压时 若弯管各点壁厚相同 且无椭圆效应 则弯管内侧应力最 大 外侧最小 弯管破坏应发生在内侧 但采用直管弯制成弯管后 壁厚是有变化 的 如图 2 2 外侧壁厚 Sa 减薄 内侧壁厚 5e 增厚 横截面产生一定的椭圆度 对应力的影响 致使应力分布也发生变化 外侧由于壁厚减薄而使应力增加 内侧 则由壁厚增加而使应力降低 综合起来 弯管外侧壁的实际环向应力仍比直管大 内侧壁的环向应力则比直管小 且应力值与弯管的弯曲半径及有关 而弯管的径向 应力与直管相同 没有变化 因此 计算弯制弯管的管子理论壁厚公式为 图 2 2 弯管 DP 平均直径 Sa 外侧壁薄 Se 内侧壁厚 R 弯曲半径 式中 Slw 弯管理论计算壁厚 mm R 弯管弯曲半径 mm 将直管理论壁厚 Sl的表达式 2 1 代人式 2 7 则可得 目前 工程上一般都采用式 2 8 来计算弯制弯管的理论壁厚 弯制弯管时 弯管处横截面变得不圆 它对应力有影响 可用最大外径与最小外径 之差 Tu表示 式中 Tu 弯管最大外径与最小外径之差 Dmax 弯管横截面最大外径 mm Dmin 弯管横截面最小外径 mm 在内压作用下 不圆的横截面将趋于圆形 短轴伸长 长轴缩短 f 点和 a 点 处产生较大的拉应力 易形成纵向裂纹 见图 2 3 Tu越大 产生的局部应力也 越大 达到一定值后 将使弯管承载能力降低而导致破坏 因此 在各国的技术规 范中 对最大外径与最小外径之差都有一定的规定 我国的 GB50235 97 工业金 属管道工程施工及验收规范 对弯制弯管规定为 对输送剧毒流体的钢管或设计压 力 P 10MPa 的钢管 Tu不超过 5 输送剧毒流体以外的钢管或设计压力 P 小于 10 MPa 的钢管 Tu不超过 8 4 4 4 焊制三通壁厚计算焊制三通壁厚计算 在管道工程中 常要用到大小不等的各种三通 如图 2 4 由于三通处曲率 半径发生突然变化以及方向的改变 导致主支管接管处出现相当大的应力集中 可 比管道正常部位的应力高出 6 7 倍 但这种应力集中现象只发生在局部区域 离 接管处稍远就很快衰减 只要将接管处的主管或支管加厚 或主 支管同时加厚 或采用补强的方法 便可降低峰值应力 满足强度要求 三通主管理论壁厚公式为 5 图 2 3 弯管处不圆情况 图 2 4 三通 式中 Slz 主管理论计算壁厚 mm 强度削弱系数 对于单筋 蝶式等局部补强的三通 0 9 式 2 10 适用于 Dw 660mm 支管内径与主管内径之比 dn Dn 0 8 主管外 径与内径之比 的取值范围在 1 05 1 5 的焊制三通 焊制三通所用管子为无缝钢管 否则 应考虑焊缝系数 三通支管的理论壁厚 式中 Sld 支管理论壁厚 mm dw 支管外径 mm 焊制三通长度一般取为 3 5Dw 高度一般取为 1 7Dw 5 异径管壁厚计算 对图 2 5 所示大小头 可采用下式计算 日本宇部公司所采用的计算方法 理 论壁厚 6 式中 Slt 异径管理论最小壁厚 mm Dn 最小壁厚处内径 mm 圆锥顶角的 1 2 采用图 2 5 所示结构时 不得大于 30 设 1 则 1与 P t 相对应的值不得超过表 2 2 所列数值 中间值可用插值法求取 表表 2 2 2 2 P t 0 20 51248 1012 5 146 912 517 52427 30 图 2 5 异径管 6 6 焊接弯头的强度计算 焊接弯头的强度计算 焊接弯头也称斜接弯头或虾米腰弯头 这里介绍美国国家标准压力管道规范 AN SI B31 3 和我国化工行业标准所规定的计算方法 5 7 1 1 多节斜接弯头多节斜接弯头 对图 2 6 所示多节斜接弯头 当 角小于或等于 22 5 时 其最大容许内 压可用以下两公式计算 并取两公式计算结果中较小者 图