压力管道强度及应力分析ppt课件

压力管道强度和应力分析，课件制作：殷华杰，压力管道载荷和应力分类，载荷的定义，引起结构变形的条件称为载荷载荷分类，不同特性的载荷产生的应力状态对损伤有不同的影响，载荷分类可以方便地研究不同载荷对结构破坏的影响，压力管道载荷和应力的分类，载荷的分类是根据载荷作用的时间长短来分类的。恒定载荷是指连续作用在管道上的载荷，如介质压力、支吊架的反力、管道自重、热膨胀限制产生的热载荷、应变自平衡产生的自拉力、残余应力以及其它临时作用在管道上的活载荷，如风荷载、地震载荷等。对压力管道的载荷和应力进行分类，载荷的分类根据载荷是否随时间变化进行分类。静载荷缓慢施加在管道上，没有振动。大小和位置与时间无关，或者变化很慢，惯性力很小，可以忽略不计。本章所涉及的载荷基本上是静态载荷，即动态载荷，它们随时间快速变化，引起管道的显著运动。必须考虑惯性力的影响。例如，管道的振动、阀门突然关闭时的压力冲击、地震等。对压力管道的载荷和应力进行分类，并根据载荷的作用性质对载荷进行分类。管道结构变形约束产生的自限载荷(静载荷)产生的载荷与外部载荷不直接平衡。当管道材料的塑性好时，其最大值限制在一定范围内，不会无限增加。如管道温度变化引起的热负荷；非自限载荷(静态载荷)，如结构曲率突变附近的边缘应力，是由外部直接作用的外部载荷。例如，中压、管道自重等。压力管道的荷载和应力分类，计算荷载时主要考虑的静荷载介质压力也称为压力荷载、连续外荷载(或机械荷载)、管道自重、支吊架反力和其他外荷载位移荷载(或热荷载)、热胀冷缩和端点附加位移。压力管道的载荷和应力分类，应力分类由于载荷性质不同，导致不同的应力性质，它们对管道损伤的贡献也不同。对其进行分类，对不同的应力给予不同的约束条件，以充分发挥材料的性能，保证安全生产。压力管道的载荷和应力分类。应力分类主应力(P)主应力是由于外部载荷在管道中产生的法向应力或剪应力，满足与外力平衡的条件。其特点是非自限性的。它总是随着外部载荷的增加而增加，最终达到破坏。由于负载的不同性质，管道中产生的应力分布也不同。主应力分为：压力管道的载荷和应力分类。主应力(P)和主总膜应力(Pm)是管道的基本应力。它们分布在整个管道中，并且均匀地分布在管道的横截面上。例如，由内压引起的管道周向应力和轴向应力(Pb)分布在管道的大面积上，管道横截面上的分布沿厚度变化并呈现线性分布。当应力达到屈服时，它只是局部屈服。如果继续加载，管道截面上的应力分布将被重新调整，允许比主要的整体膜应力更高的容许应力。如管道自重和机械载荷引起的管道弯曲变形产生的弯曲应力等。压力管道的荷载和应力分类，应力分类一次应力(P)一次局部膜应力(Pl)由于压力或机械荷载而在局部范围内分布的膜应力。当应力达到屈服时，由于材料的塑性变形，次级压力的特点是自我限制。当材料为塑性时，较大应力区及其邻近部位的塑性变形约束被解除，变形趋于协调，应力不再继续增加，并自动限制在一定范围内。次级应力也是局部的，即次级应力作用的区域仅限于局部区域。例如，管道因热膨胀和收缩产生的应力、管道曲率的突然变化以及其他位移约束都属于二次应力。对于压力管道的载荷和应力分类，应力分类的峰值应力是载荷和结构形状局部突变引起的局部应力集中的最高应力值。其特点是整个结构不产生任何显著的变形，这是疲劳破坏和脆性断裂的可能来源。例如，管道的小转弯半径、焊缝的底切等。压力管道的载荷和应力分类，一般压力管道的许用应力值的限制，几种概念极限状态，当结构单元的某一截面达到与整个截面屈服时的极限状态相对应的状态极限载荷时，应用于结构的载荷极限载荷法，认为结构达到极限状态后，不能再承受附加载荷，从而防止结构产生过渡变形。因此，规定了结构许用应力值的设计方法，压力管道的载荷和应力分类，以及一般压力管道许用应力值的定义几个概念连续循环稳定性的稳定性准则，即在载荷(包括热载荷)反复变化的过程中不会发生塑性变形。由于塑性材料二次应力的局部性和自限性，控制结构在运行过程中不会受到疲劳损伤，从而保持结构稳定。对于限制二次应力范围的方法，压力管道的载荷和应力分类，一般压力管道应力许用值的有限内压下的有限内压轴力，以及连续外载荷下的有限一次应力加二次应力，当二次应力单独计算时，二次应力的计算公式如下：f修正系数，当变化次数为N22.5时， 单节斜接弯头的最大许用压力按下式计算：上式是根据边缘应力确定的许用内压。 在压力管道热应力分析中，热应力的概念所有物体都具有随热膨胀和随冷收缩的特性。如果不允许物体自由变形并对其施加约束，应力将在物体内部产生，这称为热应力或温度应力。当管道两端不允许位移时，可以认为力P施加到管道末端，以将管道末端压(或拉)到其原始长度，即，压力管道的热应力分析，热应力概念管道中的热应力是由管道中的温度变化引起的热应力，与材料的线膨胀系数、弹性模量和温差成正比，与管道长度无关，从以上公式可以看出。压力管道热应力分析，热应力概念举例，举例说明热应力的影响。管道为Q235-A，1594.5，运行温度为100，安装温度为0，热膨胀系数为12.210-6/,弹性模量为2.0105兆帕。代入上述热应力计算公式，计算结果表明其热应力为244兆帕，产生的管端推力为529480牛顿。对于ACB平面管道系统， 对于压力管道的热应力分析，如果管道的热应力计算中有温度变化，不仅会引起管道中的热应力，还会引起支吊架处的支承反力的变化。 为了保证管道和支吊架的安全运行，需要计算轴承反力。以平面管道系统为例，结构力学采用了支座反力的计算方法在轴承反力的作用下，平面内产生的位移和转角应满足下列公式：压力管道热应力分析：在管道热应力计算公式中，ij为变形系数，表示单位力在j方向产生的位移。根据卡斯蒂利亚诺第二定理：压力管道热应力分析，柔度系数和应力增强系数前的计算，认为交流管道和CB管道在C点刚性连接，但在实际情况下， 两个管的刚度通常低于直管的刚度，即柔性大，容易变形，并且管中的实际热应力小于前面例子中计算的热应力。 但是，在弯矩的作用下，弯管的应力比直管的应力大，压力管道的热应力分析、柔度系数和应力强化系数柔度系数(K)柔度系数：当弯管受到相对于直管的弯矩弯曲时，转角出现增大倍数。弯管的柔性大于直管的原因是弯管在受到弯矩后容易产生如图所示的扁平效果，从而使弯管的弯曲模量降低，刚度降低，压力管道的热应力分析、柔度系数和应力强化系数(K)弯管的柔度系数按下式计算：为弯管的尺寸系数，计算公式如下：式中，R为管道的弯曲半径；s是管道的壁厚；Rp是管道平均半径k的计算公式，其适用范围为：0.021.65。当 1.65时，K=1。k公式用于计算光滑弯管的柔度系数。平面或非平面弯曲适用于：压力管道热应力分析、柔度系数和应力强化系数柔度系数(K)焊接弯头的柔度系数按以下公式计算：对于单斜接头斜弯头：RY=rp对于薄接头斜弯头，即：压力管道的热应力分析、柔度系数和应力强化系数柔度系数(K)焊接弯头的柔度系数对于紧密连接的斜弯头，即、压力管道热应力分析，柔度系数和应力强化系数柔度系数(K)柔度系数铸铁三通是刚性元件；对于焊接和热压三通，局部应力集中是由于结构不连续造成的，k取为1。三通段计算长度应采用与连接管直径和壁厚相同的直管段长度。压力管道热应力分析、柔度系数和应力强化系数应力强化系数(m)弯管应力强化系数是指弯管在弯矩作用下的最大弯曲应力与直管在相同弯矩作用下的最大弯曲应力之比。弯管的应力强化系数按以下公式计算：m1。当 0.854时，计算的m1仍然是m=1。上述公式是通过疲劳试验研究得出的，适用于光滑和焊接弯头、焊接和热压三通等的平直或非平直弯曲。光滑弯管的尺寸系数应计算如下：压力管道热应力分析、柔度系数和应力强化系数应力强化系数(M)弯头的应力强化系数焊接弯头的尺寸系数应计算如下：理论和实验表明，焊接弯头总是比相同规格的光滑弯头(包括弯头和热压弯头)具有更高的局部应力，即更大的应力强化系数。下表显示了一组相同规格的焊接弯头和热压弯头(弯管半径与直径之比为1.5)之间的应力强化系数的比较。压力管道热应力分析，斜接头n=1，斜接头n=2，斜接头n=3，压力管道热应力分析，斜接头n=6，热压弯头，压力管道热应力分析、柔度系数和应力强度非加强焊接三通：压力管道热应力分析，厚壁管道三通应力强化焊接三通的柔度系数和应力强化系数应力强化系数(m ),压力管道的热应力分析，三通接头的柔度系数和应力加强系数应力加强系数(m)应力加强披肩的焊接三通接头：压力管道的热应力分析，三通接头的柔度系数和应力加强系数应力加强系数(m)单肋或蝶形焊接三通接头的应力加强系数：1普通三通接头：(a)单肋d1.5s；(b)b型蝶S，h2.5S(d为肋厚，b为蝶厚，h为蝶高)，压力管道热应力分析、柔度系数和应力增强系数(m)三通单肋或蝶形焊接三通应力增强系数：2厚壁三通：(a)单肋d1.5s；(b)b型蝶S1，h2.5S1(d为肋厚，b为蝶厚，h为蝶高)，压力管道热应力分析，柔性系数和应力增强系数应力增强系数(m)三通单肋或蝶形强焊接三通应力增强系数：热压三通：，压力管道热应力分析、柔度系数和应力强化系数应力强化系数(M)对于三通，单肋或蝶形焊接三通的应力强化系数：热压三通：热压或焊接不同直径(支管与主管直径之比0.5)的三通仍按上述公式计算。管道系统的柔性计算和应力校核，管道系统的柔性计算：计算管道系统连续外部载荷和热载荷产生的力和力矩。管道系统应力校核：指管道的应力计算和分析。管端受力和弯矩的计算也是管道柔度分析的重要组成部分，便于检查作用在管端设备上的载荷，评估对管端设备的影响。由于管道系统结构复杂，人工计算工作量大，目前一般采用计算机程序进行计算。对于一些没有支撑约束的管道系统，如果满足以下条件，管道系统的柔性计算和应力检查：其中：管道系统与热膨胀相结合；管道系统的实际总长度；u固定支架之间的直线距离。此外，不需要知道管端的细节，因此不能对管道系统进行柔性计算。管道系统的柔性计算和应力校核、力法和位移法以管道系统的剩余未知力为基本未知量，通过结构的变形协调条件获得剩余未知力。管道系统的柔性计算和应力校核、力法和位移法释放了右侧空间两点管道系统的b端，并用支撑反力代替。由于空间有六个自由度，三个坐标方向和三个绕轴旋转的方向，根据以前平面问题的解，可以列出六个方程，或者把方程写成矩阵形式，如下所示：FPB=D矩阵展开式有：管道系统的灵活计算和应力检查，请注意矩阵D中的位移。如果包括由每个已知外力引起的位移和由热膨胀引起的位移，则可以获得由这些外力引起的轴承反作用力和点B处的温度变化，管道系统的柔性计算和应力检查，并且力法和位移法可以通过在更复杂的管道系统的分叉点处将其分离来解决，例如右侧的三支点管道系统和下一页的四支点管道系统。如右图所示，通过划分三个分支得到三个方程。因为分叉点处的位移dc是未知的，但是三个分支在分叉点处的合力等于零。作为约束条件，这三个方程可以简化为两个方程。最后两个方程，每一个是6个方程，产生12个基本方程，即12元基本方程。管道系统的灵活计算和应力检查、力法和位移法将更复杂的问题分开，如分叉点、支架、法兰、阀门、三通、四通等。并用未知的力量代替它们。每个分离的管段中间没有上述各种部件，并列出它们的方程式。然后，根据在分离点建立的每个未知力的平衡方程作为补充方程，建立与未知力数量相同的方程并求解。位移法以独立节点的位移(线性位移和角位移)为基本未知量，求解分离点处的未知位移。上述三个支点图的独立节点为C；四点图的独立节点为t、v。方程组可由三点图得到：方程组可由四点图得到：管道系统的柔度计算和应力校核，等效刚度法也被认为是一个没有热膨胀和重量但有一定刚度的分支。管道系统的柔性计算和应力检查(如图所示)指定一个管端作为起始端，另一个管端作为末端。从两端开始，相邻的两个分支合并成一个分支。合成分支的刚度相当于原实两个分支的刚度，分支点的位移等于管道实分支点的位移。然后，将合成的分支及其相邻的分支按照相同的原理进行组合，分支点一个接一个地向起始端方向组合，最后将整个树枝状管道组合成起始端具有等效刚度的单个分支管道。获得单支管道的始端作用力后，将分支点逐一分解回来，计算出每