压力管道的强度计算

1、.word 格式 .压力管道的强度计算1 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 21，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zr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

2、应力与最小主应力之差 ， 故强度条件为e=- r 专业资料 . 学习参考.word 格式 .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 管子壁厚计算专业资料 . 学习参考.word 格式 .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

3、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专业资料 . 学习参考.word 格式 .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=S l+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

4、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=C 1 +C 2 (2-4)专业资料 . 学习参考.word 格式 .式中 ：C1 管子壁厚负偏差 、弯管减薄量的附加值 ，

5、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 2 1 普通钢管厚度负偏差 值 2钢管种类壁厚(mm)负偏差 %普通高级碳素钢和低 201512.5合金钢2012.510不锈钢 1010-20152012.515专业资料 . 学习参考.word 格式 .如果需

6、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

7、 。这时的 C1 值可按下列数据采用 ：壁厚为 55mm 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=08mm ；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 15mm ，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专业资料 . 学习参考.word 格式 .年限决定 C2值 。3

8、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 22，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专业资料 . 学习参考.w

9、ord 格式 .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 。专业资料 . 学习参考.word 格式 .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 (27)，则可得目前 ，工程上一般都采用式 (28)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

10、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 23)。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 10MPa 的钢管 Tu 不超过 8。 4专业资料 . 学习参考.word 格式 .4 焊制三通壁厚计算在管道工程中 ，常要用到

11、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 67 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专业资料 . 学习参考专业资料 . 学习参考.word 格式 .专业资料 . 学习参考.word 格式 .图 2 3 弯管处不圆情况图 2 4 三通.word 格式 .式中 ： Slz 主管理论计算壁厚 ， mm ；强度削弱系数

12、 ，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 08，主管 外径与内径之比的取值范围在 1 05 5 1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 35D w，高度一般取为 17D w专业资料 . 学习参考.word 格式 .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

13、 ；Dn 最小壁厚处内径 ，mm ； 圆锥顶角的 1 2。采用图 25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 2 2专业资料 . 学习参考专业资料 . 学习参考.word 格式 .图 2 5 异径管.word 格式 .6 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 ANSI B313 和我国化工行业标准所规定的计算方法 。571）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 ：专业资料 . 学习参考.word 格式 .图 2 6 多节斜接弯头式中 ：R1 弯曲半径 ，m