压力管道应力分析

1、第二章压力管强度和应力分析、杨玉芬、一、压力管应力分析的目的和意义、一、压力管安全运行意义重大的完整技术装置，只有通过管道连接工艺所需的各种机械设备才能进行正常生产。 另外，工艺装置能否长期安全生产，是否有足够的寿命也与管道设计的好坏密切相关。 因此，管道设计是工业生产装置不可缺少的重要组成部分，我们必须高度重视。 我们讨论的压力管路是压力管路的安全管理和监察规定范围内的管路，管路中通常有高温(或超低温)、高压、易燃、易爆炸、有毒等危险性高的介质。 因此，压力管道发生安全事故，就会造成严重的经济损失和人员伤亡，这些在国内外都有很多经验和教训。 要保障压力管的安全运行，首先要用合理的设计来保障管

2、的强度。 2、管路所承受的负荷复杂地作用于管路上的负荷，(1)管内介质产生的压力介质产生的压力主要在管路上产生使环方向的管径增大或缩小的变形，这也是管路自身破裂的主要影响因素。 同时，介质的压力在前端的轴方向上作用时，管道上产生轴方向的拉伸(压缩)应力，产生部分附加载荷。 厚壁管道还会产生径向载荷。 (2)管的重量(自身、介质、保温层)高压、大径钢管的重量(自身、介质、保温层)不可忽视。 管的重量在水平配置的管上产生像梁一样的变形，在垂直配置的管上产生压缩应力，压曲破坏变得困难。 (3)零件的重量(4)支撑吊材产生的支撑反作用力、(5)风力、地震产生的载荷(6)配管温度变化产生的温度差应力(7

3、)配管安装产生的约束力(8)设备变形和位移产生的对配管的附加载荷(9)以外，介质在管内的流动产生的各种动态载荷、3、性质不同的载荷对配管安全带来的影响随着配管内的介质压力的增加，配管壁的应力水平变大，到被破坏为止，该状态随着被称为没有应力的(2)管内温度的增加，由于存在约束，管壁的应力水平也变大，但是在达到一定程度时，材料屈服时，温度差引起的应力逐渐变大不同性质的载荷，由于管道上产生的应力对管道安全的影响不同，所以必须根据不同类型的载荷采用不同的强度条件，才能在保障安全的基础上，尽可能提高管道运行的经济性。 对于压力管，介质内压是最主要的载荷，也是计算管强度的主要依据。 4、压力管应力分析的目

4、的压力管的设计应该适应介质的压力、温度和介质的操作条件，设计的核心问题是研究压力管在外载荷下有效抵抗变形和破坏的能力，即处理强度、刚性和稳定性的问题，以保证压力管的安全性和经济性。 因此对压力管进行了充分的载荷和应力、应力和变形分析，构成了压力管设计的重要理论基础。 二、压力管的应力分析，一、载荷的分类(一)作用时间部分：持续载荷介质压力、重量、反作用力、热应力、残馀应力等瞬间载荷暂时作用于管路的载荷、风载荷、地震载荷等(二)作用性质部分：静载荷缓慢、没有振动，使管路不产生显着的运动的载荷动态载荷管路振动、压力冲击、 在管路的强度设计中，主要考虑的载荷是介质内压、自重、反作用力、附加位移等，介

5、质内压是强度计算的最主要依据。2、应力分类(1)应力概念和管道断裂应力的基本定义是指，构件单位面积上的内力一般随着外载荷的增大而增大，但各材料受应力的能力有限，称为强度极限，应力值达到或超过材料极限时，材料过度变形(2)应力分类压力管的应力分类依据是应力对管强度破坏作用的大小。 该作用取决于a、应力产生的原因，即应力直接产生、变形协调过程中产生、机械载荷还是热载荷这两个因素，b、应力的作用区域和分布形式，即应力的作用是沿着整体范围还是局部范围的厚度的分布是均匀的还是非线性的。 目前，比较常见的应力分类方法将压力管内的应力分为一次应力、二次应力、峰应力三种。 1 )一次应力(p )一次应力是平衡

6、机械载荷所需的应力。 一次应力必须满足外载荷和内力和内力的静力平衡关系，随着外载荷的增加而增加，不会达到材料的屈服点而自己限制，因此一次应力的基本特征是“非自制心”。 例如，配管介质的压力、支承反作用力、集中负荷等。 另外，一次应力超过屈服点的话，整个管路会发生显着的变形和破坏，对管路的破坏和破坏产生最大的影响。 一次应力是指以下三个： a一次薄膜应力Pm一次薄膜应力，是在厚度方向上均匀分布的应力，等于厚度方向的应力的平均值。 一次总的薄膜应力达到材料的屈服点意味着管在总范围内屈服，应力不再分布，导致直接破坏。 b一次弯曲应力Pb一次弯曲应力是指沿厚度直线分布的应力。 内面和外面大小相等，方向

7、相反。 该应力达到屈服极限时，只有表面屈服，如果持续增加载荷，屈服就会变深，破坏到最后，因此破坏时的应力比一次整体的薄膜应力大。 例如，风荷载在管壁上产生的轴向弯曲应力。 c一次局部薄膜应力(Pl )一次局部薄膜应力，在结构不连续部分，由内压或其他机械负荷引起的薄膜应力和由结构不连续效应引起的薄膜应力统称为一次局部薄膜应力。 这种应力只会引起局部屈服，如管道和设备的焊接部或凸缘和管道的连接部。 2 )二次应力(q )二次应力是指相邻零件的约束和结构的自约束引起的应力。 二次应力不是由外载荷直接产生的，其作用不能平衡外载荷，而是在结构受到载荷时变形调和，从而缓和应力。 一般压力管中产生的二次应力

8、主要考虑热膨胀收缩和位移受到限制而产生的应力。 通常称为热膨胀二次应力。 二次应力的特征是自我限制性。 3 )峰应力f峰应力是载荷、结构形状突变引起的局部应力集中的最高应力值，有可能引起疲劳破坏和脆性破坏。 3、受压管路中的应力分布(1)管壁中的应力状态是受到内(外)压力作用的管路器壁，由于管路几何形状的轴对称性可能产生的主应力是z、r。 当管壁的厚度比管径小时，半径方向的压缩应力r可以忽略，但管壁内只有两个方向的主应力，称为双向应力状态或平面应力状态，相反，称为三向应力状态或平面应力状态，(2)薄壁管和厚壁管的管外径/内径为1.2时，管称为薄壁管，应力状态相反，称为厚壁管，应力分布为三向应力

9、状态或平面应变状态。(3)三向应力的计算式(GB 50316 )=PDN/2 tez=PD N2/4te (dnte ) r=-p/2式： p介质内压MPa Dn管的内径mm te管的有效(当量)壁厚mm (4)其他载荷在管壁上产生的应力主要是管的轴向管重量(自身零件重量分支吊架产生的反作用力风力、地震引起的负荷管温度变化引起的温度差应力管的安装引起的约束力机器的变形和位移在管产生的附加负荷、三、一般压力管应力容许值的限定1、材料的极限值屈服极限s、破坏极限b、蠕变极限d、疲劳极限等n 2、安全系数ns=1.5、nb=3 3 容许应力=min s/ns，b/nb容许应力是在考虑各种可能因素的情

10、况下人为指定的应力容许上限，一般从调查表中获得。 4、故障基准故障基准是指判断构件是否故障时适用的最高应力限制，通常的公式max此公式也称为强度条件，(1)一次应力的强度条件是根据一次应力的极限载荷基准来规定容许应力值，这是防止结构过度变形的基准。 一般来说，进行以下两个管理：1)配管为工作条件，内压换算应力的管理在配管器壁上产生的主应力，在环方向、轴向、径向的强度条件被称为最大当量应力为材料的工作温度下的基本容许应力e t中的： e内压换算应力或当量应力t进行操作的情况下，配管器壁配管在工作条件下，内压轴方向应力和持续的外负荷的管理轴方向应力除了内压外，管重量、部件重量、支承反作用力等外负荷

11、也在轴方向上弯曲应力和内压轴方向应力重叠。 强度条件是，最大当量应力不超过材料工作温度下的基本允许应力ZLT的公式，在将环应力作为最大应力进行强度设计后，还必须验证与环应力垂直的方向的轴方向应力是否满足要求，因此，轴方向应力复杂。 (2)二次应力的强度条件二次应力引起的破坏是重复负荷和冷热交换作用引起的疲劳破坏，根据稳定性标准规定容许应力值是防止结构反复正反方向屈服变形的标准。 限制这种应力不是限制某一时期的应力水平，而是控制其交替循环的次数。 强度条件为，产生内压和持续外载荷的一次、二次应力e: e 1.25 f ( t )单独计算热膨胀二次应力e : e f (1.25 0.25t )，在

12、考虑轴向载荷的情况下，单独计算热膨胀二次应力e : e f1.25 ( t )-zhl。 (p3 )、四、压力管的强度计算、1、受到内压的管的强度分析受到内压的管内的任意点处的应力状态为1=PDN/2te2=z=PD N2/4te (dnte )3=r=-p/2式： p介质内压MPa Dn管的内径mm te管的有效(当量壁厚mm 2.管壁厚计算(GB 50316) (1)管壁厚ts受到内压的管壁厚计算式： ts=PD0/(2tEj PY )式： ts管的壁厚计算，mm； p管的设计压力MPa D0管的外径、mm Ej焊接接头系数t管材料在设计温度下的容许应力、MPa。 关于考虑y温差应力影响的

13、系数，(2)管设计壁厚tsd在工程上需要考虑强度削弱因素tsd=ts C式： tsd管设计壁厚，mm； c壁厚要留有馀量，mm. (3)管名义厚度tn tn tsd和材料标准的厚度要舍入到3，设计参数的确定ts=PD0/(2tEj PY) (1)设计压力P(GB 50316，P13 )设计压力必须在操作条件最严格时的压力以上。(2)设计温度原则上是设计温度为配管器壁温度，实际设计中以介质的操作温度为设计温度，ts=PD0/(2tEj PY) (3)容许应力t (GB 50316 P102 )容许应力的选择有四个方面的要素：材料、使用状态、厚度范围、设计温度(4) 焊接接头系数Ej(GB 503

14、16，P21) Ej 1.0 (5)系数Y (GB 50316，p44)tsd0/6、设计温度482时，配管常用材料Y=0.4、(6)壁厚附加量C(P35) C=C1 C2式： C1管壁厚负偏差、弯管减壁量的附加值c1的大小是与材料、壁厚及管等级相关的C2管的腐蚀、磨损减壁量的附加值、mm。 C2的大小与介质有关，腐蚀不严重时，一面取1-1.5，两面取2-3，根据腐蚀速度和设计寿命计算，练习： 1，名词解释(1)一次应力是平衡机械负荷所需的应力。 一次应力必须满足外载荷和内力和内力的静力平衡关系，随外载荷的增加而增加，不会因达到材料的屈服点而自行限制。 (2)容许应力容许应力是在考虑各种可能性

15、的情况下人为指定的应力容许上限。 数值是材料的强度极限除以安全系数所得。 (3)设计压力设计压力应大于或等于操作条件最苛刻时的压力。 (4)设计温度原则上应该是配管器的壁温度，实际设计中以介质的操作温度为设计温度，(5)壁厚附加量C1配管的壁厚负偏差、弯管减壁量的附加价值、C2配管的腐蚀、磨损减壁量的附加价值，(6)将名义厚度tn tsd四舍五入到材料标准规格的厚度，2、解答(答案) 二次应力是由热应力和变形约束而产生的应力，将结构受到载荷时通过变形协调而缓和应力的现象称为应力的自约束性。 (2)引起管道一次应力和二次应力的静载荷，其特性有什么差异？在哪里表现？一次应力是外载荷作用于管道所产生

16、的内力，随着外载荷的增加而增加，二次应力是热应力和变形约束所产生的应力，其特征是有界限。 3、计算问题(1)某单位设计压力为1.6 MPa，设计温度为100，使用钢板进行直缝卷焊的630钢管，使用Q235热轧钢板进行双面焊接，焊接进行20%放射线检查，腐蚀附加量为2.0 mm，计算钢板的厚度。 (注： Q235 t=113 MPa )，解： ts=PD0/2 (t Ej PY )其中，P=1.6 MPa D0=630 mm t=100材料Q235热轧状态100、假想厚度范围3-16 mm、t=113 MPa， 双面焊接进行20%放射线检测Ej=0.85 Y=0.4 (100482 )，代入式ts=PD0/2(tjpy ) ts=1.6* 630/(2* 113 *0. 851.6 *0.4)=5.2mmd0/6=630/6=1055.2 (2)已知管内设计压力为12MPa，管外径为273 m