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压力管道应力分析第1页，共96页，编辑于2022年，星期五一、压力管道应力分析的目的和意义1 1、压力管道的安全运行意义重大、压力管道的安全运行意义重大一套完整的工艺装置，只有通过管道按照流一套完整的工艺装置，只有通过管道按照流程需要将工艺过程所必须的各种机械装备加程需要将工艺过程所必须的各种机械装备加以连接才能进行正常的生产。以连接才能进行正常的生产。另外，工艺装置能否长期安全生产和具有足另外，工艺装置能否长期安全生产和具有足够的使用寿命也与管道设计的好坏密切相关。够的使用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，我们必须给予高度的重视。重要组成部分，我们必须给予高度的重视。第2页，共96页，编辑于2022年，星期五我们所讨论的压力管道是指压力管道安全我们所讨论的压力管道是指压力管道安全管理与监察规定限定范围内的管道，管道管理与监察规定限定范围内的管道，管道中通常都是高温（或超低温）、高压、易燃、中通常都是高温（或超低温）、高压、易燃、易爆、有毒等危险性较大的介质。易爆、有毒等危险性较大的介质。因此，压力管道一旦发生安全事故，都会造因此，压力管道一旦发生安全事故，都会造成严重的经济损失和人员的伤亡，这些在国成严重的经济损失和人员的伤亡，这些在国内外都一有了大量的经验和教训。内外都一有了大量的经验和教训。保障压力管道的安全运行，首先要通过合理保障压力管道的安全运行，首先要通过合理的设计保障管道的强度。的设计保障管道的强度。第3页，共96页，编辑于2022年，星期五2 2、管道所承受的载荷复杂、管道所承受的载荷复杂作用于管道的载荷有：作用于管道的载荷有：（1 1）管内介质产生的压力）管内介质产生的压力介质产生的压力主要在管子中产生环向介质产生的压力主要在管子中产生环向的使管子直径增大或缩小的变形，这也的使管子直径增大或缩小的变形，这也是管子本身发生破裂的主要影响因素。是管子本身发生破裂的主要影响因素。同时，介质的压力在远端轴向还会在管同时，介质的压力在远端轴向还会在管子中产生轴向拉（压）应力而引起某些子中产生轴向拉（压）应力而引起某些附加载荷。附加载荷。对于厚壁管，还会产生沿半径方向的载对于厚壁管，还会产生沿半径方向的载荷。荷。第4页，共96页，编辑于2022年，星期五（2 2）管子重量（自身、介质、保温层）管子重量（自身、介质、保温层）高压、大直径钢管的重量（自身、介质、高压、大直径钢管的重量（自身、介质、保温层）不容忽视。保温层）不容忽视。管子重量在水平布置的接管中产生类似管子重量在水平布置的接管中产生类似于梁的变形，而在竖直布置的接管中产于梁的变形，而在竖直布置的接管中产生压应力，困难造成失稳破坏。生压应力，困难造成失稳破坏。（3 3）零部件的重量）零部件的重量（4 4）支吊架产生的支反力）支吊架产生的支反力第5页，共96页，编辑于2022年，星期五（5 5）风力、地震产生的载荷）风力、地震产生的载荷（6 6）管道温度变化所产生的温差应力）管道温度变化所产生的温差应力（7 7）管道安装所产生的约束力）管道安装所产生的约束力（8 8）设备的变形或位移在管道上产生的）设备的变形或位移在管道上产生的附加载荷附加载荷（9 9）此外，还有介质在管内的流动所引）此外，还有介质在管内的流动所引起的各种动载荷起的各种动载荷第6页，共96页，编辑于2022年，星期五3 3、不同性质的载荷对管道安全的影响有很大、不同性质的载荷对管道安全的影响有很大差别差别例如：例如：（1 1）随着管内介质压力的增加，管壁的应力水）随着管内介质压力的增加，管壁的应力水平会不断加大，直至破坏，这种状态称为应力平会不断加大，直至破坏，这种状态称为应力没有自限性。没有自限性。（2 2）随着管内温度增加，由于有约束存在，）随着管内温度增加，由于有约束存在，管壁的应力水平也会加大，但当达到一定程管壁的应力水平也会加大，但当达到一定程度时，如材料屈服，由温差产生的应力会逐度时，如材料屈服，由温差产生的应力会逐渐降下来，这种性质成为应力具有自限性。渐降下来，这种性质成为应力具有自限性。第7页，共96页，编辑于2022年，星期五不同性质的载荷，在管道中所产生的应力对管不同性质的载荷，在管道中所产生的应力对管道安全的影响不同，因此，要根据不同类型的道安全的影响不同，因此，要根据不同类型的载荷采用不同的强度条件，才能在保障安全的载荷采用不同的强度条件，才能在保障安全的前提下，尽可能的提高管道运行的经济性。前提下，尽可能的提高管道运行的经济性。对于压力管道，介质的内压是最主要的载对于压力管道，介质的内压是最主要的载荷，也是管道强度计算的主要依据荷，也是管道强度计算的主要依据。第8页，共96页，编辑于2022年，星期五4、压力管道应力分析的目的、压力管道应力分析的目的 压力管道的设计压力管道的设计应应能够适应介质的压力、温能够适应介质的压力、温度和介质的操作条件，设计的核心问题是研究压力度和介质的操作条件，设计的核心问题是研究压力管道在外载荷作用下，有效地抵抗变形和破坏的能管道在外载荷作用下，有效地抵抗变形和破坏的能力，即处理强度、刚度和稳定性问题，保证压力管力，即处理强度、刚度和稳定性问题，保证压力管道的道的安全性和经济性。安全性和经济性。因此，对压力管道进行较为充分的载荷和因此，对压力管道进行较为充分的载荷和应力、应力与变形分析，构成了压力管道设计应力、应力与变形分析，构成了压力管道设计的重要理论基础。的重要理论基础。第9页，共96页，编辑于2022年，星期五二、压力管道应力分析1 1、载荷的分类、载荷的分类 （1 1）根据作用时间分：）根据作用时间分：持续载荷持续载荷介质压力、重量、支反力、热应力、残余应力等介质压力、重量、支反力、热应力、残余应力等瞬间载荷瞬间载荷临时作用于管道的载荷，临时作用于管道的载荷，风载荷、地震载荷等风载荷、地震载荷等第10页，共96页，编辑于2022年，星期五（2 2）根据作用性质分：）根据作用性质分：静载荷静载荷缓慢、毫无振动的、使管道不产生显著运动缓慢、毫无振动的、使管道不产生显著运动的载荷的载荷动载荷动载荷管道振动、压力冲击、风，地震载荷等管道振动、压力冲击、风，地震载荷等第11页，共96页，编辑于2022年，星期五（3 3）载荷的自限性）载荷的自限性 自限性载荷是指由于结构变形自限性载荷是指由于结构变形协调过协调过程中程中所产生的载荷，例如：设备接管所产生的载荷，例如：设备接管处。处。在管道的强度设计中，主要考虑的载荷在管道的强度设计中，主要考虑的载荷有介质内压、自重、支反力，及附加有介质内压、自重、支反力，及附加位移等，介质内压是强度计算的最主位移等，介质内压是强度计算的最主要的依据。要的依据。第12页，共96页，编辑于2022年，星期五2 2、应力分类、应力分类（1 1）应力的概念及管道的破坏）应力的概念及管道的破坏 应力的基本定义是指构件单位面积上所承应力的基本定义是指构件单位面积上所承受的受的内力内力 一般来说，应力的值随外载荷增大而增大，一般来说，应力的值随外载荷增大而增大，而各种材料对应力的承受能力有一个极限，而各种材料对应力的承受能力有一个极限，称为强度极限，当应力的值达到或超过材料称为强度极限，当应力的值达到或超过材料的极限时，材料就可能发生诸如过度变形、的极限时，材料就可能发生诸如过度变形、开裂、断裂、失稳等现象，称为失效或破坏。开裂、断裂、失稳等现象，称为失效或破坏。第13页，共96页，编辑于2022年，星期五（2 2）应力分类）应力分类 压力管道应力分类的依据是应力对管压力管道应力分类的依据是应力对管道强度破坏所起作用的大小。道强度破坏所起作用的大小。这种作用又取决于下列两个因素：这种作用又取决于下列两个因素：A A、应力产生的原因、应力产生的原因 即应力是外载荷直接产生的还是在变形即应力是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的协调过程中产生的外载荷是机械载荷还是热载荷；外载荷是机械载荷还是热载荷；第14页，共96页，编辑于2022年，星期五B B、应力的作用区域和分布形式、应力的作用区域和分布形式即应力的作用是总体范围还是局部范围的即应力的作用是总体范围还是局部范围的沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性的。的。目前，比较通用的应力分类方法是将压力管目前，比较通用的应力分类方法是将压力管道中的应力分为三大类：道中的应力分为三大类：一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力、二次应力和峰值应力。第15页，共96页，编辑于2022年，星期五1）一次应力（）一次应力（P）一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力。应力。一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系，它随外载荷的增加而增加，静力平衡关系，它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，所以，不会因达到材料的屈服点而自行限制，所以，一次应力的基本特征是一次应力的基本特征是“非自限性非自限性”。如：管道介质压力、支反力、集中载荷等。如：管道介质压力、支反力、集中载荷等。第16页，共96页，编辑于2022年，星期五另外，当一次应力超过屈服点时将引起管道另外，当一次应力超过屈服点时将引起管道总体范围内的显著变形或破坏，对管道的失总体范围内的显著变形或破坏，对管道的失效及破坏影响最大。效及破坏影响最大。一次应力还可分为以下三种一次应力还可分为以下三种:a一次总体薄膜应力一次总体薄膜应力 Pm一次总体薄膜应力是指沿厚度方向均匀分布一次总体薄膜应力是指沿厚度方向均匀分布的应力，等于沿厚度方向的应力平均值。的应力，等于沿厚度方向的应力平均值。一次总体薄膜应力达到材料的屈服点就意味一次总体薄膜应力达到材料的屈服点就意味着管道在整体范围内发生屈服，应力不重新着管道在整体范围内发生屈服，应力不重新分布，而是直接导致破坏。分布，而是直接导致破坏。第17页，共96页，编辑于2022年，星期五b一次弯曲应力一次弯曲应力Pb一次弯曲应力是指沿厚度线性分布的应力。一次弯曲应力是指沿厚度线性分布的应力。它在内、外表面上大小相等、方向相反。它在内、外表面上大小相等、方向相反。这种应力在达到屈服极限时，只是表面屈服，这种应力在达到屈服极限时，只是表面屈服，如果继续增加载荷，则屈服加深，直至最后如果继续增加载荷，则屈服加深，直至最后破坏，因此其破坏时的应力大于一次总体薄破坏，因此其破坏时的应力大于一次总体薄膜应力。膜应力。如：风载荷在管壁产生的轴向弯曲应力。如：风载荷在管壁产生的轴向弯曲应力。第18页，共96页，编辑于2022年，星期五c c一次局部薄膜应力（一次局部薄膜应力（P Pl l）一次局部薄膜应力是在结构不连续区由内压一次局部薄膜应力是在结构不连续区由内压或其他机械载荷产的薄膜应力和结构不连续或其他机械载荷产的薄膜应力和结构不连续效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄膜应效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄膜应力。力。这种应力只引起局部屈服这种应力只引起局部屈服如管子与设备的焊接处或法兰盘与管子的连如管子与设备的焊接处或法兰盘与管子的连接处。接处。第19页，共96页，编辑于2022年，星期五2）二次应力）二次应力(Q)二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的应力。身约束所引起的应力。二次应力不是由外载荷直接产生的，其作用二次应力不是由外载荷直接产生的，其作用不是为平衡外载荷，而是结构在受载时变形不是为平衡外载荷，而是结构在受载时变形协调而使应力得到缓解协调而使应力得到缓解。一般压力管道上所产生的二次应力，主要是一般压力管道上所产生的二次应力，主要是考虑由于热胀冷缩以及位移受到约束所产生考虑由于热胀冷缩以及位移受到约束所产生的应力。通常称为热胀二次应力。的应力。通常称为热胀二次应力。二次应力的特点是自限性二次应力的特点是自限性。第20页，共96页，编辑于2022年，星期五3 3）峰值应力）峰值应力F F峰值应力是由于载荷、结构形状突变而引起峰值应力是由于载荷、结构形状突变而引起的局部应力集中的最高应力值的局部应力集中的最高应力值,是引起疲劳是引起疲劳破坏或脆性断裂的可能根源。破坏或脆性断裂的可能根源。第21页，共96页，编辑于2022年，星期五3 3、承压管道中的应力分布、承压管道中的应力分布（1 1）管壁中的应力状态）管壁中的应力状态 在承受内（外）压力作用的管道器壁中，在承受内（外）压力作用的管道器壁中，由于管道几何形状的轴对称性质，可能产生由于管道几何形状的轴对称性质，可能产生的主应力有的主应力有 、z z 、r r。当管壁的厚度与管直径相比较小时，在半径当管壁的厚度与管直径相比较小时，在半径方向的挤压应力方向的挤压应力r r可以忽略不计，管壁内可以忽略不计，管壁内只有两个方向的主应力，称为两向应力状态只有两个方向的主应力，称为两向应力状态或平面应力状态，反之，称为三向应力状态或平面应力状态，反之，称为三向应力状态或平面应力状态或平面应力状态第22页，共96页，编辑于2022年，星期五（2 2）薄壁管与厚壁管）薄壁管与厚壁管当管道外径当管道外径/内径内径 1.21.2时，时，管道称为薄壁管，管道称为薄壁管，应力分布为两向应力状态或平面应力状态。应力分布为两向应力状态或平面应力状态。反之称为厚壁管，应力分布为三向应力状态反之称为厚壁管，应力分布为三向应力状态或平面应变状态。或平面应变状态。第23页，共96页，编辑于2022年，星期五（3 3）三向应力的计算公式（）三向应力的计算公式（GB 50316)GB 50316)=PD=PDn n/2te /2te z z=PD=PDn n2 2/4te(D/4te(Dn n+te)+te)r r=-P/2=-P/2式中：式中：P P 介质内压介质内压 MPa MPa D Dn n 管子的内径管子的内径 mm mm te te 管子的有效管子的有效(当量）壁厚当量）壁厚 mm mm第24页，共96页，编辑于2022年，星期五（4 4）其他载荷在管壁中产生的应力主要在）其他载荷在管壁中产生的应力主要在管道的轴向管道的轴向管子重量（自身、介质、保温层）管子重量（自身、介质、保温层）零部件的重量零部件的重量支吊架产生的支反力支吊架产生的支反力风力、地震产生的载荷风力、地震产生的载荷管道温度变化所产生的温差应力管道温度变化所产生的温差应力管道安装所产生的约束力管道安装所产生的约束力设备的变形或位移在管道上产生的附加载荷设备的变形或位移在管道上产生的附加载荷第25页，共96页，编辑于2022年，星期五三、一般压力管道应力许用值的限定1 1、材料的极限值、材料的极限值 屈服极限屈服极限s s、断裂极限、断裂极限b b、蠕变极限、蠕变极限D D、疲劳极限等疲劳极限等n n2 2、安全系数、安全系数 n ns s=1.5=1.5、n nb b=3=33 3、许用应力、许用应力 =min =min s s/n/ns s 、b b/n/nb b 许用应力许用应力是在考虑了各种可能因素的情况下人是在考虑了各种可能因素的情况下人为指定的应力许用上限，一般由查表得到。为指定的应力许用上限，一般由查表得到。第26页，共96页，编辑于2022年，星期五4 4、失效准则、失效准则失效准则是指在判断构件是否失效时所应用的失效准则是指在判断构件是否失效时所应用的最高应力限制，通常的表达式为：最高应力限制，通常的表达式为：max max 该式也称为强度条件该式也称为强度条件第27页，共96页，编辑于2022年，星期五（1 1）一次应力的强度条件）一次应力的强度条件 对于一次应力，根据极限载荷准则来对于一次应力，根据极限载荷准则来规定其许用应力值，这是一个防止结构过规定其许用应力值，这是一个防止结构过度变形的准则。度变形的准则。一般进行下列两项验算：一般进行下列两项验算：第28页，共96页，编辑于2022年，星期五1）管道在工作条件下，内压折算应力的验算内压在管道器壁上产生的主应力分别为：环向、轴向、径向强度条件为，最大当量应力不超过材料在工作温度下的基本许用应力 e t 其中:e 内压折算应力或叫当量应力 t 操作时，管道器壁的温度第29页，共96页，编辑于2022年，星期五2）管道在工作条件下，内压轴向应力和持续外载荷的验算轴向应力 除了内压外，外载荷如管道重量、部件重量、支反力也会在轴向产生弯曲应力与内压轴向应力叠加。强度条件为，最大当量应力不超过材料在工作温度下的基本许用应力 zhl t 该公式的含义为：当以环向应力作为最大应力进行强度设计后，还应校核与环向应力垂直方向上的轴向应力是否满足要求，因轴向应力复杂。第30页，共96页，编辑于2022年，星期五（2 2）二次应力的强度条件）二次应力的强度条件 二次应力产生的破坏，是在反复加载及二次应力产生的破坏，是在反复加载及冷热交换作用下引起的疲劳破坏，根据安定冷热交换作用下引起的疲劳破坏，根据安定性准则来规定其许用应力值，这是一个防止性准则来规定其许用应力值，这是一个防止结构反复发生正反方向屈服变形的准则。结构反复发生正反方向屈服变形的准则。对这类应力限定，并不是限定一个时期对这类应力限定，并不是限定一个时期的应力水平，而是控制其交变循环次数的应力水平，而是控制其交变循环次数第31页，共96页，编辑于2022年，星期五强度条件为：强度条件为：内压和持续外载荷产生的一次、二次内压和持续外载荷产生的一次、二次应力应力e e：e e 1.25 f(+1.25 f(+t t)单独计算热胀二次单独计算热胀二次应力应力e e ：e e f(1.25+0.25 f(1.25+0.25t t)考虑轴向载荷时，单独计算热胀二次考虑轴向载荷时，单独计算热胀二次应力应力e e ：e e f1.25(+f1.25(+t t)-)-zhlzhl 其中：其中：f f为修正系数。（为修正系数。（p33)p33)第32页，共96页，编辑于2022年，星期五四、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 承受内压管子，管内任一点上的应力承受内压管子，管内任一点上的应力状态可以用三个主应力来表示：状态可以用三个主应力来表示：1 1=PD=PDn n/2te /2te 2 2=z z=PD=PDn n2 2/4te(D/4te(Dn n+te)+te)3 3=r r=-P/2=-P/2式中：式中：P P 介质内压介质内压 MPa MPa D Dn n 管子的内径管子的内径 mm mm te te 管子的有效管子的有效(当量）壁厚当量）壁厚 mm mm第33页，共96页，编辑于2022年，星期五2 2、管子壁厚计算（、管子壁厚计算（GB 50316)GB 50316)（1 1）管子计算壁厚）管子计算壁厚tsts承受内压管子计算壁厚公式：承受内压管子计算壁厚公式：ts=PD ts=PD0 0/(2/(2t tE Ej j+PY)+PY)式中：式中：ts ts 管子的计算壁厚管子的计算壁厚,mm;,mm;P P 管子的设计压力管子的设计压力 MPa;MPa;D D0 0 管子的外径，管子的外径，mm;mm;E Ej j 焊接接头系数焊接接头系数;t t 管子材料在设计温度下的许用管子材料在设计温度下的许用 应力应力,MPa,MPa。Y Y 考虑温差应力影响的系数考虑温差应力影响的系数第34页，共96页，编辑于2022年，星期五（2 2）管子设计壁厚）管子设计壁厚t tsdsd 在工程上，需要考虑强度削弱因素在工程上，需要考虑强度削弱因素 t tsdsd=t=ts s+C +C 式中：式中：t tsd sd 管子的设计壁厚管子的设计壁厚,mm;,mm;C C 壁厚附加裕量壁厚附加裕量,mm.,mm.（3 3）管子的名义厚度）管子的名义厚度t tn n t tn n t tsdsd并向上圆整到材料标准规格并向上圆整到材料标准规格的厚度的厚度第35页，共96页，编辑于2022年，星期五3 3、设计参数的确定、设计参数的确定 ts=PDts=PD0 0/(2/(2t tE Ej j+PY)+PY)（1 1）设计压力）设计压力P P（GB 50316 GB 50316，P13)P13)设计压力应不小于操作条件最苛刻时的压设计压力应不小于操作条件最苛刻时的压力。力。（2 2）设计温度）设计温度原则上说，设计温度应为管道器壁温度，实原则上说，设计温度应为管道器壁温度，实际设计中以介质的操作温度作为设计温度际设计中以介质的操作温度作为设计温度第36页，共96页，编辑于2022年，星期五ts=PDts=PD0 0/(2/(2t tE Ej j+PY)+PY)（3 3）许用应力）许用应力t t（GB 50316 GB 50316，P102)P102)许用应力的选取要考虑四方面的因素许用应力的选取要考虑四方面的因素:材料、使用状态、厚度范围、设计温度材料、使用状态、厚度范围、设计温度（4 4）焊接接头系数）焊接接头系数E Ej j（GB 50316 GB 50316，P21)P21)E Ej j 1.0 1.0（5 5）系数）系数Y Y（GB 50316 GB 50316，P44)P44)当当 ts D ts D0 0/6 /6、设计温度、设计温度482482时时 对管道常用材料对管道常用材料 Y=0.4 Y=0.4 第37页，共96页，编辑于2022年，星期五（6 6）壁厚附加量）壁厚附加量C C（P35)P35)C=C C=C1 1+C+C2 2式中：式中：C C1 1 管子壁厚负偏差、弯管减薄量管子壁厚负偏差、弯管减薄量 的附加值，的附加值，mmmm。C C1 11 1的大小与材的大小与材 料、壁厚及管子级别有关料、壁厚及管子级别有关 C C2 2 管子腐蚀、磨损减薄量的附加管子腐蚀、磨损减薄量的附加 值，值，mm mm。C C2 2的大小与介质有关的大小与介质有关当腐蚀不严重时，单面取当腐蚀不严重时，单面取1-1.5,1-1.5,双面取双面取2-32-3否则，按腐蚀速率和设计寿命算否则，按腐蚀速率和设计寿命算第38页，共96页，编辑于2022年，星期五练习：练习：1 1、名词解释、名词解释（1）一次应力）一次应力一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力。一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力。一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的静一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系，它随外载荷的增加而增加，不会力平衡关系，它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。因达到材料的屈服点而自行限制。（2）许用应力）许用应力许用应力是在考虑了各种可能因素的情况下人许用应力是在考虑了各种可能因素的情况下人为指定的应力许用上限。为指定的应力许用上限。数值为材料的强度极限除以安全系数。数值为材料的强度极限除以安全系数。第39页，共96页，编辑于2022年，星期五（3）设计压力）设计压力设计压力应不小于操作条件最苛刻时的设计压力应不小于操作条件最苛刻时的压力。压力。（4）设计温度）设计温度原则上说，设计温度应为管道器壁温度，原则上说，设计温度应为管道器壁温度，实际设计中以介质的操作温度作为设计实际设计中以介质的操作温度作为设计温度温度第40页，共96页，编辑于2022年，星期五（5）壁厚附加量）壁厚附加量C1管子壁厚负偏差、弯管减薄量的附加管子壁厚负偏差、弯管减薄量的附加值，值，C2管子腐蚀、磨损减薄量的附加值，管子腐蚀、磨损减薄量的附加值，（6）名义厚度）名义厚度tn tsd并向上圆整到材料标准规格的并向上圆整到材料标准规格的厚度厚度第41页，共96页，编辑于2022年，星期五2、问答题、问答题（1）什么是应力的自限性？）什么是应力的自限性？二次应力是由于热应力或变形约束而产二次应力是由于热应力或变形约束而产生的应力，结构在受载时因变形协调而生的应力，结构在受载时因变形协调而使应力得到缓解，这种现象称为应力的使应力得到缓解，这种现象称为应力的自限性。自限性。第42页，共96页，编辑于2022年，星期五（2）引起管道一次应力和二次应力的）引起管道一次应力和二次应力的静载荷，其特性有什么不同？表现在什静载荷，其特性有什么不同？表现在什么地方？么地方？一次应力是由外载荷作用在管道上引起一次应力是由外载荷作用在管道上引起的内力，随外载荷的增加而增加，的内力，随外载荷的增加而增加，二次应力是由于热应力或变形约束而产二次应力是由于热应力或变形约束而产生的应力，特点为有自限性。生的应力，特点为有自限性。第43页，共96页，编辑于2022年，星期五3 3、计算题、计算题（1 1）某单位需要设计压力为）某单位需要设计压力为1.6 MPa,1.6 MPa,设设计温度为计温度为100100，用钢板直缝卷焊的，用钢板直缝卷焊的630630钢管，设计采用钢管，设计采用Q235Q235热轧钢板双面对接焊，热轧钢板双面对接焊，焊缝进行焊缝进行20%20%射线检测，腐蚀附加量射线检测，腐蚀附加量2.0 2.0 mm,mm,试计算钢板厚度。试计算钢板厚度。（注：注：Q235 Q235 t t =113 MPa=113 MPa）第44页，共96页，编辑于2022年，星期五解：解：ts=PDts=PD0 0/2(/2(t t Ej+PY)Ej+PY)其中：其中：P=1.6 MPa P=1.6 MPa D D0 0=630 mm=630 mm t=100 t=100材料材料Q235 Q235 热轧状态热轧状态 100 100、假定厚度、假定厚度范围范围3-16 mm,3-16 mm,t t =113 MPa =113 MPa 第45页，共96页，编辑于2022年，星期五双面对接焊，焊缝进行双面对接焊，焊缝进行20%20%射线检测射线检测 Ej=0.85 Ej=0.85 Y=0.4 (100482)Y=0.4 (1005.2 (YD0/6=630/6=1055.2 (Y满足条件）满足条件）C=C C=C1 1+C+C2 2 C C2 2=2 mm C=2 mm C1 1=0.5 mm=0.5 mm（p36)p36)C=2.5 mm C=2.5 mm tsd=5.2+2.5=7.7 mm tsd=5.2+2.5=7.7 mm答：可选用答：可选用tn=8mmtn=8mm的钢板。的钢板。第47页，共96页，编辑于2022年，星期五（2 2）已知管内设计压力为）已知管内设计压力为12MPa,12MPa,管子外管子外径为径为273 mm273 mm，为普通无缝钢管，管材工作，为普通无缝钢管，管材工作温度为温度为5050，在工作温度下的许用应力为在工作温度下的许用应力为113 MPa113 MPa，腐蚀附加量，腐蚀附加量1.0 mm,1.0 mm,求管子的计求管子的计算厚度。算厚度。第48页，共96页，编辑于2022年，星期五ts=PD0/2(ts=PD0/2(t t Ej+PY)Ej+PY)P=12 MPa P=12 MPa D0=273 mmD0=273 mmt t=113 MPa=113 MPa Ej=1Ej=1Y=0.4 Y=0.4（50 50 482 482 ）ts=12*273/(2*113*1+12*0.4)ts=12*273/(2*113*1+12*0.4)=14.2 mm =14.2 mm 第49页，共96页，编辑于2022年，星期五（3 3）已知）已知DN300DN300无缝钢管的外径为无缝钢管的外径为325 mm325 mm，管内设计压力为，管内设计压力为4.75 MPa,4.75 MPa,管材为普管材为普通低合金钢，设计温度为通低合金钢，设计温度为425 425，在设计在设计温度下的许用应力为温度下的许用应力为87 MPa87 MPa，腐蚀附加，腐蚀附加量量1.5 mm,1.5 mm,求管子的名义厚度。求管子的名义厚度。第50页，共96页，编辑于2022年，星期五ts=PD0/2(ts=PD0/2(t t Ej+PY)Ej+PY)P=4.75 MPa P=4.75 MPa D0=325 mmD0=325 mmt t=87 MPa=87 MPa Ej=1Ej=1Y=0.4(425Y=0.4(425 4828.78 D0/6=325/6=548.78 mmmm(Y(Y满足条件）满足条件）第51页，共96页，编辑于2022年，星期五C=CC=C1 1+C+C2 2C C2 2=1.5 mm =1.5 mm C C1 1=a/(100-a)*ts=a/(100-a)*ts =15*8.78/(100-15)=1.55 mm(p35)=15*8.78/(100-15)=1.55 mm(p35)C=3.05 mm C=3.05 mm tsd=8.78+3.05=11.83 mm tsd=8.78+3.05=11.83 mmtntn tsdtsd=11.83mm=11.83mm答：按答：按GB/T 8163GB/T 8163输送流体用无缝钢管输送流体用无缝钢管，可选用，可选用tn=12 mmtn=12 mm的钢板。的钢板。第52页，共96页，编辑于2022年，星期五4 4、弯管壁厚计算、弯管壁厚计算（1 1）计算壁厚）计算壁厚t tlwlw t tlwlw=t=ts s(1+D(1+D0 0/4R)/4R)t tlwlw=PD=PD0 0/2(/2(t tE Ej j+PY)(1+D+PY)(1+D0 0/4R)/4R)（2 2）设计壁厚和名义壁厚）设计壁厚和名义壁厚（3 3）弯管的不圆度弯管的不圆度TuTu限定限定 对于输送剧毒流体或对于输送剧毒流体或P10MPaP10MPa的钢管，的钢管，TuTu不超过不超过5%5%，其他，其他TuTu不超过不超过8%8%。第53页，共96页，编辑于2022年，星期五练习：练习：已知一热轧管的弯曲半径已知一热轧管的弯曲半径R=500 mmR=500 mm，管子外径管子外径D D0 0=159 mm=159 mm，设计温度为常温，设计温度为常温,普通碳素钢许用应力普通碳素钢许用应力t t=116 MPa=116 MPa，内压内压 P=10 MPa P=10 MPa，C2=1 mm,C2=1 mm,求弯管的求弯管的名义壁厚。名义壁厚。第54页，共96页，编辑于2022年，星期五 t tlwlw=t=ts s(1+D(1+D0 0/4*R)/4*R)t ts s=PD=PD0 0/2(/2(t tE Ej j+PY)+PY)解：解：t ts s=10*159/2*(116*1+10*0.4=10*159/2*(116*1+10*0.4）=6.63 mm =6.63 mm t tlwlw=t=ts s(1+D(1+D0 0/4*R)/4*R)=6.631+159/(4*500)=7.16 mm =6.631+159/(4*500)=7.16 mmC1=15*7.16/(100-15)=1.26 mmC1=15*7.16/(100-15)=1.26 mmC2=1 mmC2=1 mmC=C1+C2=2.26mmC=C1+C2=2.26mmT Tsdwsdw=ts+C=7.2+2.26 mm=9.46 mm=ts+C=7.2+2.26 mm=9.46 mm取管子的名义厚度为取管子的名义厚度为 10 mm.10 mm.第55页，共96页，编辑于2022年，星期五5 5、焊制三通管壁厚计算、焊制三通管壁厚计算（1 1）主管计算壁厚）主管计算壁厚 t tlzlz=PDPD0 0/2(/2(t t+P)+P)式中：式中：强度削弱系数强度削弱系数 对于单筋、蝶式等局部补对于单筋、蝶式等局部补强的三通，强的三通，=0.9=0.9。焊制三通管选用无缝钢管，否则要考虑焊接接焊制三通管选用无缝钢管，否则要考虑焊接接头系数。头系数。（2 2）三通支管的计算壁厚）三通支管的计算壁厚 t tldld=t=tlzlz d d0 0/D/D0 0 焊制三通长度一般为焊制三通长度一般为3.5D3.5D0 0 高度一般为高度一般为1.7 D1.7 D0 0 第56页，共96页，编辑于2022年，星期五五、压力管道的热应力分析1 1、热应力的概念、热应力的概念管道在温度发生变化时，会有热胀冷缩的现象。管道在温度发生变化时，会有热胀冷缩的现象。自由伸缩的管道不产生热应力自由伸缩的管道不产生热应力通常管道在设备间固定，变形受约束，当温度通常管道在设备间固定，变形受约束，当温度发生变化时，不能自由伸缩，管内将产生热应发生变化时，不能自由伸缩，管内将产生热应力，或称为温度应力力，或称为温度应力(温差应力）。温差应力）。热应力对管道的安全有很大的威胁，是设计中必须热应力对管道的安全有很大的威胁，是设计中必须考虑的问题。考虑的问题。第57页，共96页，编辑于2022年，星期五2 2、简单直管段热应力的计算、简单直管段热应力的计算设一直管段长设一直管段长L L，截面积为，截面积为A A，管材弹性，管材弹性模量为模量为E.E.管道按装温度为管道按装温度为T T0 0,工作温度为工作温度为T T1 1,T,T1 1TT0 0。管材的线膨胀系数为管材的线膨胀系数为，在非安装自由状态下，管子的伸缩为在非安装自由状态下，管子的伸缩为ll则有：则有：l=(Tl=(T1 1-T-T0 0)L)L第58页，共96页，编辑于2022年，星期五llt t=(T=(T1 1-T-T0 0)L)L实际的管段两端是固定的，伸缩为实际的管段两端是固定的，伸缩为0 0。此时在管壁中就产生了力！此时在管壁中就产生了力！力随温度升高而增大！力随温度升高而增大！可能产生两种效果：可能产生两种效果：（1 1）破坏管道的支撑）破坏管道的支撑（2 2）管子失稳破坏）管子失稳破坏第59页，共96页，编辑于2022年，星期五由于温度变化在由于温度变化在 管壁中产生的力可以通过管壁中产生的力可以通过轴向拉伸与压缩的计算方法来确定。轴向拉伸与压缩的计算方法来确定。假定轴受轴向压缩，压力为假定轴受轴向压缩，压力为P P，轴受力的面，轴受力的面积为积为A,A,长度为长度为L L，则轴截面中的应力为：，则轴截面中的应力为：=P/A=P/A 由胡克定律，由胡克定律，所产生的压缩变形为所产生的压缩变形为 l=l=*L/E=P*L/(A*E)L/E=P*L/(A*E)第60页，共96页，编辑于2022年，星期五管子的安装如管子的安装如p39p39图图为克服温差变形，在管内产生的载荷可以为克服温差变形，在管内产生的载荷可以借助下式计算借助下式计算 l l轴轴=PL/EA=PL/EA 令令ll温差温差=l=l轴轴则：则：(T (T1 1-T-T0 0)L=PL/EA)L=PL/EA 令：令：(T(T1 1-T-T0 0)=T)=T可以解出：可以解出：P=T EA P=T EA 而而温差温差=P/A=P/A称为温差应力称为温差应力,与温差大小和与温差大小和材料特性有关。材料特性有关。第61页，共96页，编辑于2022年，星期五管内的热应力为管内的热应力为 =P/A=P/A=T ET E管内的热应力在某些条件下会很大，如管内的热应力在某些条件下会很大，如P40P40管径为管径为159 mm159 mm，温度差为，温度差为100100时，管内产生时，管内产生的温差应力为的温差应力为244 MPa 244 MPa。3 3、实际管道的热应力计算、实际管道的热应力计算实际管道的热应力计算是一个超静定问题，实际管道的热应力计算是一个超静定问题，只能通过变形协调方程、物理方程或数值解只能通过变形协调方程、物理方程或数值解法得到近似解。法得到近似解。如：力法、位移法、有限元法等。如：力法、位移法、有限元法等。通常用计算机编程计算。通常用计算机编程计算。第62页，共96页，编辑于2022年，星期五六、管道的柔性及柔性设计六、管道的柔性及柔性设计1 1、管道的柔性、管道的柔性 温度变化时管道系统热胀的可能性称为管温度变化时管道系统热胀的可能性称为管系的柔