压力管道的强度计算...docx

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1、压力管道的强度计算.压力管道的强度计算1承受内压管子的强度分析根据应力分类，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毁坏。承受内压的管子，管壁上任一点的应力状态能够用3个相互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，材料的毁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

2、式，可得理论壁厚公式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，仅是根据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，因而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。因而，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

3、构造、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，=10；对单面焊接的螺旋线钢管，=06；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=10；局部无损检测=0S5。单面焊的对接焊缝，沿焊缝根部全长具有垫板：100无损检测=09；局部无损检测=08；(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，m

4、m。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21。2假如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810，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810时，内压引起的环向应力比直管约大5。在此情

5、况下，工程上一般将弯管与直管取一样的理论壁厚，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55mm及下面时，C1=05mm；壁厚为7mm及下面时，C1=06mm；壁厚为25mm及下面时，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005mma(年)时，单面腐蚀取C2=115mm，双面腐蚀取C2=225mm。当管子外面涂防腐油漆时，可以为是单面腐蚀，当管子内外壁均有较严

6、重腐蚀时，则以为是双面腐蚀。当介质对管子材料腐蚀速率大于005mma时，则应根据腐蚀速度和使用年限决定C2值。3弯管壁厚计算弯管在承受内压时，若弯管各点壁厚一样，且无椭圆效应，则弯管内侧应力最大，外侧最小，弯管毁坏应发生在内侧。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一样，没有变化。因而，计算弯制弯管的管

7、子理论壁厚公式为图22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(21)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，易构成纵向裂纹(见图23)。Tu越大，产生的局部应力也越大。到达

8、一定值后，将使弯管承载能力降低而导致毁坏。因而，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GB5023597（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P10MPa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。44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24。由于三通处曲率半径发生忽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)，或采用的取值范围在10515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35Dw，高度一般取为17Dw。5异径管壁厚计算对图25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12。采用图25所示构造时，不得大于30，设1=，则1与P(t)相对应的值不得超过表22所列数值，中间值可用插值法求取。