压力管道强度及应力分析.ppt

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压力管道强度及应力分析课件制作:

尹华杰压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v载荷的定义凡是引起结构产生变形的条件称为载荷v载荷的分类具有不同特征的载荷产生的应力状态，对破坏的影响不同，对载荷分类可以方便研究不同载荷对结构失效的影响压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v载荷的分类按载荷作用的时间长短分类v恒载荷持续作用于管道的载荷，如介质压力、支吊架反力、管道自重、热膨胀受约束产生的热负荷、应变自均衡产生的自拉力、残余应力等v活载荷临时作用于管道上的载荷，如风载荷、地震载荷等压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v载荷的分类按载荷是否随时间变化分类v静力载荷缓慢、无振动地加到管道上的载荷，大小和位置均与时间无关，或极为缓慢地变化，惯性力很小可略去不计的载荷。

本章内容涉及的载荷基本上是静力载荷v动力载荷随时间迅速变化的载荷，使管道产生显著的运动，必须考虑惯性力的影响。

如管道的振动、阀门突然关闭时的压力冲击、地震等压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v载荷的分类按载荷的作用性质分类v自限性载荷（属静力载荷）由于管道结构变形受约束所产生的载荷，不直接与外部载荷平衡，当管道材料塑性较好时，其最大值限定在一定范围内，不会无限制增大的载荷。

如管道温度变化产生的热载荷；结构曲率发生突变处附近的边缘应力等v非自限性载荷（属静力载荷）直接由外部作用的外力载荷。

如介质压力、管道自重等压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v载荷的分类管道计算时主要考虑的静力载荷v介质压力也称压力载荷v持续外载（或机械载荷）管道自重、支吊架反力和其它外载v位移载荷（或热负荷）热胀冷缩和端点附加位移压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v应力分类由于载荷性质不同，产生的应力性质也不同，它们对管道的破坏贡献不同。

应该对其分类，对于不同应力给予不同的限制条件，以充分发挥材料的性能，又保证安全生产压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v应力分类一次应力（P）一次应力是由于外载荷作用而在管道内部产生的正应力或剪应力，它满足与外力平衡的条件。

它的特征是非自限性的，始终随外载荷的增加而增加，最终达到破坏。

由于载荷性质不同，在管道内产生的应力分布也不同，一次应力又分为：

压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v应力分类一次应力（P）v一次总体薄膜应力（Pm）它是管道的基本应力，分布在整个管道上，在管道的截面上是均匀分布的。

如内压力引起的管道环向应力和轴向应力v一次弯曲应力（Pb）这个应力在管道的很大区域内分布，在管道截面上的分布是沿厚度变化的，呈线性分布。

这种应力达到屈服时，只是局部屈服，如果继续加载，应力在管道截面上的分布重新调整，允许比一次总体薄膜应力具有较高的许用应力。

如由于管道的自重和机械载荷引起管道的弯曲变形产生的弯曲应力等压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v应力分类一次应力（P）v一次局部薄膜应力（Pl）由于压力或机械载荷引起的分布在局部范围内的薄膜应力。

这种应力达到屈服时，由于材料的塑性变形，也只引起局部屈服，周围仍受到弹性材料的约束，允许在局部区域内产生屈服。

如管道支架处或管道接管连接处产生的应力压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v应力分类二次应力（Q）由于管道变形受约束而产生的正应力或剪应力，它本身不直接与外载荷相平衡。

二次应力的特点是具有自限性自限性，当材料是塑性材料塑性材料时，在较大应力区域产生塑性变形与之相邻部分的约束得到缓解，变形趋向协调，应力不再继续增大，自动地限制在一定的范围内。

二次应力还具有局部性局部性，就是二次应力作用的区域范围限制在局部区域内。

如管道由于热胀冷缩、管道的曲率发生突变、其它位移受到约束而产生的应力均属于二次应力压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v应力分类峰值应力由于载荷、结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的最高应力值。

它的特征是整个结构不产生任何显著的变形，它是疲劳破坏和脆性断裂的可能根源。

如管道中小的转弯半径处、焊缝咬边处等压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v一般压力管道应力许用值的限定几个概念v极限状态当结构元件的某个截面上达到整个截面发生屈服时的状态v极限载荷对应极限状态时施加在结构上的载荷v极限载荷法认为结构达到极限状态后，不能再进一步承受附加载荷，可防止结构产生过渡变形，由此来规定结构的许用应力值的设计方法压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v一般压力管道应力许用值的限定几个概念v安定性结构在载荷（包括热负荷）反复变化的过程中，不再发生塑性变形的连续循环v安定性准则由于塑性材料具有二次应力的局部性和自限性，控制结构在运行中不发生疲劳破坏，使结构保持安定，而限定二次应力范围的方法压力管道的载荷和应力分类压力管道的载荷和应力分类v一般压力管道应力许用值的限定一次应力的限定v内压作用下v内压轴向力和持续外载作用下v二次应力的限定一次应力加二次应力单独二次应力当时，单独计算二次应力时式中：

f修正系数，交变次数N22.5时，单节斜接弯头的最大容许压力用下式计算：

上式是按边缘应力确定的允许内压力。

压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v热应力概念物体都具有热胀冷缩的性质，如果不允许物体自由变形给其施加一约束，便在物体内部产生应力，称为热应力或温度应力。

管道的自由伸长量管端当量轴向力当在管的两端不允许有位移时，可以认为在管端施加一力P，把其压（或拉）到原长，即：

LxLxLP压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v热应力概念管中的热应力为从上式可见管中由于温度变化产生的热应力与材料的线膨胀系数，弹性模量和温差成正比，而与管长无关。

压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v热应力概念示例给一个例子说明热应力的影响，管材为Q235-A，1594.5，操作温度100，安装温度为0，其热膨胀系数为12.210-6/，弹性模量为2.0105MPa，代入上面热应力计算式，计算结果其热应力为244MPa，产生的管端推力为529480N。

压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v热应力概念对于平面管系ACB，B端位移为：

与直接从A到B有一根管子的伸长量相同uubaabABC压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v管道热应力计算如果存在温度变化，不仅在管内引起热应力，而且在支吊架处引起支座反力的变化，为了保证管道和支吊架安全运行，应求出支座反力。

以平面管系为例，采用结构力学力法，求支座反力的方法。

解除B端的约束，而代之以复原力Px、Py、Mxy，使它们产生的变形效果与原约束相同。

uubaabABCMxyMxyPyPyPxPxACBxy压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v管道热应力计算对于图示B端实际位移在x，y方向的位移和转角均为零，而在温差作用情况下，在x方向的位移为横管的伸缩量b，在y方向的位移为竖管的a，无角度变化。

为保证与实际位移一致，在支座反力的作用下，应产生与以上位移大小相等，方向相反的位移。

在支座反力的作用下在平面内产生的位移和转角应满足下式：

MxyMxyPyPyPxPxACBxy压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v管道热应力计算式中，ij是变形系数，表示在j方向的单位力在i方向上产生的位移。

由卡氏第二定理：

压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数前面的计算认为AC管子与CB管在C点是刚性连接，而实际情况，两管的刚度一般比直管低，即柔性大，使变形容易，管道中的实际热应力比前例中计算的小。

而弯管在弯矩的作用下，其应力与直管相比有所增加MxyMxyPyPyPxPxACBxy压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数柔性系数（K）柔性系数：

弯管相对于直管承受弯矩弯曲时，发生转角的增大倍数。

弯管的柔性比直管大的原因是，弯管在受弯矩后，易产生如图所示的扁平效应，使弯管的抗弯模量减少，刚度降低RMMrp压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数柔性系数（K）v弯管的柔性系数用下式计算：

其中是弯管的尺寸系数，用下式计算：

式中R为管子弯曲半径；S为管子壁厚；rp为管子平均半径K计算式的使用范围为：

0.021.65，当1.65时，取K=1。

K计算式用于计算光滑弯管的柔性系数。

平面或非平面弯曲都适用压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数柔性系数（K）v焊接弯头的柔性系数用下式计算：

其中：

对于单斜接缝斜接弯头：

RY=rp对于稀缝斜接弯头，即：

单斜接管压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数柔性系数（K）v焊接弯头的柔性系数对于密缝斜接弯头，即：

压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数柔性系数（K）v三通的柔性系数铸铁三通按刚性元件；焊制、热压三通由于结构不连续出现局部应力集中，K取1。

三通段的计算长度，采用与连接管子直径、壁厚相同的直管段长度。

压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数应力加强系数（m）弯管的应力加强系数是指弯管在弯矩作用下的最大弯曲应力和直管受同样弯矩产生的最大弯曲应力的比值v弯管的应力加强系数用下式计算：

且m1。

当0.854时，计算的m1，这时仍取m=1。

上式是通过疲劳试验研究得到的，适用光滑和焊接弯管，焊接和热压三通等的平面或非平面弯曲情况。

光滑弯管的尺寸系数按下式计算：

压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数应力加强系数（m）v弯管的应力加强系数焊接弯管的尺寸系数按下式计算：

理论和试验都表明，焊接弯管总是比同样规格的光滑弯管（包括弯制弯管和热压弯管）有较高的局部应力，即较大的应力加强系数。

下表为一组同一规格的焊接弯管与热压弯管应力加强系数的比较（管子弯曲半径与直径比值为1.5）弯管型式弯管计算的应力加强系数3.92.732.20相对寿命以热压弯管为100%3%19%55%压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析斜角缝n=1斜角缝n=2斜角缝n=3弯管型式弯管计算的应力加强系数1.951.95相对寿命以热压弯管为100%100%100%压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析斜角缝n=6热压弯管压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数应力加强系数（m）v三通的应力加强系数计算式仍为式。

但尺寸系数根据不同结构按下列公式计算。

未加强焊制三通：

压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数应力加强系数（m）v三通的应力加强系数厚壁管加强焊制三通：

压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数应力加强系数（m）v三通的应力加强系数披肩加强焊制三通：

压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数应力加强系数（m）v三通的应力加强系数单筋或蝶式强焊制三通：

v1普通三通：

（a）单筋d1.5S；（b）蝶式bS，h2.5S（d是筋厚，b是蝶厚，h是蝶高）压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数应力加强系数（m）v三通的应力加强系数单筋或蝶式强焊制三通：

v2厚壁三通：

（a）单筋d1.5S；（b）蝶式bS1，h2.5S1（d是筋厚，b是蝶厚，h是蝶高）压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数应力加强系数（m）v三通的应力加强系数单筋或蝶式强焊制三通：

v热压三通：

压力管道的热应力分析压力管道的热应力分析v柔性系数和应力加强系数应力加强系数（m）v三通的应力加强系数单筋或蝶式强焊制三通：

v热压三通：

异径（支管与主管直径比值0.5）的热压或焊接三通，仍按以上公式计算管系的柔性计算和应力验算管系的柔性计算和应力验算v管系的柔性计算：

是计算管道由于持续外载和热负荷而产生的力与力矩。

v管系的应力验算：

指管道的应力计算及分析。

v管道端点上的力和力矩计算也是管道柔性分析的一个重要内容，便于校核作用在管端设备上的载荷，评价对管端设备