压力管道应力分析
压力管道应力分析
压力管道应力分析压力管道是工业生产和生活中常见的工程结构，广泛用于输送水、油、气等介质。
管道内部由于介质压力的作用而产生应力，这些应力的分析对于管道的设计和使用安全至关重要。
本文将从压力管道的应力计算方法、应力分布特点以及应力分析的影响因素等方面进行探讨。
压力管道的应力计算方法主要有两种，即薄壁理论和薄壁理论的改进方法。
薄壁理论是指在管道内径与壁厚比较大的情况下，将管道近似看作薄壁圆筒，应力集中在内径和外径处，通过简化计算得出管道内壁和外壁的应力分布。
该方法适用于绝大部分工程中的压力管道计算。
薄壁理论的改进方法包括厚壁筒薄壁环假设、都笑横断面假设等，通过考虑管道截面的几何形状以及内外径比等因素，提高了应力计算的准确性。
压力管道的应力分布特点主要有三个方面，即轴向应力、周向应力和切向应力。
轴向应力指的是管道轴线方向上的应力，主要由管道内压力和温度差引起。
周向应力指的是管道截面圆周方向上的应力，主要由内压力引起。
切向应力指的是管道截面切线方向上的应力，主要由内压力和薄壁理论简化计算引起。
在传统理论中，管道的轴向应力和周向应力一般为正值，而切向应力为零。
压力管道的应力分析受到多个因素的影响。
首先是管道的材料特性，包括材料的弹性模量、屈服强度、塑性延伸率等。
管道的材料特性直接决定了管道的耐压能力和变形能力。
其次是管道的几何形状，包括内径、外径、壁厚等。
几何形状的不同会导致管道内外径比和界面摩擦等因素的改变，进而影响应力分布。
再次是管道的工作条件，包括温度、压力等。
不同工作条件下管道内部介质的物理性质会发生变化，进而影响管道的应力分布。
最后是管道的固定和支撑方式。
固定和支撑方式的不同会引起管道的应力集中，影响管道的安全性。
为了保证压力管道的正常运行和安全性，需要进行应力分析以及补强设计。
应力分析主要通过有限元分析和解析方法进行。
有限元分析是一种常用的计算机辅助工程分析方法，通过将管道模型离散化为有限个单元，计算每个单元的应力和变形，进而得到整个管道应力分布的方法。
压力管道的弯管与直管连接结构应力分析
压力管道的弯管与直管连接结构应力分析1. 引言1.1 研究背景压力管道是工业生产中常见的管道类型，用于输送各种介质，承载着重要的工程任务。
在压力管道系统中，弯管与直管连接结构是十分关键的部件。
弯管与直管连接结构的设计合理与否直接影响着整个管道系统的安全性和稳定性。
针对弯管与直管连接结构的应力分析，一直是工程领域中的研究热点，相关研究也逐渐深入。
对于弯管与直管连接结构的应力分析，旨在探究在压力管道系统中，当弯管与直管相连接时，结构所受力的变化规律和应力分布情况，从而为工程实践提供理论依据。
1.2 研究目的研究目的是为了深入探讨压力管道的弯管与直管连接结构的应力特性，进一步揭示该结构在实际工程中的应力分布规律和受力特点，为设计和使用提供科学依据。
通过对弯管与直管连接结构的应力分析，可以评估该结构在不同工况下的受力情况，为工程实践中的应用提供重要参考。
研究弯管与直管连接结构的应力分布，有助于提高该结构的设计性能和安全性，减少事故风险，保障工程的可靠运行。
本研究旨在全面分析弯管与直管连接结构的应力状态，揭示其受力机制，为相关工程领域提供理论支撑和实用指导。
通过这一研究，可以更好地了解压力管道系统中弯管与直管连接结构的受力特点，为工程实践提供科学依据，并为相关领域的工程师和研究人员提供参考和借鉴。
1.3 研究意义压力管道是工业生产中常用的管道设备，承载着高压流体的传输任务。
压力管道的连接结构是管道系统中至关重要的组成部分，直管与弯管的连接结构更是连接处的重要组成部分。
对于压力管道的弯管与直管连接结构应力分析，具有重要的研究意义。
深入研究压力管道的弯管与直管连接结构的应力分析，可以为工程设计提供重要的参考依据，保证管道系统的安全运行。
通过对弯管与直管连接结构的应力分布进行分析，可以揭示连接处存在的应力集中部位，为进一步强化设计提供技术支持。
了解弯管与直管连接结构的受力特点，可以为管道系统的优化设计和改进提供理论指导。
压力管道应力分析基础理论
管道规范将S1-S3定义为“Stress Intensity”，他必 须小于材料的屈服极限
注：规范应力则是在S1-S3的基础上加入一些修正系 数
AECsoft
2019/11/14
规范公式与理论的关联
主应力永远按照大小排序，即S1＞S2 ＞ S3； SH（环向应力）通常是正值，规范要求使用SH来评定最小壁厚 径向应力为0，假设这里是第三主应力S3； 轴向应力SL，假设是正值，则在拉伸情况下，第一主应力是外
载荷产生的轴向应力分量及内压在轴向上的应力分量之和； 如果SL是负值，那么SL为第三主应力而SH为第一主应力。这
将产生一个更大的应力强度（SH-SL）。这种情况通常出现在 埋地管道的受压段当中。
AECsoft
2019/11/14
规范公式与理论的关联
因此，规范通常使用环向应力来校核壁厚，而将轴向应力用 于评定由持续性荷载引起的应力，我们称之为一次应力（ Primary Stress）
剪应力理论的形式更为简单，结果更为保守。
AECsoft
2019/11/14
强度理论
管道应力分析程序通常计算应力强度（不同于规范 应力，以“Stress Intensity”表示）
CAESARII按照Tresca或Mises屈服条件来计算应力 强度，用户可以在配置菜单下选取；
规范默认使用Tresca——最大剪应力理论来进行计 算；
往复压缩机（泵）管道气（液）柱固有频率分析-----防止气 （液）柱共振； 往复压缩机（泵）管道压力脉动分析-----控制压力脉动值； 管道固有频率分析-----防止管道系统共振； 管道强迫振动响应分析-----控制管道振动及应力； 冲击荷载作用下管道应力分析-----防止管道振动和应力过大； 管道地震分析-----防止管道地震力过大。
压力管道应力分析的内容及特点
压力管道应力分析的内容及特点关键词：压力管道；应力分析；内容特点引言：如今工业中对于压力管道的需求量在不断增加，并且如今大量的工业运输以及承载都需要用到工业管道来作为支撑。
这类管道的应用同样能够为整体工业作业提供重要的保障和保护，同时还能够提升整体工程的有效性和安全性。
但是压力管道想要良好进行工作就必须对其进行外界温度、压力以及湿度等一系列因素的考验，只有通过这些考验以及能够承受住足够压力的管道才能够投入到实际使用中。
一、管道应力分析（一）一次应力在管道应力进行分析的过程中，一次应力通常指的是一些外界因素所带来的负荷以及负载，其中包括了管道所承受的重力、内压以及风载等一系列因素产生的剪应力以及正应力。
这两种应力通常会因为其自身的特点以及特性导致了容易与外加负载形成平衡关系，但是达成了平衡关系之后外加应力并不会取消或者停止，反而还会继续增加，若是外加应力逐渐增加并且达到了一个很大的值之后就会超过材料自身所拥有的屈服极限，管道就容易受到影响从而造成了破坏，管道总体也就随之出现了破坏。
相关工作人员应当能够对一次应力进行良好的控制，在进行管道设计时就应当提前给应力留出足够的预留空间，通过这样的方式来帮助整体管道不会出现过度塑性而造成的破坏或者失效。
同时，一次应力的校核也应当结合具体的弹性分析以及极限分析等一系列要求进行处理，通过处理之后才能够准确地对一次应力进行计算，从而将其进行控制。
如图1所示。
图1一次应力受力变形曲线（二）二次应力二次应力相比较于一次应力来说会更加直接，这类应力通常都是来自于对应的热胀冷缩或者其他位移受到约束而造成的剪应力和正应力，其自身具备一个无法和外力之间构成平衡关系的特点，因此其自身也就具备了非常明显的自限性特征[1]。
基本来说材料自身会因为材料以及质量从而具备对应的屈服值，若是二次应力导致了管道的荷载超过了这种屈服极限值之后就容易对管道局部造成变形一类的影响。
这时候相关人员应当对应力重新进行分布和规划，让材料应变能够达到自均衡的要求。
压力管道局部应力分析
I.
采用有限元法对特殊管件进行分析，得到应力集中系数；
II. 应力增大系数等于应力集中系数的一半。
应力增大系数应用的注意事项！
根据GB 50316、ASME B31.1和ASME B31.3的规定，计算二次应力时应 采用应力增大系数。这是由于采用应力增大系数的目的，是考虑局部应力 集中的影响，而局部应力集中主要对管件的疲劳破坏产生作用。因为局部 的高应力循环，将使材料产生裂纹并不断扩展，最终导致破坏。校核二次 应力的目的正是为了防止疲劳破坏，因此在计算二次应力时必须考虑应力 集中的影响，应该采用应力增大系数。另外，根据ASME B31.3的标准释 义，计算一次应力可不考虑应力增大系数。这主要是因为校核一次应力是 为了控制管道的整体破坏，局部的应力集中对管道的整体破坏影响不大。 另外一次应力采用弹性分析方法，认为某一点达到屈服管道失效，已经非 常保守，如果在考虑应力集中的影响将导致过分保守。
l 为了能够表示出WRC107、297计算的误差，使用有 限元分析软件(NozzlePro/FEpipe)来进行对比计算。
l 有限元法严格按照理论分析方法，结合ASME Ⅷ-2 中的应力分类来对特定结构进行应力计算，当满足 理想化假设条件时，其结果与真实应力十分接近， 并且有限元分析法不受任何几何条件的限制，计算 精度与网格划分的疏密程度相关。
可以提高至0.6
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压力管道局部应力分析
WRC107应用范围及限制条件
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压力管道局部应力分析
WRC107应用范围及限制条件
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压力管道局部应力分析
WRC297应用范围及限制条件
l WRC297继承了WRC107的一些限制条件，另外，当连接区 域的接管壁厚小于补强壁厚时，其局部应力计算值可能过于 保守
压力管道应力动态分析理论
02 压力管道应力动态分析理 论基础
材料力学基础
材料力学是研究材料在各种力和力矩 作用下的应力和应变行为的科学。它 为压力管道应力动态分析提供了基本 原理和计算方法，包括材料的弹性模 量、泊松比、剪切模量等参数的确定。
VS
材料力学还涉及到材料的强度理论， 例如最大剪应力理论、最大伸长线应 变理论和能量理论等，这些理论为压 力管道的强度设计和校核提供了依据。
意义
通过应力分析，可以优化管道设计，降低制造成本，提高设备运行效率，保障人员和财产安全。
应力分析的方法和步骤
方法
常用的应力分析方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等数值分析方法，以及基于力学理论的解 析法。
步骤
应力分析通常包括前处理、求解和后处理三个步骤。前处理阶段涉及建立模型、设定边界条件和载荷 等；求解阶段通过数值方法计算管道应力；后处理阶段则是对计算结果进行评估和优化。
04 压力管道应力动态分析理 论与其他理论的关联
与流体力学理论的关联
流体力学理论在压力管道应力动态分析中起 着重要作用，特别是在流体流动和压力分布 的计算方面。流体的动力学和热力学性质对 管道中的应力分布和疲劳寿命有显著影响。
压力管道中的流体流动可能导致管道产生振 动和应力集中，这些因素进一步影响管道的 稳定性和安全性。流体力学理论提供了流体 动力学和热力学的基本原理，有助于预测和
压力管道应力分析的未来发展方向
方向1
随着数值计算技术和计算机技术的不断发展，未来应力分析将更加精确和高效，能够更 好地模拟管道的实际运行工况。
方向2
随着新材料和新工艺的不断涌现，未来管道材料的性能将更加优异，能够满足更高压力 和温度的要求。
方向3
随着智能化和远程监控技术的发展，未来管道应力分析将更加智能化和远程化，能够实 现实时监测和预警，提高管道运行的安全性和可靠性。
压力钢管安全鉴定的应力分析与强度计算
压力钢管安全鉴定的应力分析与强度计算压力钢管作为一种用于输送气体或液体的重要管道设备，其安全鉴定对于保障工业生产和人员安全至关重要。
在进行安全鉴定时，应力分析和强度计算是必不可少的步骤。
本文将针对压力钢管的应力分析和强度计算进行探讨。
一、应力分析1.1 弹性应力分析弹性应力分析通过对压力钢管所受力的计算，确定其在工作条件下的应力状态。
弹性应力可以分为轴向应力、周向应力和切向应力。
轴向应力是指压力钢管在管轴方向上受到的拉伸或压缩作用产生的应力。
其计算公式为：σz = (P * D) / (2 * t)其中，σz表示轴向应力，P表示管内的压力，D表示管道的直径，t 表示管壁的厚度。
周向应力是指在管壁厚度方向上产生的应力。
其计算公式为：σθ = (P * D) / (4 * t)切向应力是指在周向应力方向上的切应力。
其计算公式为：τ = (P * D) / (2 * t)1.2 塑性应力分析当压力钢管的应力超过弹性极限时，塑性应力开始发挥作用。
塑性应力分析需要考虑材料的屈服强度、变形硬化指数等因素。
塑性应力的计算涉及到材料的本构关系，常用的本构关系有屈服准则、应变硬化准则等。
根据材料的特性和具体情况，可以选取适合的本构关系进行计算。
二、强度计算2.1 材料的强度计算压力钢管的强度计算主要涉及材料的屈服强度和破坏强度。
屈服强度是指在材料屈服时承受的最大应力，破坏强度是指材料在极限状态下承受的最大应力。
通常采用屈服准则或破坏准则进行强度计算。
常用的屈服准则有von Mises准则、Tresca准则等，常用的破坏准则有最大应力准则、最大应变准则等。
2.2 结构的强度计算压力钢管的结构强度计算需要考虑管道本身的结构特点和外部载荷等因素。
常用的计算方法有弹性理论法、有限元法等。
弹性理论法是一种简化的计算方法，适用于结构相对简单、载荷较小的情况。
有限元法是一种更为精确的计算方法，可以考虑更复杂的结构和不同的载荷条件。
压力管道应力分析
压力管道应力分析引言压力管道作为输送流体的重要管线，承受的压力和温度都是极高的。
这样就会导致管道中的应力和变形问题，从而产生一定的安全隐患。
因此，对于压力管道的应力分析就显得尤为重要。
压力管道的应力压力管道在运行过程中，会受到各种力的作用，如内压、重力、支架反力、温度等，这些力作用在管道上，就会造成管道内部的应力，如轴向应力、周向应力、径向应力等。
•轴向应力轴向应力是指管道轴向方向的应力，通常是指由流体作用产生的内压力和拉力两部分的影响。
在管道内部，如果内压力太大，轴向应力就会增大，会导致管道的卡铁暴力现象。
•周向应力周向应力是指管道周向方向的应力，主要受到流体和温度两个因素的影响。
当管道内部温度升高，周向应力也会随之升高，如果超过极限值，就可能导致管道的破裂。
•径向应力径向应力是指与管道中心轴线垂直方向的应力，通常是由于弯曲、扭转等变形所引起的。
如果弯曲半径过小或者存在缺陷，就会导致径向应力过大，从而容易引起管道的破裂。
压力管道应力分析压力管道应力分析是针对管道内各种应力进行综合分析的过程。
在分析的过程中，通常需要采用有限元分析等方法，通过建立合适的数学模型和计算，得出管道内部的应力情况和强度，并评估管道是否存在危险的可能性。
在进行应力分析时，一般需要考虑以下几个方面。
1. 材料力学性能材料力学性能直接影响管道的使用寿命和安全性。
因此，对于材料的强度、韧性、塑性等性能参数，都需要进行准确的测定和分析。
常见的材料包括石墨、钢铁、铝合金等。
2. 工况分析针对不同的工况，管道所受的力也会不同。
因此，在进行应力分析之前，需要准确确定工况参数，如内压、外界温度等，以便进行有针对性的分析。
3. 有限元分析有限元分析是应用计算机模拟技术，将管道模型分割成有限个小模型，通过对小模型的计算和组合，分析管道内部的应力和强度分布。
这种方法可以更直观地了解管道内部应力的变化情况，有效评估管道的安全性和强度。
压力管道应力分析是管道设计和使用过程中必不可少的环节。
第5章_管道应力分析
5.1 管道应力分析基础
(五)管道的热补偿
为了防止管道热膨胀而产生的破坏作用，在 管道设计中需考虑自然补偿或设臵各种型式的补 偿器以吸收管道的热胀和端点位移。 除少数管道采用波型补偿器等专用补偿器外， 大多数管道的热补偿是靠自然补偿实现的。
5.1 管道应力分析基础
1.自然补偿
管道的走向是根据具体情况呈各种弯曲形状 的。利用这种自然的弯曲形状所具有的柔性以补 偿其自身的热胀和端点位移称为自然补偿。有时 为了提高补偿能力而增加管道的弯曲，例如：设 臵U形补偿器等也属于自然补偿的范围。 自然补偿构造简单、运行可靠、投资少，所 以被广泛采用。
5.1 管道应力分析基础
图5-1 应力松弛现象图
h 一加热；w 一操作；c一冷却；t 一时间；ζ一应力；ε－应变；一应力范围；一屈服点；其余符号与 公式(5-2)相同[ 图(a)(b)(c)中虚线为冷紧时的曲线；实线为无冷紧时的曲线。]
5.1 管道应力分析基础
三、管道热胀及其补偿
(一)管道的热胀量和热胀方向
5.1 管道应力分析基础
球形补偿器的全转角θ，球心距L(m)和补偿 能力Δ(m)三者之间的关系见式5-8、式5-9关联式。 a)对预变形法 (5-8) 2 L sin b)对非预变形法 2 (5-9)
L sin
2
5.1 管道应力分析基础
球形补偿器的球心距L越大，补偿能力越 大。正常运行时不得使转角大于球形补偿器 的允许值。考虑到安装误差和操作温度等误 差，按球形补偿器全转角θ计算所得的Δ应比 实际补偿量大1.5倍。球心距L值不得超过两 个活动支架间距的80%。
5.1 管道应力分析基础
通常将两个或三个球形补偿器布臵在Z、U、L 形管道上。球形补偿器的安装方法有预变形法和非 预变形法两种，如图5-11所示。 三个球形补偿器的动作见图5-12。
压力管道审核管道应力分析和柔性设计
B、动力分析包含的内容 a)管道固有频率分析 — 防止共振。 b)管道强迫振动响应分析 — 控制管道振动及应力。 c)往复式压缩机(泵)气(液)柱频率分析 — 防止气柱 共振。 d)往复式压缩机(泵)压力脉动分析 — 控制压力脉动 值(δ值)。
压力管道审核管道应力分析和柔性设 计
C、动力分析要点
计
三、工程设计阶段管道应力分析专业的任务
1、初步设计、基础设计阶段 ⑴ 编制工程设计规定(应力分析、管架设计) (四级签 署)； (2) 参加设备布置工作；
(3) 对主要管线的走向进行应力分析和评定。
压力管道审核管道应力分析和柔性设 计
2、详细设计阶段
⑴ 修订（升版）工程设计规定(应力分析、管架设计)
压力管道审核管道应力分析和柔性设 计
10、ASME/ANSI B31.3 Process Piping 11、ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and
Distribution piping systems 12、ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systems 13、API610 -- 离心泵 14、NEMA SM23 -- 透平 15、API617 -- 离心式压缩机 16、API618 -- 往复式压缩机 17、API661 -- 空冷器 18、ANSI/B31.1、APIRP520 -- 安全阀、爆破膜 压力管道审核管道应力分析和柔性设
(6)限位架 2 限制性管架
(7)轴向限位架
用于限制任一方向线位移的场合； 用于限制管道轴向线位移的场合；
(8)导向架 3 减振支架 (9)减振器
用于允许有管道轴向位移，但不允 许有横向位移的场合
管道应力分析及计算
三、管道的柔性设计
3.1、柔性定义及柔性设计的方法和目的 a)定义 b)目的 c)设计方法 d)端点位移考虑 3.2、是否进行详细柔性设计的判别方法 a)应进行详细柔性设计的管道 b)可以不进行详细柔性设计的管道 c)判别式的使用方法与注意事项 3.3、管道的热补偿
三、管道的柔性设计
3.4、应力增大因子 3.5、柔性分析方程 3.6、弹性模量随温度变化效应 3.7、柔性分析的另一规则
五、管道机械专业（应力分析）常用的标准规范
1、GB50316-2000《工业金属管道设计规范》 2、HG/T20645-1998《化工装置管道机械设计规定》 3、SH/T3041-2002《石油化工企业管道柔性设计规范》 4、GB150《钢制压力容器》 5、JB/T8130.1-1999 《恒力弹簧支吊架》 6、JB/T8130.2-1999 《可变弹簧支吊架》 7、GB 50251-2003 《输气管道工程设计规范》 8、GB 50253-2003 《输油管道工程设计规范》 9、ASME/ANSI B31.1 -- Power Piping
10、ASME/ANSI B31.3 Process Piping 11、ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and
Distribution piping systems 12、ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systems 13、API610 -- 离心泵 14、NEMA SM23 -- 透平 15、API617 -- 离心式压缩机 16、API618 -- 往复式压缩机 17、API661 -- 空冷器 18、ANSI/B31.1、APIRP520 -- 安全阀、爆破膜
压力管道应力分析_图文
管道元件变形的几种基本形式:
⑴ 拉伸和压缩 ⑵ 剪切 • 对于塑性材料：[τ]=(0.6~0.8)[σ] • 对于脆性材料：[τ]=(0.6~1.0)[σ] ⑶ 扭转 • [τ]=(0.5~0.6)[σ] ⑷ 弯曲 • уman≤[f] [f]为工程上规定的许用绕度值
。
承受内压管子的强度计算
1、管子壁厚计算 承受内压管子理论壁厚公式，按管子外径确
• 上式即为管道中二次应力强度条件判定 式，它已被众多的压力管道设计规范如 ANSI B31.3、SHJ41所引用。
压力管道的强度计算:
• 基本概念： ⑴ 设计压力 ⑵ 设计温度 ⑶ 材料的许用应力 ⑷ 厚度附加量 ⑸ 焊缝系数 ⑹ 设计寿命 ⑺ 计算厚度
⑻ 设计厚度 ⑼ 名义厚度 ⑽ 有效厚度
②对简单的L形、∏形、Z形等管道，可采 用表格法、图解法等验算，但所采用的 表和图必须是经过计算验证的；
③无分支管道或管系的局部作为计算机柔 性计算前的初步判断时，可采用简化的 分析方法。
2、SH/T3041《石油化工管道柔性设计规 定》中的规定：
⑴ 操作温度大于400℃或小于－50℃ ⑵ 进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道 ⑶ 进出反应器的高温管道； ⑷ 进出汽轮机的蒸汽管道； ⑸ 进出离心式压缩机、往复式压缩机的工
一般连续敷设的管道允许跨距L应按三跨连续梁承受 均布载荷时的刚度条件计算
（1）刚度条件
（装置内）
（装置外）
装置内：管道固有频率不低于4Hz； 装置外：管道固有频率不低于2.55Hz。
（2）强度条件
（不考虑内压）
（考虑内压）
取L1和L2两者之间的小值。
• 为了便于快速直接得到管道的允许跨距一 些书、手册列出了根据上述方法计算得到 的连续敷设管道的允许跨距。如《石油化 工装置工艺管道安装设计手册》。
压力管道强度及应力分析
压力管道强度及应力分析压力管道是指承受流体压力作用的管道系统，常用于输送液体或气体。
压力管道的设计必须考虑到管道系统的强度，以确保管道在工作条件下能够安全运行。
强度分析是对管道系统在受压状态下的力学性能进行评估和计算，包括应力分析和应变分析。
压力管道的强度分析主要涉及以下几个方面：1.管道的内压应力分析：管道容易在受到内部压力作用时发生脆性断裂。
内压应力是指管道承受的内部压力产生的应力，应力分布是管道内径和壁厚决定的。
内压应力的计算可以使用薄壁管道的公式，也可以使用粗壁管道的公式，根据实际情况选择适当的公式进行计算。
2.管道的外压应力分析：外压应力是指管道受到外界压力，如土壤或混凝土的压力而产生的应力。
外压应力会降低管道的承载能力，因此在设计时必须考虑外压应力的影响。
外压应力的计算可以通过考虑管道埋深和周围土壤或混凝土的性质来进行。
3.管道的弯曲应力分析：管道经过弯曲时会产生弯曲应力。
弯曲应力的大小与管道的弯曲半径、管道材料的弹性模量以及弯曲角度有关。
弯曲应力的计算可以通过应变能方法或力平衡方法进行。
4.管道的轴向应力分析：管道在拉伸或压缩作用下会产生轴向应力。
轴向应力与管道的拉伸或压缩变形有关，可以通过应变能方法或力平衡方法进行计算。
5.管道的剪切应力分析：管道在复杂受力状态下，如弯曲、拉伸和压缩同时作用时，会产生剪切应力。
剪切应力的计算可以通过静力平衡方程和应变能方法进行。
在进行强度分析时，需要确定管道的材料性质、管道几何尺寸和外界加载条件。
常用的材料性质包括弹性模量、泊松比和屈服强度等。
管道几何尺寸包括管道内径、壁厚和长度等。
外界加载条件包括内部压力、外部压力和温度等。
强度分析的目的是确定管道是否能够安全承受设计条件下的压力载荷，并提供合适的设计指导。
在进行强度分析时，需要进行应力和应变的计算，并与管道材料的极限强度进行比较，以评估管道的安全性。
综上所述，压力管道的强度分析是一个复杂的过程，涉及多个力学参数和设计标准。
压力管道应力分析基础理论-1
W1— 固有频率（角频）
W0 — 激振频率（角频） 通 常 W1 应 避 开 0.8W0 ~1.2W0 的区域，在工程中 最好避开 0.5W0 ~1.5W0的 范围，这样振幅较小。
(2)通常W1应在W0（压缩机的吸入或吸出频率）的1.2 倍以上，设计时最好控制在1.5倍以上。
振幅
(3)激振力频率 W n 缸数 单( 双 )作用数(1 / 秒 ) 0 60 n = 转/分 — 压缩机转数
压力管道应力分析 (1)基础理论
中国石油化工勘察设计协会
一、管道应力分析的目的
1、防止管道塑性变形破坏； 2、防止管道疲劳破坏； 3、保证机器设备正常运行； 4、为结构、管道支架设计提供依据； 5、防止法兰等管道连接件泄露； 6、防止管道碰撞和支点位移过大； 7、防止气（液）柱、管道系统共振； 8、控制压力脉动； 9、防止管道振动和应力过大； 10、防止管道地震应力过大；
⑶ 编制临界管线表(三级签署) — 应力分析管线表 静力分析 ⑷ 应力分析 动力分析 (三、四级)；
⑸ 卧式容器固定端确定，立式设备支耳标高确定；
⑹ 支管补强计算；
⑺ 动设备许用荷载校核(四级)
⑻ 夹套管(蒸汽、热油、热水)计算(端部强度计算、内部导 向翼板位置确定、同时包括任何应力分析管道的所有内 容) ； ⑼ 往复式压缩机、往复泵动力分析(四级)； ⑽ 安全阀、爆破膜泄放反力计算；
⑵ 壁厚计算 A、当 D0 P t 且 t 0.385 时 6 PD0 t t 2 2YP B、当
D t 0 6 或P
0.385时 t
t 的确定应根据断裂理论、疲劳、热应力及材
料特性等因素综合考虑确定。 C、外压直管的壁厚，应根据GB150规定的方法确定。 D、其它的管件(如Y型三通、孔板等)依据相应的规范 (GB50316-2000)公式进行计算。
关于压力管道的应力分析
关于压力管道的应力分析【摘要】压力管道的应力问题在管道检验过程中都会涉及到的，由于压力管道应力的分析和计算过程都要求相对高的技术，这对于检验技术人员来说是很难完成的。
因此，本文着重对压力管道应力分析的内容、应力特征、应力分类以及校核准则进行了论述，以便于为分析人员提供了有效的理论依据。
【关键词】压力管道应力分析一次应力二次应力压力管道的应力影响着压力管道在安装后的安全使用，所以进行应力分析是很有必要的，压力管道应力分析的内容相对较多，主要体现在以下几个方面。
2 压力管道应力分析的特征压力管道在应力分析过程中还不够严谨，其中还存在着一些缺陷，其主要原因是因为压力管道应力由历史根源所造成的校核准则存在不足，但压力管道应力分析有着自身的特点，主要体现在以下几个方面：（1）在压力管道的应力分析之中，没有考虑管道的薄膜应力和局部弯曲应力，从而导致一次应力中没有对一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力进行细分；在一次应力校核准则中往往忽视了对一次弯曲应力和一次局部薄膜应力进行校核，而只对一次总体薄膜应力进行了校核。
（2）计算一次应力主要是为了避免管道在安装的时候承受不住压力而塌下来。
计算二次应力是为了防止管道在发生热变形之后是否会出现问题，通过二次应力计算管道是否发生偏移、移位，并防止并排管道所产生的相互影响。
（3）二次应力校核具有着自身的操作方式，最主要是针对其结构的安定性，只需满足结构安定性条件，就可以避免压力管道产生低周疲劳。
（4）一次应力校核主要是校核压力管道的纵向应力，其最主要的特点是不遵循剪应力理论，二次应力校核虽然遵循的是最大剪应力，但其计算应力过程中不会计算管道轴向立，只考虑管道弯矩和扭矩的作用。
3 压力管道的应力分类及校核准则压力管道与压力容器有所不同，对于不同的管道根据管道自身的特点都有着不同的校核准则，由于压力管道的应力分析主要侧重于对管系整体的分析，而压力容器的应力分析主要是对局部进行详细的分析，两者在应力分类的方法和校核准则上都存在着较大的差异。
管道应力
► 3、应力增大系数：在疲劳破坏循环次数相同
的情况下，作用于直管的弯曲应力与作用于 管件的名义弯曲应力之比 ► 4、柔性系数：将同一弯矩作用于管件和直管 后，管件的位移与直管的位移之比。考虑柔 性系数的目的是在计算中对管件柔性增大的 现象做出更加合理的模拟。
1、管道柔性设计的目的： 管道柔性设计的目的： ► 管道柔性设计的目的是保证管道在设计条 件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷 缩、端点附加位移、管道支撑设置不当等 原因造成下列问题： ⑴ 管道应力过大引起的金属疲劳或因管道推力 过大造成支架破坏； ⑵ 管道连接出产生泄漏； ⑶ 管道推力或力矩过大，使与其相连接的设备 产生过大的应力或变形，影响设备正常运 行；
装置内：管道固有频率不低于4Hz； 装置内：管道固有频率不低于4Hz； 装置外：管道固有频率不低于2.55Hz。 装置外：管道固有频率不低于2.55Hz。
（2）强度条件
L 2 = 0 .1 [σ ] t W q
（不考虑内压）
L 2 = 0 . 071
[σ ] t W q
（考虑内压）
取L1和L2两者之间的小值。 L1和L2两者之间的小值。
二、 管系的应力分析
1、管道应力分析的目的： ⑴ 使管道的应力在规范允许的范围内； ⑵ 使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的 标准； ⑶ 计算出作用在管道支吊架上的载荷； ⑷ 解决管道动力学问题； ⑸ 帮助配管优化设计；
2、管道上常见的载荷: 、管道上常见的载荷: ⑴ 压力载荷； ⑵ 重力载荷； ⑶ 位移载荷； ⑷ 风载荷； ⑸ 地震载荷； ⑹ 瞬变流冲击载荷； ⑺ 机器振动载荷； ⑻ 压力脉动载荷； ⑼ 两相流脉动载荷；
► 为了便于快速直接得到管道的允许跨距一些
书、手册列出了根据上述方法计算得到的连 续敷设管道的允许跨距。如《 续敷设管道的允许跨距。如《石油化工装置 工艺管道安装设计手册》 工艺管道安装设计手册》。 ► 一些特定布置情况下的管道允许跨距： SH3073《石油化工企业管道支吊架设计规范》 SH3073《石油化工企业管道支吊架设计规范》 则要求管道的弯管部分两支架间管道的展开 长度不得大于水平直管基本跨距的0.6~0.7倍。 长度不得大于水平直管基本跨距的0.6~0.7倍。
压力管道的弯管与直管连接结构应力分析
压力管道的弯管与直管连接结构应力分析压力管道是一种用于输送流体（包括气体和液体）的管道，通常用于工业生产和民用设施。
在实际应用中，压力管道的结构连接是非常重要的，尤其是在弯管与直管连接的结构中，其应力分析更是必不可少的工作。
本文将从理论和实际工程角度出发，对压力管道的弯管与直管连接结构进行应力分析，以期为相关领域的工程师和研究人员提供参考。
压力管道的弯管与直管连接通常有两种形式，一种是焊接连接，另一种是螺纹连接。
焊接连接是将弯管和直管的端部通过焊接工艺连接在一起，形成一个整体结构；螺纹连接则是通过螺纹将弯管和直管的端部螺纹连接在一起，需要使用密封垫片进行密封。
在实际应用中，焊接连接通常用于对密封性要求较高的场合，例如输送腐蚀性介质的管道系统；而螺纹连接则通常用于对拆卸和维护要求较高的场合，例如化工和石油行业的管道系统。
无论是焊接连接还是螺纹连接，都需要进行应力分析，以确保管道系统的安全性和稳定性。
二、弯管与直管连接结构的应力分析原理1、焊接连接的应力分析原理焊接连接是将弯管和直管的端部通过焊接工艺连接在一起，形成一个整体结构。
在应力分析中，需要考虑以下几个方面的因素：（1）接头的受力情况：焊接接头是整个管道系统中的薄弱环节，其受力情况对整个管道系统的安全性起着至关重要的作用。
在应力分析中需要对焊接接头的受力情况进行详细分析，包括受拉力、受压力和受剪力等情况。
（2）材料的选择：在焊接连接中，材料的选择对整个管道系统的稳定性和安全性具有直接影响。
在应力分析中需要考虑焊接材料的强度、韧性和耐腐蚀性等因素。
（3）焊接工艺的选择：焊接工艺对焊接接头的质量和稳定性具有重要影响。
在应力分析中需要考虑焊接工艺的选择对焊接接头的影响，包括焊接温度、焊接速度和焊接气氛等因素。
三、弯管与直管连接结构的应力分析方法1、有限元分析法有限元分析法是一种广泛应用于工程结构分析领域的数值分析方法，可以较为准确地获取结构的应力分布和受力情况。
压力管道应力分析部分
压力管道应力分析部分第一章任务与职责1. 管道柔性设计的任务压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止因为管系的温度、自重、内压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况；1> 因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏；2> 管道接头处泄漏；3> 管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行；4> 管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏；2. 压力管道柔性设计常用标准和规范1> GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》2> SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》3> SH 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》4> SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》5> SH 3073-95《石油化工企业管道支吊架设计规范》6> JB/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》7> JB/T 8130.2-1999《可变弹簧支吊架》8> GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》9> HG/T 20645-1998《化工装置管道机械设计规定》10> GB 150-1998《钢制压力容器》3. 专业职责1> 应力分析(静力分析动力分析）2> 对重要管线的壁厚进行计算3> 对动设备管口受力进行校核计算4> 特殊管架设计4. 工作程序1> 项目规定2> 管道的基本情况3> 用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿4> 用目测法判断管道是否进行柔性设计5> L型 U型管系可采用图表法进行应力分析6> 立体管系可采用公式法进行应力分析7> 宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道8> 采用CAESAR II 进行应力分析9> 调整设备布置和管道布置10> 设置、调整支吊架11> 设置、调整补偿器12> 评定管道应力13> 评定设备接口受力14> 编制设计文件15> 施工现场技术服务5. 项目规定1> 适用范围2> 概述3> 设计采用的标准、规范及版本4> 温度、压力等计算条件的确定5> 分析中需要考虑的荷载及计算方法6> 应用的计算软件7> 需要进行详细应力分析的管道类别8> 管道应力的安全评定条件9> 机器设备的允许受力条件<或遵循的标准）10>防止法兰泄漏的条件11>膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求12>业主的特殊要求13>计算中的专门问题<如摩擦力、冷紧等的处理方法）14>不同专业间的接口关系15>环境设计荷载16>其它要求第二章压力管道柔性设计1. 管道的基础条件包括：介质温度压力管径壁厚材质荷载端点位移等。
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压力管道应力分析
压力管道的载荷和应力分类
❖ 载荷的定义 ▪ 凡是引起结构产生变形的条件称为载荷
❖ 载荷的分类 1、具有不同特征的载荷产生的应力状态，对破坏的影响不同
2、对载荷分类可以方便研究不同载荷对结构失效的影响
▪按载荷作用的时间长短分类
❖ 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
管道计算时主要考虑的静力载荷
❖ 介质压力也称压力载荷
❖ 持续外载（或机械载荷） 管道自重、支吊架反力和其它外载
❖ 位移载荷（或热负荷） 热胀冷缩和端点附加位移
❖ 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。
分类如下：
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：
❖ 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，由此来规定结构的许 用应力值的设计方法
❖ 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 ❖ 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
❖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
❖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
❖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
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。
▪按载荷的作用性质分类
❖
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
❖
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
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
❖
一般压力管道应力许用值的限定
▪ 几个概念
❖ 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
❖ 极限载荷 对应极限状态时施加在结构上的载荷
❖ 100%无损探伤，φ=0.9；
❖ 局部无损探伤，φ=0.8。
压力管道的强度计算
❖
参数确定
▪
壁厚附加量C=C1+C2
无缝直管壁厚负偏差C1按下式计算：
普通钢管厚度负偏差α值
C1 100 S1
钢管种类
壁厚（mm）
碳素钢和低合金钢 不锈钢
≤20 ＞20
≤10 ＞10～20
普通
负偏差α%
高级
15
易燃性、腐蚀性和渗透性）选定管子材料，然后查该管材在设计温度下的许用应力
值
压力管道的强度计算
❖
参数确定
▪ 焊缝系数φ
❖ 无缝管φ=1.0;
❖ 单面焊接的螺旋线钢管φ=0.6;
❖ 纵缝焊接钢管：
▪ 双面焊的全焊透对接焊缝：
❖ 100%无损探伤，φ=1.0；
❖ 局部无损探伤，φ=0.85。
▪ 单面焊的对接焊缝，沿焊缝根部全长具有垫板：
❖ 直管壁厚计算式 由最大剪应力理论可得管子的壁厚计算式：
▪ 按外径计算：
▪ 按内径计算：
PDw
S 2 • P 考虑管子制造负偏差和腐蚀裕1 量，工程上t的管子壁厚计算式为
S1
2
PDn
t •
P
S j S1 C
❖
参数确定
▪ 设计压力P 取设计压力≥最高工作压力
▪ 材料的许用应力[σ]t 首先根据输送介质的操作条件（如压力、温度）及其在该条件下的介质特性（毒 Nhomakorabea、❖
一般压力管道应力许用值的限定
▪ 一次应力的限定
❖ 内压作用下
❖ 内压轴向力和持续外载作用下
❖ 二次应力的限定 ▪ 一次应力加二次应力 e
t
▪ 单独二次应力
zhl r t
▪当
时，单独计算二次1应.2力5时f t
式中：f 修正系数，交f 变1次.2数5N<7000次0时.2，5f=1.0t，N≥7000次时,f=0.9
12.5
12.5
10
15
12.5
20
15
压力管道的强度计算
❖
参数确定
▪
壁厚附加量C=C1+C2
❖ 活载荷 临时作用于管道上的载荷，如风载荷、地震载荷等
▪按载荷是否随时间变化分类
❖ 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。
❖ 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
zhl t
f 1.25 t zhl
压力管道的强度计算
❖ 承受内压管子的应力分析
上力算面分式的布计算式（（La分p2mD别Sen公为式：）环的向平应z均力值、4。轴SL向ap应DmDe力n公n2、式径S是向承应受力均）匀三分r 个布表内达压2式p圆是筒承的受精内确压应圆力筒计应
, z , r