01管道应力分析基本理论(更新2014规范)-孙学军

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应力增大系数：
当管道几何形状发生急剧变化时，位移应力范围的 计算值与直管相比有所增加。对于平滑过渡的弯头 和弯管，受弯后管道出现扁平化，抗弯刚度有所减 小,对于斜接弯管和支管连接，由于几何不连续产生 应力集中, 导致材料抗疲劳能力有所削弱。二次应力 校核主要是为了防止疲劳破坏，为了考虑这种效应， 在进行二次应力校核时引入了应力增大系数。 定义: 受弯矩的作用，在非直管的组成件中，产 生疲劳损坏的最大弯曲应力与承受相同弯矩、相同 直径及厚度的直管产生疲劳损坏的最大弯曲应力的 比值，称为应力增大系数。因弯矩与管道组成件所 在平面不同，有平面内及平面外的应力增大系数。
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由于内压作用下直管壁厚计算公式是薄壁模型，基 于第三强度理论：σ1 SHP σ 3 SR 0 σ1 σ 3 SHP σt 因此，合成轴向应力不大于内压环向应力。合成轴 向应力最大时与内压环向应力相等，此时再依据第 三强度理论有：
(SLP SAX SC ) SR σ
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柔性系数：
表示管道元件在承受力矩时，相对于直管而言其柔 性增加的程度。即:在管道元件中由给定的力矩产生 的每单位长度元件的角变形与相同直径及厚度的直 管受同样力矩产生的角变形的比值。
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二.应力分析标准详解
ASME B31.1 ASME B31.3 ASME B31.4 ASME B31.8
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材料的力学性能及强度理论 力学性能：
1.强度极限 2.屈服强度 3.断裂 4.强化阶段 5.局部变形阶段
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最大拉应力理论：
该理论认为：最大拉应力是引起断裂的主要原因 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到 单向拉伸时的抗拉强度，材料就会发生脆性断裂。 屈服判据： 强度准则：
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管道应力分析基本理论
主要内容 一.管道应力分析基础知识介绍 二.应力分析标准详解 三.管道跨距计算 四.管道柔性分析 五.管道分析基础知识介绍
管道应力分析的目的、范围、内容 管道受到的载荷、变形及失效形式 材料的物理性能及强度理论 基本概念
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管道应力分析的目的、范围、内容 目的：
ASME B31J
ASME B31J
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数值分析方法:
SIF Actual Peak Stress in part Nominal Stress in Part
SIF
PL Pb Q F (M/Z)
FE Pipe ANSYS
i SIF/2
步骤: 建立管件有限元分析模型; 提取峰值应力强度和基准应力; 计算应力集中系数SIF; 应力增大系数取应力集中系数的1/2.
阴影部分表示吸 收能量的能力
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静态断裂 韧性断裂： 随着载荷增加，材料屈服并产生塑性变形直至破坏。 断裂前的伸长量可达到25%，可见韧性材料的能量 吸收能力。能量吸收能力对于静态载荷的影响较小， 但对于抵抗冲击载荷的影响较大。如果没有较大的 能量吸收能力，非常小的冲击载荷都可能产生破坏 性的应力。 韧性断裂主要发生在裂纹缺陷处或形状不连续处。 由于屈服，载荷将会转移到管道系统的其它部位。
管道应力分析（CAESARII软件）工程实例 专题培训班 主讲:孙学军(中国石油管道局设计院) 联系电话:13722622460 主办：中国石油和化学工业培训中心
课程安排
时间 主要内容
第一天 第二天 第三天
管道应力分析基本理论 CAESAR II软件应用 管道振动分析技术（机械振动、流 致振动）、埋地管道等
t max
ss
2
t max
s1 s 3
2
s1 s 3 ss
强度准则：
s 1 s 3 [s ]
适用于塑性材料。形式简单，一般情况下与实验结果相比偏于 安全，工程中广泛应用。
形状改变比能理论(Mises准则)：
该理论认为：形状改变比能是引起屈服的主要原因 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要形状改变比能达 到单向拉伸屈服时所对应的形状改变比能值，材料就会发生 塑性屈服。 屈服判据：
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二次应力校核来源：
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二次应力：
二次应力是由于热胀、冷缩、端点位移等位移荷载 的作用所产生的应力。它不直接与外力相平衡。二 次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变 形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到 满足，从而变形不再继续增大。 一般在管系初次加载时，二次应力不会直接导致破 坏，只有当应变在多次重复交变的情况下，才会引 起管道疲劳破坏。但也应该注意，当位移荷载极大， 局部屈服或小量变形不足以满足位移约束条件或自 身变形连续要求时，管道也可能在一次加载过程中 就发生破坏。
应力分析规定 确定管道系统 生命周期内可 能遇到的载荷
关键管线表 定义载荷工况 静态/动态 确定应力、位 移、载荷的限 值
设备管口载荷 结构所受载荷 特殊件要求 其它建议
使应力、位移 、载荷限值在 许用范围内 应力分析报告 应力ISO图 提交业主 提交现场
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支撑设计、选型
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应力分析管线分类:
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关键管线表:
没有区分平面内 和平面外应力增 大系数; 采用最大剪应力 理论.
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结构安定性条件：
结构安定性的定义:当荷载在一定范围内反复变化时，结构不 发生连续的塑性变形循环。也就是说，在初始几个循环之后， 结构内的应力应变都按线弹性变化，不再出现塑性变形。为防 止结构发生低周疲劳，结构必须具有安定性。 结构安定性条件:弹性应力范围不大于屈服极限的二倍。 42
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其它失效形式 腐蚀： 壁厚减薄； 小腐蚀坑处应力增大降低了疲劳强度。 侵蚀： 流体对管道的侵蚀，如浆体管道、两相流、泵进口 汽蚀； 碳钢管道氢蚀因素有喘流、低PH值、低含氧量。 应力腐蚀： 金属材料在腐蚀介质中经历一段时间拉应力后出现 裂纹与断裂的现象。 氢蚀： 氢脆现象（溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应 力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的 裂纹。）
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管道受到的载荷：
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安全阀泻放、柱塞流、风、波浪、地震、水/ 汽锤等偶然荷载； 压力循环、温度循环、转动设备、涡激振动等 循环荷载 。
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管道变形的基本形式：
拉伸、压缩
剪切
扭转
弯曲
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管道的失效形式：
管道应力分析的主要目标是阻止管道失效，因此了 解管道的失效形式非常重要。常见的管道失效形式 如下： 静态断裂
s1 sb
s 1 [s ]
sb
nb
适用于铸铁等脆性材料。这一理论没有考虑其它两个主应力的 影响，且对没有拉应力的应力状态无法应用。
最大伸长线应变理论：
该理论认为：最大伸长线应变是引起断裂的主要原因 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大伸长线应变 达到单向拉伸时的极限应变，材料就会发生脆性断裂。
保证管道结构的整体安全 各种设计载荷作用下管道的应力在规范的许用范围 内。 保证管道系统运行正常 动（静）设备管口载荷符合制造商或公认标准的要 求； 避免法兰等连接件泄露； 避免管道位移量过大，影响其它设备或管道的运行； 避免明显的管道振动。 优化设计
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范围：
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内容：
项 目 工 艺 项目计划 PID 工艺管线表 数据表 设备图纸 设 备 管口许用载荷 土 土建结构图纸 建 地质参数 布置图、3D 配 管 ISO图 管道等级 特殊件要求
t
σ1
σ3
B31.1没有包含持续轴向外载产生的轴向应力SAX， 忽略内压径向应力SR，上式变为：
(SLP SC ) σ
t
即：
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偶然应力：
许用应力放大系数K： 1.15--每次作用时间不超过8h,每年不超过800h; 1.20--每次作用时间不超过1h,每年不超过80h;
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位移应力范围：
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这是因为依据规范进行柔性分析计算的弯曲载荷引 起的应力范围约是峰值应力范围的一半。对于典型 的对焊管的焊接接头，其应力集中系数为2。由于应 力是与对焊管的疲劳曲线相比较，计算得到的是实 际峰值应力范围的一半。因此，理论应力，例如弯 头中由弯曲载荷产生的应力，是按规范进行管道柔 性分析计算的应力的2倍。
管道应力的校核主要是为了防止管壁内应力过大造 成管道自身的破坏。各种不同荷载引起不同类型的 应力，不同类型的应力对损伤破坏的影响各不相同， 如果根据综合应力进行应力校核可能导致过于保守 的结果，因此管道应力的校核采用了将应力分类校 核的方法。 应力分类校核遵循的是等安全裕度原则，也就是说， 对于危险性小的应力，许用值可以放宽;危险性大的 应力，许用值要严格控制。 应力分类是根据应力性质不同人为进行的，它并不 一定是能够实际测量的应力。
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脆性断裂： 不可预期且突然发生； 脆性材料； 塑性材料当温度低于某一限定值时韧性降低。
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疲劳断裂 在低于材料强度的交变应力作用下突然断裂。
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蠕变断裂 在高温情况下，温度和应力保持不变而应变不断增 加最终断裂。
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失稳 管道失稳主要由压应力导致； 主要出现在大直径薄壁管道； 深水环境中的厚壁管也可能出现失稳。
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确定方法: 疲劳试验方法:
按照不同应力幅对直管进行一系列疲劳试验，根据 试验结果，拟合得到直管疲劳曲线表达式: S P N b C 按照不同应力幅对管件进行一系列疲劳试验，根据 试验结果，拟合得到管件疲劳曲线表达式: S F N b C1 应力增大系数: i S P / S F C / C1 31 由以上两式得: i C / S F N b
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应力ISO图:
在管道单线图的基础 上增加应力分析的节 点号、约束点的位置 及类型、约束点的位 移量及载荷、备注等 信息。