压力管道应力分析-PPT课件
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第二章
压力管道强度及应力分析
杨玉芬
一、压力管道应力分析的目的和意义
• 1、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 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。 • 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。 • 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。
• （2）应力分类
• • •
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。 这种作用又取决于下列两个因素： 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
• A、应力产生的原因
• 外载荷是机械载荷还是热载荷；
•B、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 •沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性 的。 •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： •一次应力、二次应力和峰值应力。
• （2）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、 保温层）不容忽视。 • 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 生压应力，困难造成失稳破坏。 • （3）零部件的重量 • （4）支吊架产生的支反力
• • • •
（5）风力、地震产生的载荷 （6）管道温度变化所产生的温差应力 （7）管道安装所产生的约束力 （8）设备的变形或位移在管道上产生的 附加载荷 • （9）此外，还有介质在管内的流动所引 起的各种动载荷
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。 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。
4、压力管道应力分析的目的 压力管道的设计应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，保证压力管道的安全性和经济性。 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 设计的重要理论基础。
• b．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。 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， 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 膜应力。
• 如：风载荷在管壁产生的轴向弯曲应力。
• c．一次局部薄膜应力（Pl） • 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 效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄膜应 力。 • 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 接处。
二、压力管道应力分析
• • • • • • • 1、载荷的分类 （1）根据作用时间分： 持续载荷 介质压力、重量、支反力、热应力、残余应力等 瞬间载荷 临时作用于管道的载荷， 风载荷、地震载荷等
• （2）根据作用性质分： • 静载荷 • 缓慢、毫无振动的、使管道不产生显著运动 的载荷 • 动载荷 • 管道振动、压力冲击、风，地震载荷等
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• 2）二次应力(Q) • 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。 • 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 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 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。 • 二次应力的特点是自限性 。
• 1）一次应力（P） • 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， 一次应力的基本特征是“非自限性”。 • 如：管道介质压力、支反力、集中载荷等。
• 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 效及破坏影响最大。 • 一次应力还可分为以下三种 : • a．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 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 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。
3、不同性质的载荷对管道安全的影响有很 大差别 例如： （1）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 为应力没有自限性。 （2）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 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。
• • • •
2、管道所承受的载荷复杂 作用于管道的载荷有： （1）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 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。 • 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 附加载荷。 • 对于厚壁管，还会产生沿半径方向的载 荷。
• （3）载荷的自限性 • 自限性载荷是指由于结构变形协调 过程中所产生的载荷，例如：设备接 管处。 • 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 加位移等，介质内压是强度计算的最 主要的依据。
• 2、应力分类 • （1）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 受的内力 • 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， 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、 开裂、断裂、失稳等现象，称为失效或破坏。
• 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 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。 • 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 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 的设计保障管道的强度。
压力管道强度及应力分析
杨玉芬
一、压力管道应力分析的目的和意义
• 1、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 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。 • 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。 • 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。
• （2）应力分类
• • •
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。 这种作用又取决于下列两个因素： 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
• A、应力产生的原因
• 外载荷是机械载荷还是热载荷；
•B、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 •沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性 的。 •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： •一次应力、二次应力和峰值应力。
• （2）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、 保温层）不容忽视。 • 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 生压应力，困难造成失稳破坏。 • （3）零部件的重量 • （4）支吊架产生的支反力
• • • •
（5）风力、地震产生的载荷 （6）管道温度变化所产生的温差应力 （7）管道安装所产生的约束力 （8）设备的变形或位移在管道上产生的 附加载荷 • （9）此外，还有介质在管内的流动所引 起的各种动载荷
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。 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。
4、压力管道应力分析的目的 压力管道的设计应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，保证压力管道的安全性和经济性。 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 设计的重要理论基础。
• b．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。 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， 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 膜应力。
• 如：风载荷在管壁产生的轴向弯曲应力。
• c．一次局部薄膜应力（Pl） • 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 效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄膜应 力。 • 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 接处。
二、压力管道应力分析
• • • • • • • 1、载荷的分类 （1）根据作用时间分： 持续载荷 介质压力、重量、支反力、热应力、残余应力等 瞬间载荷 临时作用于管道的载荷， 风载荷、地震载荷等
• （2）根据作用性质分： • 静载荷 • 缓慢、毫无振动的、使管道不产生显著运动 的载荷 • 动载荷 • 管道振动、压力冲击、风，地震载荷等
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• 2）二次应力(Q) • 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。 • 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 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 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。 • 二次应力的特点是自限性 。
• 1）一次应力（P） • 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， 一次应力的基本特征是“非自限性”。 • 如：管道介质压力、支反力、集中载荷等。
• 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 效及破坏影响最大。 • 一次应力还可分为以下三种 : • a．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 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 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。
3、不同性质的载荷对管道安全的影响有很 大差别 例如： （1）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 为应力没有自限性。 （2）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 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。
• • • •
2、管道所承受的载荷复杂 作用于管道的载荷有： （1）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 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。 • 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 附加载荷。 • 对于厚壁管，还会产生沿半径方向的载 荷。
• （3）载荷的自限性 • 自限性载荷是指由于结构变形协调 过程中所产生的载荷，例如：设备接 管处。 • 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 加位移等，介质内压是强度计算的最 主要的依据。
• 2、应力分类 • （1）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 受的内力 • 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， 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、 开裂、断裂、失稳等现象，称为失效或破坏。
• 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 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。 • 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 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 的设计保障管道的强度。