压力管道应力分析

•
P 管子的设计压力 MPa;
•
D0 管子的外径， mm;
•
Ej 焊接接头系数;
•
[σ]t 管子材料在设计温度下的许用•ຫໍສະໝຸດ 应力, MPa。•
Y 考虑温差应力影响的系数
• （2）管子设计壁厚tsd • 在工程上，需要考虑强度削弱因素
•
tsd= ts +C
• 式中： tsd 管子的设计壁厚, mm;
•
C 壁厚附加裕量, mm.
• （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
σe ： • σe f[1.25 ([σ] + [σ]t )-σzhl] • 其中：f为修正系数。（p33)
四、压力管道的强度计算
• 1、承受内压管子的强度分析
• 承受内压管子，管内任一点上的应力
• 状态可以用三个主应力来表示：
•
σ1 =σθ= PDn / 2te
•
σ2 =σz= PDn2 / [4te (Dn+te)]
到。
• 4、失效准则
• 失效准则是指在判断构件是否失效时所应 用的最高应力限制，通常的表达式为：
•
σmax ≤[σ]
• 该式也称为强度条件
• （1）一次应力的强度条件
• 对于一次应力，根据极限载荷准则来 规定其许用应力值，这是一个防止结构过 度变形的准则。
• 一般进行下列两项验算：
• 1）管道在工作条件下，内压折算应力的 验算
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、
• 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。
• （2）薄壁管与厚壁管
• 当管道外径/内径1.2时，管道称为薄壁管， 应力分布为两向应力状态或平面应力状态。
• 反之称为厚壁管，应力分布为三向应力状态 或平面应变状态。
• （3）三向应力的计算公式（GB 50316)
•
σθ= PDn / 2te
•
σz= PDn2 / [4te (Dn+te)]
•一次应力、二次应力和峰值应力。
• 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。
• 强度条件为，最大当量应力不超过材料在 工作温度下的基本许用应力
•
σzhl ≤[σ]t
• 该公式的含义为：
• 当以环向应力作为最大应力进行强度设计 后，还应校核与环向应力垂直方向上的轴 向应力是否满足要求，因轴向应力复杂。
• （2）二次应力的强度条件
• 二次应力产生的破坏，是在反复加载 及冷热交换作用下引起的疲劳破坏，根据安 定性准则来规定其许用应力值，这是一个防 止结构反复发生正反方向屈服变形的准则。
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。
• 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 。
• 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。
• （1）管壁中的应力状态
• 在承受内（外）压力作用的管道器壁中， 由于管道几何形状的轴对称性质，可能产生 的主应力有σθ 、σz 、σr 。
• 当管壁的厚度与管直径相比较小时，在半径 方向的挤压应力σr可以忽略不计，管壁内 只有两个方向的主应力，称为两向应力状态 或平面应力状态，反之，称为三向应力状态 或平面应力状态
• 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 。
• 3）峰值应力F
• 峰值应力是由于载荷、结构形状突变而引起 的局部应力集中的最高应力值,是引起疲劳 破坏或脆性断裂的可能根源。
• 3、承压管道中的应力分布
• 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
三、一般压力管道应力许用值的限定
• 1、材料的极限值
• 屈服极限σs、断裂极限σb、蠕变极限σD、 疲劳极限等σn
• 2、安全系数
•
ns =1.5 、 nb=3
• 3、许用应力
•
[σ]=min σs/ ns 、 σb/ nb
• 许用应力是在考虑了各种可能因素的情况
下人为指定的应力许用上限，一般由查表得
• 对这类应力限定，并不是限定一个时 期的应力水平，而是控制其交变循环次数
• 强度条件为：
• 内压和持续外载荷产生的一次、二次应力 σe：
• σe 1.25 f ([σ] + [σ]t ) • 单独计算热胀二次应力σe ： • σe f (1.25[σ] + 0.25[σ]t ) • 考虑轴向载荷时，单独计算热胀二次应力
• 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。
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。
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
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
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）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
• （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。
•
σr= - P / 2
• 式中：P 介质内压 MPa
•
Dn 管子的内径 mm
•
te 管子的有效(当量）壁厚 mm
• （4）其他载荷在管壁中产生的应力主要在 管道的轴向
• 管子重量（自身、介质、保温层） • 零部件的重量 • 支吊架产生的支反力 • 风力、地震产生的载荷 • 管道温度变化所产生的温差应力 • 管道安装所产生的约束力 • 设备的变形或位移在管道上产生的附加载荷
• 当 ts < D0 /6 、设计温度<482时 • 对管道常用材料 Y=0.4
• （6）壁厚附加量C（P35)
• C=C1+C2 • 式中：
•
C1 管子壁厚负偏差、弯管减薄量
•
的附加值，mm。C11的大小与材
料、壁厚及管子级别有关
•
C2 管子腐蚀、磨损减薄量的附加
•
值， mm。 C2的大小与介质有关
际设计中以介质的操作温度作为设计温度
• ts= PD0 / (2[σ]tEj+ PY) • （3）许用应力[σ]t （GB 50316 ，P102)
• 许用应力的选取要考虑四方面的因素:
• 材料、使用状态、厚度范围、设计温度
• （4）焊接接头系数Ej（GB 50316 ，P21)
•
Ej ≤1.0
• （5）系数Y （GB 50316 ，P44)
• 内压在管道器壁上产生的主应力分别为：
• 环向、轴向、径向
• 强度条件为，最大当量应力不超过材料在 工作温度下的基本许用应力
• • 其中:
σe ≤[σ]t
• σe 内压折算应力或叫当量应力 • t 操作时，管道器壁的温度
• 2）管道在工作条件下，内压轴向应力和 持续外载荷的验算
• 轴向应力 除了内压外，外载荷如管道重量、 部件重量、支反力也会在轴向产生弯曲应 力与内压轴向应力叠加。
• 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。
• （3）管子的名义厚度tn
•
tn ≥ tsd并向上圆整到材料标准规格
的厚度
• 3、设计参数的确定 • ts= PD0 / (2[σ]tEj+ PY) • （1）设计压力P（GB 50316 ，P13) • 设计压力应不小于操作条件最苛刻时的压
力。 • （2）设计温度 • 原则上说，设计温度应为管道器壁温度，实
• （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：
• A、应力产生的原因
• 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
• 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：
•
σ3 =σr= - P / 2
• 式中：P 介质内压 MPa
•
Dn 管子的内径 mm
•
te 管子的有效(当量）壁厚 mm
• 2、管子壁厚计算（GB 50316)
• （1）管子计算壁厚ts
• 承受内压管子计算壁厚公式：
•
ts= PD0 / (2[σ]tEj+ PY)
• 式中： ts 管子的计算壁厚, mm;
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。