管道应力分析和计算

新生培训教材

管道应力分析和计算

（机务专业篇）

国核电规划设计研究院机械部 二零一零年十一月 北京

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目次

1 概述

1.1 管道应力计算的主要工作

1.2 管道应力计算常用的规范、标准1.3 管道应力分析方法

1.4 管道荷载

1.5 变形与应力

1.6 强度指标与塑性指标

1.7 强度理论

1.8 蠕变与应力松弛

1.9 应力分类

1.10 应力分析

2 管道的柔性分析与计算

2.1 管道的柔性

2.2 管道的热膨胀补偿

2.3 管道柔性分析与计算的主要工作2.4 管道柔性分析与计算的基本假定2.5 补偿值的计算

2.6 冷紧

2.7 柔性系数与应力增加系数

2.8 作用力和力矩计算的基本方法

2.9 管道对设备的推力和力矩的计算

3 管道的应力验算

3.1 管道的设计参数

3.2 钢材的许用应力

3.3 管道在内压下的应力验算

3.4 管道在持续荷载下的应力验算

3.5 管道在有偶然荷载作用时的应力验算3.6 管系热胀应力范围的验算

3.7 力矩和截面抗弯矩的计算

3.8 应力增加系数

3.9 应力分析和计算软件

1 概述

1.1 管道应力计算的主要工作

火力发电厂管道（以下简称管道）应力计算的主要工作是验算管道在内压、自重和其他外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力；判断计算管道的安全性、经济性、合理性，以及管道对设备产生的推力和力矩应在设备所能安全承受的范围内。

管道的热胀应力应按冷、热态的应力范围验算。管道对设备的推力和力矩应按冷状态下和工作状态下可能出现的最大值分别进行验算。

1.2 管道应力计算常用的规范、标准

（1）DL/T 5366－2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规程及其勘误

（2）ASME B 31.1－2007动力管道

(3 ) DL/T 5054-1996 火力发电厂汽水管道设计技术规定

在一般情况下，对国内工程采用DL/T 5366进行管道应力验算。对涉外工程或用户有要求时，可采用B 31.1进行管道应力验算。

1.5.3 应力

在外力作用下，构件发生变形，这说明构件材料内部在外力作用下变形时原子间的相对位置产生了改变，同时原子间的相互作用力（吸引力与排斥力）也发生了改变。这种力的改变量称为内力。

内力是沿整个断面连续分布的，单位面积上的内力强度，即应力，以“σ”表示。

1.5.4 应变与弹性模量

（1）应变：构件或物体受外力（荷载）作用下将产生变形，为表明变形的程度，需计算单位长度内的变形，即应变，以“ε”表示。

（2）弹性模量：弹性模量E ，代表材料在受到拉伸（或压缩）作用时对弹性变形的抵抗能力。当杆件长度、断面积、外力以及温度均相同的条件下，E 的数值越大，杆件的轴向伸长（变形）越小。因此，E 也可说是衡量材料刚度的指标。

在弹性范围内，应力＝弹性模数×应变，即σ＝E·ε。

（3）泊松比：在弹性范围内，横向线应变与轴向线应变之比为一常数，此常数的绝对值称为泊松比，以“υ”表示。

泊松比的数值，对汽水管道常用的钢材，由试验得出，在弹性状态下约在0.25至0.35之间，在实用计算中取为0.3。但是，它随着钢材塑性变形的发展而增加，对塑性状态下可近似地取为0.5。

（4）剪切弹性模量：表示材料在线性弹性性态时抵抗剪切变形的能力。剪应力与剪应变也服从虎克定律。剪切弹性模量G 与弹性模量E 和泊松比有以下关系：G ＝ ，若取常用管道钢材在弹性状态下的泊松比υ＝0.3，则剪切弹性模量G 将等于

6

.2E 。 )+υ1(2E

1.6 强度指标与塑性指标

钢材的强度特征与变形特征是用一定的强度指标与塑性指标来衡量的，这两类指标都是表示钢材力学性能（机械性能）的物理量，它们都可以通过钢材的拉伸试验来得到。

1.6.1 强度极限σb：在拉伸应力－应变曲线上的最大应力点，单位为MPa。

1.6.2 屈服极限σS：材料在拉伸应力超过弹性范围，开始发生塑性变形时的应力。有些材料的拉伸应力－应变曲线并不出现明显的屈服平台，即不能明确地确定其屈服点。对此种情况，工程上规定取试样产

表示，单位生0.2％残余变形的应力值作为条件屈服极限，用σs

（0.2%）

为MPa。

1.6.3 持久强度σD t：在给定温度下，使试样经过一定时间发生蠕变断裂时的应力。在工程上通常采用试样在设计温度下10万小时断裂时的平均值σD t表示，单位为MPa。

1.6.4 蠕变极限σD t：在给定温度下和规定的持续时间内，使试样产生一定蠕变量的应力值。工程上通常采用钢材在设计温度下，经10

万小时，蠕变率为1％时的应力值，单位为MPa。

1.6.5 延伸率δ：试样在拉伸试验中发生破坏时，产生了百分之几的塑性伸长量，是衡量钢材拉伸试验时塑性的一个指标。试样的原始长度，一般选择为试样直径的5倍或10倍，因此，试样有δ5和δ10值，单位为百分率（％）。

1.6.6 断面收缩率ψ：断面收缩率表明试样在拉伸试验发生破坏时，缩颈处所产生的塑性变形率，它是衡量材料塑性的另一指标，单位为百分率（％）。

1.6.7 冲击功：钢材在进行缺口冲击试验时，消耗在试样上的能量，称为冲击功，用A k表示，单位为焦耳（J）。消耗在试样单位截面上的冲击功，即冲击韧性（也称冲击值），用αk表示，单位为J/cm2。

1.6.8 硬度：反映材料对局部塑性变形的抗力及材料的耐磨性。硬度有三种表示方法，即布氏硬度HB、洛氏硬度HR和维氏硬度HV，其测定方法和适用范围各异。

1.7 强度理论

常用的材料强度理论有四种，分别是：

1.7.1 第一强度理论－最大拉应力理论，其当量应力为

S＝σ1（式1.7.1）它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大拉应力。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大拉应力达到材料单向拉伸断裂时的最大应力值，材料即发生断裂破坏。

1.7.2 第二强度理论－最大伸长线应变理论，其当量应力为

S＝σ1－υ（σ2＋σ3）（式1.7.2）它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大伸长线应变。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大伸长线应变达到材料单向拉伸断