管道柔性分析与应力计算

今天借这个机会和大家共同学习和探讨一下管道柔性分析与应力计算以及应力计算软件CAESARⅡ。

我们作为管道工程师，配管是我们的主要工作，占据了我们大部分工作时间。一般情况下，管道工程师在配管完成后，应将临界管系提给管道机械工程师进行管道柔性分析与应力计算，通常也简称为应力分析。我们在配管完成后，为什么要进行管道应力分析呢？

主要有以下几个原因：

第一个原因是为了使管道应力在规的许用围，保证所设计的管系及其连接部分的安全性。

第二个原因是为了使管口荷载符合标准规的要求。

第三个原因是为了计算支撑和约束的设计荷载。

第四个原因是为了计算管道位移，从而选择合适的管架。

第五个原因是为了解决管道动力学问题，比如说：机械振动，声频振动，流体锤，压力脉动，安全阀的排放等等。

最后一个原因是为了帮助配管优化设计。

这些原因呢也构成了管机工程师需要完成的工作任务，对这些容呢后面我们会作进一步学习。

今天我们学习的容包括以下五个部分:

1.管道应力分析的相关理论和基础知识。我们简单的学习一下与管道应力分析相关的一些理论和基础知识。

2.管道应力分析的理解和工作任务。

3.实际工作中的管道应力分析的工作过程。

4.管道的柔性设计。

5. CAESARⅡ管道应力计算程序。

我们首先一起学习一下应力分析的理论基础

一管道应力分析的相关理论和基础知识。

应力分析的相关理论和基础知识涉及的容是非常广泛的，象是材料力学，结构力学，有限元，弹塑性力学等等。今天我们只学习和它关系最为密切的一些容。如果有兴趣的话，大家可以在以后时间里进一步学习其他相关知识。

我们学习的第一点是强度理论

在管系上的任一受力点，往往受到多方向应力的作用，例如：轴向应力，环向应力，剪切应力的作用。这些应力会对管道材料的力学性能产生影响，严重时将使管道材料失效或产生破坏。这种影响程度通常用“当量应力强度”来衡量，而定量求解应力强度则要依据相应的强度理论。

涉及的强度理论主要有四种：

第一种是最大主应力理论。最大主应力理论指出材料发生断裂破坏时，其受力横截面上的最大主应力既是最危险的应力。

第二种是最大变形理论。最大变形理论是指材料发生断裂破坏时，最大变形是受力横截面上最危险的情况。

第三种是最大剪切应力理论。最大剪切应力理论是指材料的破坏或性能失效，仅取决于材料所受的最大剪切应力。

第四种是变形能理论。变形能理论是指材料的破坏或性能失效，取决

于材料单位体积变形所积累的位能（即变形能），当其达到临界值时，则视为最危险的情况。

目前，美国和我国的管道设计规均依照最大剪切应力强度理论编制和实施，也就是我们前面谈到的第三个理论，此理论认为：材料最危险的应力应是当其达到屈服点时的最大均匀剪切应力，而该值正好等于最大主应力与最小主应力之差。

我们学习的第二点是管道承受的荷载及其应力状态分析，这一点是我们作为管道工程师，在工作中经常遇到的。

管道上承受的荷载有很多种，常见的有以下几种：

（1）压力荷载化工管道多承受压，也有管道在负压状态下运行，承受外压，如真空，减压装置中的一些管道。

压在管壁上产生环向拉应力和纵向拉应力。而外压则在管壁上

产生环向压应力和纵向压应力

（2）重力荷载

什么是重力荷载呢？比如象管道自重，保温重，介质重，管道上的积雪重等都属于重力荷载。

重力荷载可使管道产生弯曲应力，扭曲应力，纵向应力和剪切

力。

刚才谈到的压力荷载和重力荷载在管道上产生的应力都属于一

次应力。那么什么是一次应力呢？所谓的一次应力，是指由于

外加荷载，象刚才提到的压力和重力，他们的作用产生的应力。

一次应力的特点是：它满足与外加荷载的平衡关系，随外加荷

载的增加而增加，没有自限性，{没有自限性就是说应力随着荷

载的增加而增加。当管道产生塑性变形时，荷载并不随之减少。} 当应力值超过材料的屈服极限时，管道将产生塑性变形而破坏。（3）位移荷载

管道由安装状态过渡到运行状态时，由于管介质温度的升高或

降低，管道产生热胀或冷缩使之变形。与设备相连接的管道，

由于设备温度的变化，从而热胀冷缩引起端点位移，端点位移

也会使管道变形。以上这些变形使管道承受弯曲，扭曲，拉伸，剪切等应力。这种应力属于二次应力。二次应力是由于管道变

形受到约束而产生的应力，它不直接与外力平衡。二次应力的

特点是具有自限性。就是说当管道局部超过屈服极限而产生少

量塑性变形时，应力就能降低下来，不再成比例增加。管道上

的二次应力一般由热胀冷缩和端点位移引起。

(4) 偶然性荷载

包括：风荷载，地震荷载，水锤冲击及安全阀动作产生的冲击

荷载。这些荷载都是偶然发生的临时性荷载，而且不致于同时

发生。在一般静力分析中，不考虑这些荷载。如果是大直径高

温管，高压剧毒，易燃易爆的管道应予以计算。

从上面的容我们可以看出：压力，重力，风，地震，冲击等外

力荷载和热膨胀的存在，是管道产生应力问题的主要原因。其

中，热膨胀问题是管道应力分析所要解决的最常见和最主要的

问题。

以上就是管道承受荷载及其应力状态分析的全部容。

下面我们共同学习一下应力计算方法的分类及应用围

应力计算对于简单管系可采用人工计算，对于复杂管系则采用计算机计算。

下面我就介绍一些主要的计算方法：

（1）表算法（人工手算）

对管系特性要求：适用于一个端点固定，其余端点释放的简单管系。能够计算出的结果：力矩，应力，位移

（2）弹性中心法（人工手算）

对管系特性要求：仅适用于无分支且两端点刚性连接，角位移为零的简单管系。

能够计算出的结果：力，力矩，应力。

没考虑管道自重，约束，集中荷载的影响，不能计算斜管，弧形管。（3）应变能微分法

对管系特性要求：适用于环状多分支且始端点固定，末端释放的简单管系。

能够计算出的结果：力，力矩，应力。

不考虑剪切变形和轴向拉压变形。

（4）等值刚度法（程序计算，属位移法）

对管系特性要求：适用于非环状多分支复杂管系。

能够计算出的结果：力，力矩，应力，位移。

缺点是：不能计算环状闭合管系。