压力管道应力分析内容及特点

压力管道应力分析的内容及特点
【摘要】：本文概括论述了压力管道应力分析的内容和任务，并对压力管道安全评定的特点进行了说明。

【关键词】：压力管道应力分析
1.引言
压力、重力、风、地震、压力脉动、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。

2. 管道应力分析的任务
2.1 管道静力分析的任务
管道静力分析需要完成的任务：
（1）计算管道的应力并使之满足标准规范的要求，保证管道自身的安全（包括防止法兰泄漏）；
（2）计算管道对与其相连的设备的作用力，并使之满足标准规范的要求；
（3）计算管道对支吊架和土建结构的作用力，为支吊架和土建结构的设计提供依据；
（4）计算管道位移，防止位移过大造成支架脱落或管道碰撞，并为弹簧支吊架的选用提供依据。

2.2 管道动力分析的任务
管道动力分析需要完成的任务：
（1）管道的地震分析，防止管道在地震中发生破坏；
（2）往复压缩机和往复泵管道的固有频率和振型分析，防止管道系统发生机械共振；
（3）往复压缩机管道气体压力脉动分析，避免气柱共振和压力脉动过大，从而防止管道振动过大；
（4）水锤、安全阀泄放荷载和两相流所产生的支架荷载计算，为支架和土建结构的设计
提供依据。

在进行上述分析的过程中，应该根据实际情况不断对管道布置和支吊架的设置加以修改，在满足安全性的前提下，力求得到最优化的结果。

3.压力管道安全评定的方法
3.1 静设备的允许荷载
（1）管道作用于容器设备管口的荷载不应超过设备制造商或设备专业规定的允许值，
（2）管道作用于工业炉管口的荷载不应超过工业炉制造商或工业炉专业规定的允许值，
3.2 转动机器的允许荷载
管道作用于转动机器管口的荷载不应超过机器制造商或机械专业规定的允许值，当制造商或机械专业无数据时，可参考相关标准进行核算
（1）离心泵管口的允许荷载可参考api 610的规定；
（2）汽轮机管口的允许荷载可参考nema sm23的规定；
（3）离心压缩机管口的允许荷载可参考api 617的规定；
（4）螺杆式压缩机管口的允许荷载可参考api 619的规定。

3.3 往复机械的压力脉动及振动控制
（1）往复式压缩机进出口管道的压力脉动和振动控制可参考api 618的规定；
（2）往复泵进出口管道的压力脉动和振动控制可参考api 674
的规定。

4.压力管道的应力分类及校核准则
4.1压力管道的应力分类及校核准则
压力管道应力分析的重点是整个管系的应力，而不是详细分析某一局部。

考虑到管系的复杂性，要完成这一任务就必须对管道的几何特性进行简化，否则将导致计算过于复杂，而使分析无法完成。

目前管道应力分析依据的标准主要是asme b31系列。

在该标准系列中虽未专门说明管道在几何上采用了薄壁假设，但从其壁厚计算公式及其适用条件、截面惯性矩和应力的计算公式可以明确地看到，asme b31系列标准采用了薄壁圆筒假设。

（1）管道应力分析中的薄壁假设
薄壁圆筒与厚壁圆筒的划分一般以k=do/di=1.2为界，do和di 分别为管道外径和内径。

当k≤1.2 时为薄壁圆筒，k>1.2时为厚壁圆筒。

对于薄壁圆筒的应力分布，在理论上有以下假设：
1）由于壁厚很薄，认为应力沿壁厚均匀分布；
2）对薄壁圆筒，径向应力бr 与环向应力бθ和轴向应力бz
相比很小，可以忽略不
计，即认为бr=0。

对于内压圆筒，如果采用薄壁假设，k=1.2时的计算误差约为10%，这在工程上是允许的。

（2）压力管道的应力分类
压力管道设计普遍遵循的规范是asme b31系列，我国规范gb 50316中有关管道应力分析的标准基本上参考了asme b31系列。

为方便起见，此处以工艺管道标准asme b31.3为例进行讨论。

asme b31 系列中各标准在应力校核准则方面存在一些区别，总的来讲这些区别是非原则性的。

在asme b31.3中并未直接提及“一次应力”和“二次应力”这两个术语。

但其应力校核准则实际上是按一次应力和二次应力分别进行的。

国内外管道应力分析相关资料大多对一次应力和二次应力的概念进行了说明。

（3）压力管道的应力校核准则
asme b31.3中的一次应力校核准则为：
由压力、重力和其他持续荷载在管道中产生的纵向应力之和不得超过热态许用应力
asme b31.3中的二次应力校核准则为：
由热膨胀、冷缩及端点位移等引起的位移应力范围不得超过许用值，当许用值大于由热膨胀、冷缩及端点位移等引起的位移应力范围时，它们之间的差值可以加到许用值上.
在asme b31.3中，二次应力范围是忽略轴向力作用情况下的最大剪应力理论的当量应力。

asme b31.3要求在计算二次应力范围时考虑管道在几何不连续处产生的应力集中，其方法是乘上一个应力增大系数，而不是进行局部的详细分析。

4.3 压力管道应力分类及校核准则的特点
压力管道应力分析的重点是整个管系的应力，不进行局部分析；为使计算进一步简化采用了薄壁假设，各类应力沿管道壁厚均匀分布。

总结起来压力管道应力校核准则具有以下主要特点。

第一，asme b31.3的一次应力校核准则只校核管道纵向应力，不遵循最大剪应力理论和其他强度理论。

二次应力校核准则中的当量应力采用了最大剪应力的形式，但在计算当量应力时只考虑弯矩和扭矩的作用，不须考虑管道轴向力的影响。

另外，二次应力校核的是位移应力范围。

第二，压力管道应力分析中不计算局部薄膜应力和弯曲应力。

第三，asme b31.3的二次应力校核准则来源于结构的安定性条件，满足安定性条件可以防止低周疲劳。

文献[24]对压力管道二次应力校核准则的推演过程进行了详细的说明，本文不再赘述。

第四，满足安定性条件只能防止低周疲劳，asme b31.3为防止高循环疲劳，在二次应力校核准则中引入了应力范围减小系数f，当循环次数较高时，对允许应力变化范围进一步限制，从而防止疲劳破坏的发生。

在计算二次应力变化幅度时，通过应力增大系数考虑应力集中的影响。

5.结论
本文概述了压力管道应力分析的内容及任务，对压力管道安全评定的方法进行了讨论，说明了管道应力分析的复杂性。