15.压力管道应力分析详解

压力管道的强度计算

参数确定
焊缝系数φ

无缝管φ=1.0; 单面焊接的螺旋线钢管φ=0.6; 纵缝焊接钢管：
双面焊的全焊透对接焊缝： 100%无损探伤，φ=1.0； 局部无损探伤，φ=0.85。 单面焊的对接焊缝，沿焊缝根部全长具有垫板： 100%无损探伤，φ=0.9； 局部无损探伤，φ=0.8。
自限性载荷（属静力载荷） 由于管道结构变形受约束所产生的载荷，不直接与外部 载荷平衡，当管道材料塑性较好时，其最大值限定在一定范 围内，不会无限制增大的载荷。 如管道温度变化产生的热载荷；结构曲率发生突变处附 近的边缘应力等 非自限性载荷（属静力载荷） 直接由外部作用的外力载荷。如介质压力、管道自重等

安定性
结构在载荷（包括热负荷）反复变化的过程中，不再发生 塑性变形的连续循环

安定性准则
由于塑性材料具有二次应力的局部性和自限性，控制结构 在运行中不发生疲劳破坏，使结构保持安定，而限定二次
应力范围的方法

一般压力管道应力许用值的限定
一次应力的限定

内压作用下 t 内压轴向力和持续外载作用下 zhl r 二次应力的限定 t 一次应力加二次应力 1.25 f
一次总体薄膜应力（Pm）
它是管道的基本应力，分布在整个管道上，在管道的截面 上是均匀分布的。如内压力引起的管道环向应力和轴向应力 一次弯曲应力（Pb） 这个应力在管道的很大区域内分布，在管道截面上的分布是 沿厚度变化的，呈线性分布。这种应力达到屈服时，只是局部 屈服，如果继续加载，应力在管道截面上的分布重新调整，允 许比一次总体薄膜应力具有较高的许用应力。 如由于管道的自重和机械载荷引起管道的弯曲变形产生的 弯曲应力等 一次局部薄膜应力（Pl） 由于压力或机械载荷引起的分布在局部范围内的薄膜应力。 这种应力达到屈服时，由于材料的塑性变形，也只引起局部屈 服，周围仍受到弹性材料的约束，允许在局部区域内产生屈服。 如管道支架处或管道接管连接处产生的应力
压力管道的强度计算

承受内压管子的应力分析
pDn 2S pDn2 z 4 S Dn S
r
p 2
上面的 , z , r （分别为：环向应力、轴向应力、 径向应力）三个表达式是承受内压圆筒应力分布 计算式（Lame公式）的平均值。Lame公式是承 受均匀分布内压圆筒的精确应力计算式
压力管道应力分析
压力管道的载荷和应力分类

载荷的定义
凡是引起结构产生变形的条件称为载荷
载荷的分类
1、具有不同特征的载荷产生的应力状态， 对破坏的影响不同 2、对载荷分类可以方便研究不同载荷对结 构失效的影响
按载荷作用的时间长短分类
恒载荷 持续作用于管道的载荷，如介质压力、支吊架反力、管道自 重、热膨胀受约束产生的热负荷、应变自均衡产生的自拉力、 残余应力等 活载荷 临时作用于管道上的载荷，如风载荷、地震载荷等

按载荷是否随时间变化分类
静力载荷 缓慢、无振动地加到管道上的载荷，大小和位置均与时间无 关，或极为缓慢地变化，惯性力很小可略去不计的载荷。 动力载荷 随时间迅速变化的载荷，使管道产生显著的运动，必须考虑 惯性力的影响。如管道的振动、阀门突然关闭时的压力冲击、 地震等

按载荷的作用性质分类

管道计算时主要考虑的静力载荷
介质压力也称压力载荷 持续外载（或机械载荷） 管道自重、支吊架反力和其它外载 位移载荷（或热负荷） 热胀冷缩和端点附加位移


应力分类 由于载荷性质不同，产生的应力性质也不同， 它们对管道的破坏贡献不同。 分类如下：
一次应力（P） 一次应力是由于外载荷作用而在管道内部产生的正 应力或剪应力，它满足与外力平衡的条件。它的特 征是非自限性的，始终随外载荷的增加而增加，最 终达到破坏。由于载荷性质不同，在管道内产生的 应力分布也不同，一次应力又分为：
单独二次应力
e t
f 1.25 0.25


t


t 当 zhl 时，单独计算二次应力时
f 1.25 zhl
t



式中：f 修正系数，交变次数N<7000次时，f=1.0， N≥7000次时,f=0.9
峰值应力
由于载荷、结构形状的局部突变而引起的局部
应力集中的最高应力值。它的特征是整个结构不产
生任何显著的变形，它是疲劳破坏和脆性断裂的可
能根源。如管道中小的转弯半径处、焊缝咬边处等

一般压力管道应力许用值的限定
几个概念



极限状态 当结构元件的某个截面上，达到整个截面发生屈 服时的状态 极限载荷 对应极限状态时施加在结构上的载荷 极限载荷法 认为结构达到极限状态后，不能再进一步承受附 加载荷，由此来规定结构的许用应力值的设计方 法
二次应力（Q） 由于管道变形受约束而产生的正应力或剪应力， 它本身不直接与外载荷相平衡。
二次应力的特点是具有自限性，当材料是塑性 材料时，在较大应力区域产生塑性变形与之相邻部 分的约束得到缓解，变形趋向协调，应力不再继续 增大，自动地限制在一定的范围内。 二次应力还具有局部性，就是二次应力作用的 区域范围限制在局部区域内。如管道由于热胀冷缩、 管道的曲率发生突变、其它位移受到约束而产生的 应力均属于二次应力

压力管道的强度计算

参数确定
壁厚附加量C=C1+C2 C 无缝直管壁厚负偏差C1按下式计算： 1 100 S1 普通钢管厚度负偏差α值

直管壁厚计算式
由最大剪应力理论可得管子的壁厚计算式： 按外径计算：
S1 计算：
S1
2 P
t
PDn
考虑管子制造负偏差和腐蚀裕量，工程上的管 子壁厚计算式为 S S C
j 1

参数确定


设计压力P 取设计压力≥最高工作压力 材料的许用应力[σ]t 首先根据输送介质的操作条件（如压力、温 度）及其在该条件下的介质特性（毒性、易 燃性、腐蚀性和渗透性）选定管子材料，然 后查该管材在设计温度下的许用应力值