15.压力管道应力分析详解

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

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。
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
单独二次应力
e t
f 1.25 0.25


tБайду номын сангаас


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

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：

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 2 P
t
PDw
按内径计算：
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

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
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
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

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
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
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