第5章_管道应力分析

1.管道应力分析基础2.金属管和管件的强度计算3.管道静力分析及其简化方法4.管系的动力分析第五章管道应力分析第一节管道应力分析基础一、管道承受的载荷及其应力状态1.压力载荷可能在几种不同压力、温度组合条件下运行的管道，应根据最不利的压力温度组合确定管道的设计压力。2.持续外载荷包括管道基本载荷（管子及其附件的重量，管内介质的重量和管外保温的重量）、支吊架的反作用力、以及其他集中和均布的持续载荷。持续外载荷可使管道产生弯曲应力，扭转应力，纵向应力和剪应力。压力载荷和持续外载荷在管道上产生的应力属于一次应力，其特征是非自限性的,即应力随着载荷的增加而增加。当管道产生塑性变形时，载荷并不减少。5.1管道应力分析基础3.热胀和端点位移与设备相连接的管道，由于设备的温度变化而出现端点位移，端点位移也使管道变形。这些变形使管道承受弯曲、扭转、拉伸和剪切等应力。这种应力属于二次应力，其特征是自限性的。当局部超过屈服极限而产生少量塑性变形时，可使应力不再成比例的增加而限定在某个范围内。当温度恢复到原始状态时，则产生反方向的应力。5.1管道应力分析基础4.偶然性载荷包括风雪载荷、地震载荷、水冲击以及安全阀动作而产生的冲击载荷。在一般静力分析中，不考虑这些载荷。对于大直径高温、高压剧毒、易燃易爆介质的管道应加以核算。偶然性载荷与压力载荷、持续外载荷组合后，允许达到许用应力的1.33倍。5.1管道应力分析基础二、管道的许用应力和许用应力范围1.许用应力和安全系数管道的许用应力是管材的基本强度特性除以安全系数。目前国内尚无管道设计的国家标准。在《钢制压力容器》标准（GB150-1998）中列有钢管及螺栓的安全系数。并列有不同钢材的许用应力。抗剪许用应力为表中许用应力的0.8倍。5.1管道应力分析基础2．热胀许用应力范围、应力松弛与自冷紧管道承受载荷所产生的一次应力是非自限性的。一次应力值不超过管材的许用应力即认为是可靠的。而对于自限性的二次应力则用热胀许用应力范围来判断。5.1管道应力分析基础如果钢管和管件所用的材料都是延展性很好的材料，在运行初期，初始应力超过屈服强度而发生塑性变形，不致引起管道的破环。在高温的持续作用下，管道的某个局部进一步产生塑性变形而产生应力松弛。当管道重新回到冷态时，则产生反方向的应力，这种作用与管道的冷紧相似，称为自冷紧。如果冷态与热态的应力分别小于其屈服强度，则管道在弹性范围内工作是可靠的。热态与冷态应力的代数差，称为应力范围。5.1管道应力分析基础热胀许用应力范围不应大于按式5-1计算所得的数值。(5-1)式中——热胀许用应力范围，MPa；，——热态和冷态管材的许用应力，MPa；f——在全部工作年限内，根据管道伸缩的总循环次数确定的应力降低系数。如表5-1所示。)25.025.1(hCAfAhC5.1管道应力分析基础表5-1应力降低系数f5.1管道应力分析基础为了改善和平衡冷热态时管道的受力情况，可在安装时采取冷紧措施(预拉伸或压缩)。冷紧可降低管道对固定支架的推力，也可防止法兰连接处弯矩过大而发生泄漏。但冷紧对于由延性良好的材料制成的管道的可靠性没有影响。对于延性良好的管道而言，只要一次应力不超过许用应力，二次应力不超过热胀许用应力范围，不论冷紧与否都是可靠的。5.1管道应力分析基础图5-1应力松弛现象图h一加热；w一操作；c一冷却；t一时间；σ一应力；ε－应变；一应力范围；一屈服点；其余符号与公式(5-2)相同[图(a)(b)(c)中虚线为冷紧时的曲线；实线为无冷紧时的曲线。]5.1管道应力分析基础三、管道热胀及其补偿(一)管道的热胀量和热胀方向如管系为一直管，由常温(20℃)受热后将沿着轴向膨胀。其热胀量可按公式5-4计算。(5-4)式中——管系的热胀量，cm；——管系的温升，℃；——线膨胀系数，由20℃至t℃的每m温升1℃的平均线膨胀量，cm/m·℃；L——管系的长度，m。ttteLTLtTt5.1管道应力分析基础如管系为任意形状，由常温(20℃)受热后将沿管系两端点连线方向膨胀，如图5-2(b)，其热胀量按公式5-5计算。(5-5)式中U——管系两端点的直线距离，m。TUtt5.1管道应力分析基础图5-2管系热胀方向示意图5.1管道应力分析基础(二)管系沿坐标轴X，Y，Z方向上的热胀量管系在坐标轴X，Y，Z方向上的热胀量是管系两端点A，B的直线长度在X，Y，Z轴上的投影长度与该管单位热胀量的乘积。A，B为管系的两个端点。该A点固定，B点为热胀前的端点位置，B’点为热胀后的端点位置，管系受热后在X，Y，Z向的热胀量、、可由公式5-6确定。tXtYtZ5.1管道应力分析基础(5-6))]20()20([)()]20()20([)()]20()20([)(112212112212112212ttLeeLZttLeeLYttLeeLXttZttZtttYttYtttxttxt222))()(ttttZYX（5.1管道应力分析基础式中Lx、LY、Lz——管系两固定点间的直线长度在X、Y、Z轴上的投影长度，m；———管系冷态、热态的温度，℃；———由20℃至之间的平均热胀系数，cm/m·℃；———由20℃至之间的单位热胀量，cm/m。21tt、21tt、21tt、21tt、21ttee、5.1管道应力分析基础(三)端点位移(端点附加位移)无端点位移时，管系的补偿值与热胀量相等，有端点位移时可按公式5-7计算。(5-7)5.1管道应力分析基础(四)计算温度在确定计算温度时，不仅要考虑正常操作条件的温度，还应考虑吹扫、开工、停工、除焦，再生等情况下最不利的温度。5.1管道应力分析基础(五)管道的热补偿为了防止管道热膨胀而产生的破坏作用，在管道设计中需考虑自然补偿或设置各种型式的补偿器以吸收管道的热胀和端点位移。除少数管道采用波型补偿器等专用补偿器外，大多数管道的热补偿是靠自然补偿实现的。5.1管道应力分析基础1.自然补偿管道的走向是根据具体情况呈各种弯曲形状的。利用这种自然的弯曲形状所具有的柔性以补偿其自身的热胀和端点位移称为自然补偿。有时为了提高补偿能力而增加管道的弯曲，例如：设置U形补偿器等也属于自然补偿的范围。自然补偿构造简单、运行可靠、投资少，所以被广泛采用。5.1管道应力分析基础2.波形补偿器随着大直径管道的增多和波形补偿器制造技术的提高，近年来在许多情况下得到采用。波形补偿器适用于低压大直径管道。但制造较为复杂，价格高。波型补偿器一般用0.5～3mm薄不锈钢板制造，耐压低，是管道中的薄弱环节，与自然补偿相比较，其可靠性较差。5.1管道应力分析基础波型补偿器有下述几种型式:(1)单式波型补偿器这是最简单的一种波型补偿器，由一组波型管构成，如图5-3所示。一般用来吸收轴向位移，也可吸收角位移和横向位移以及上述三种位移的组合。5.1管道应力分析基础图5-4单式波型补偿器示意图5.1管道应力分析基础(2)复式波型补偿器复式波型补偿器由两个单式波型补偿器组成，可用来吸收轴向和/或横向位移。图5-5为一带拉杆的复式波型补偿器的安装示意图。管道成Z型，补偿器可吸收拉杆之间管道的轴向膨胀量，内压推力由拉杆承受。两侧的管道的膨胀使补偿器产生横向位移。两个波形管均产生角位移。5.1管道应力分析基础(3)压力平衡式波型补偿器图5-6为一典型的压力平衡式波型补偿器。这种补偿器可避免内压推力作用于固定支架、机泵或工艺设备上。虽然两侧波形管的弹力有所增加，但与内压推力相比是很小的。这种补偿器可吸收轴向位移和横向位移以及二者的组合。5.1管道应力分析基础(4)铰链式波型补偿器铰链式波型补偿器由一单式波型补偿器在两侧加一对铰链组合而成。这种补偿器可在一个平面内承受角位移。铰链式波型补偿器一般由两个或三个铰链式波型补偿器成组布置在一个平面内。每个补偿器在工作时只承受角位移。图5-7为铰链式波型补偿器的简图和三个波型补偿器的安装示意图。5.1管道应力分析基础3.球形补偿器球形补偿器亦称球形接头，从60年代开始，日本、美国等利用球形补偿器解决管道的热胀和设备基础的不均匀下沉等使管道变形的问题。我国多用于热力管网，效果较好。球形补偿器的补偿能力是U形补偿器的5～10倍；变形应力是U形补偿器的1/3～1/2，流体阻力是U形补偿器的60～70%。球形补偿器的构造见图5-8。其关键部件为密封环，国内多用聚四氟乙烯制造，并以铜粉为填加剂，可耐温250℃，球体表面镀0.04～0.05mm厚硬铬。5.1管道应力分析基础球形补偿器可使管段的连接处呈铰接状态，利用两球型补偿器之间的直管段的角变位以吸收管道的变形，国产球形补偿器的全转角θ≤15°，在此角度内可任意转动，如图5-9所示。5.1管道应力分析基础国产球形补偿器的使用范围为工作压力≤2.5MPa，工作温度≤250℃；当使用耐高温的密封环时，工作温度可达320℃。工作介质为无毒，非可燃的热流体。例如蒸汽，热水等。不同压力下，不同规格的球形补偿器的最大转动扭矩见图5-10。5.1管道应力分析基础通常将两个或三个球形补偿器布置在Z、U、L形管道上。球形补偿器的安装方法有预变形法和非预变形法两种，如图5-11所示。三个球形补偿器的动作见图5-12。5.1管道应力分析基础图5-11球形补偿器安装方法示意图5.1管道应力分析基础图5-12三个球形补偿器动作示意图5.1管道应力分析基础球形补偿器的全转角θ，球心距L(m)和补偿能力Δ(m)三者之间的关系见式5-8、式5-9关联式。a)对预变形法(5-8)b)对非预变形法(5-9)2sin2Lsin2L5.1管道应力分析基础球形补偿器的球心距L越大，补偿能力越大。正常运行时不得使转角大于球形补偿器的允许值。考虑到安装误差和操作温度等误差，按球形补偿器全转角θ计算所得的Δ应比实际补偿量大1.5倍。球心距L值不得超过两个活动支架间距的80%。5.1管道应力分析基础球形补偿器的变形推力F按式5-10计算：(5-10)式中F——球形补偿器变形所需的推力，N；M——球形补偿器转动扭矩，见图5-10，N·m；L——球心距，m。LMF25.1管道应力分析基础图5-13使用两个球形补偿器吸收主管与支管膨胀量示意图5.1管道应力分析基础第二节金属管和管件的强度计算1.金属直管的强度计算2.弯管、弯头及斜接弯管的强度计算3.三通的强度计算5.2金属管和管件的强度计算一、金属直管1.受内压直管(1)当t0D0/6时，管子壁厚按式(5-23)计算:PPDtt][200(5-23)5.2金属管和管件的强度计算(2)对于t0≥D0/6或的管子，管子的计算壁厚应根据断裂理论、疲劳、热应力及材料特性等因素综合考虑确定。385.0]/[tP(3)焊接钢管的焊缝系数应根据焊接方法、焊缝型式及探伤要求确定，见表5-4。5.2金属管和管件的强度计算表5-4管子焊缝系数(4)钢管壁厚负偏差按表5-5取值表5-5钢管壁厚负偏差表5-5钢管壁厚负偏差5.2金属管和管件的强度计算2.受外压直管承受外压的直管壁厚和加强圈计算应根据GB150-1998《钢制压力容器》第6章规定的方法进行。当确定的管子的许用外压力时，应力应取下列式中的较小值：式中——设计温度下管子材料的屈服极限，MPa。000/10Dt001.5[]0.9ttStS5.2金属管和管件的强度计算二、弯管、弯头及斜接弯管1.弯管与弯头(1)弯管弯曲后的最小厚度应不小于直管扣除壁厚负偏差后的值。(2)未按照SHJ408及SHJ409制造的弯头应进行设计或通过验证试验决定其最大许用工作压力。验证试验可用爆破方法进行、爆破压力可按下式计算：caPP/1102/nPtD5.2金属管和管件的强度计算5.2金属管和管件的强度计算(3)当需要对弯管及弯头进行详细计算时，可采用式(5-25)及式(5-26)确定其壁厚。的薄壁弯管与弯头：04.10iDD0000