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3—13管道应力3.1石油化工管道应力分析常用规范、标准有哪些？答：石油化工管道应力分析常用规范、标准有：(1)《工业金属管道设计规范》（国标报批稿）；(2)《石油化工企业管道柔性设计规范》（SHJ41-91）；(3)《石油化工企业非埋地管道抗震设计通则》（SHJ39-91）；(4)《石油化工企业管道设计器材选用通则》（SH3059-94）；(5)《石油化工企业管道支吊架设计规范》（SH3073-95）；(6)化工管道设计规范（HG20695-1987）；(7)化工部设计标准《管架标准图》（HG/T21629-1991）。3.2管道应力分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？答：管道应力分析分为静力分析和动力分析。静力分析包括：(1)压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算—防止塑性变形破坏；(2)管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算—防止疲劳破坏；(3)管道对设备作用力的计算—防止作用力太大，保证设备正常运行；(4)管道支吊架的受力计算—为支吊架设计提供依据；(5)管道上法兰的受力计算—防止法兰泄漏。动力分析包括：(1)管道自振频率分析—防止管道系统共振；(2)管道强迫振动响应分析—控制管道振动及应力；(3)往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析—防止气柱共振；(4)往复压缩机（泵）压力脉动分析—控制压力脉动值。3.3管道上可能承受的荷载有哪些？答：管道上可能承受的荷载有：(1)重力荷载，包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等；(2)压力荷载，压力荷载包括内压力和外压力；(3)位移荷载，位移荷载包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；(4)风荷载；(5)地震荷载；(6)瞬变流冲击荷载，如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击；(7)两相流脉动荷载；(8)压力脉动荷载，如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动；3—2(9)机械振动荷载，如回转设备的振动。3.4何谓一次应力，何谓二次应力？分别由哪些荷载产生？这两种应力各有何特点？答：一次应力是指由于外加荷载，如压力或重力等的作用而产生的应力。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，且无自限性，当其值超过材料的屈服极限时，管道将产生塑性变形而破坏。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制性，当管道局部屈服和产生小量变形时应力就能降低下来。3.5什么是蠕变，什么是应力松驰？二者有何异同？答：蠕变是指金属在高温和应力同时作用下，应力保持不变，其非弹性变形随时间的延长而缓慢增加的现象。高温、应力和时间是蠕变发生的三要素。应力越大、温度越高，且在高温下停留时间越长，则蠕变越甚。应力松驰是指在高温下工作的金属构件，在总变形量不变的条件下，其弹性变形随时间的延长不断转变成塑性变形，从而引起金属中应力逐步下降并趋于一个稳定值的现象。蠕变和应力松驰两种现象的实质是相同的，都是高温下随时间发生的塑性变形的积累过程。所不同的是应力松驰是在总变形量一定的特定条件下一部分弹性变形转化为塑性变形；而蠕变则是在恒定应力长期作用下直接产生塑性变形。3.6材料的强度理论有几种？在管道强度设计中主要采用第几强度理论？答：材料的强度理论有四种，分别是：(1)第一强度理论—最大主应力理论，其当量应力强度S=δ1。它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大主应力。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大主应力达到材料单向拉伸断裂时的最大应力值，材料即发生断裂破坏。(2)第二强度理论—最大主应变理论，其当量应力强度S=δ1－μ(δ2+δ3)。它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大主应变。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大主应变达到材料单向拉伸断裂时的最大应变值，材料即发生断裂破坏。(3)第三强度理论—最大剪应力理论，其当量应力强度S=δ1-δ3。它认为引起材料屈服破坏的主要因素是最大剪应力。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大剪应力达到材料屈服时的最大剪应力值，材料即发生屈服破坏。(4)第四强度理论—变形能理论，其当量应力强度为：S=√（δ1-δ2）2+（δ2-δ3）2+（δ3-δ1）2√它认为引起材料屈服破坏的主要因素是材料内的变形能。亦即不论材料处于何种应力状态，只要其内部积累的变形能达到材料单向拉伸屈服时的变形能值，材料即发生屈服破坏。在管道强度设计中主要采用最大剪应力强度理论。3.7如何确定金属直管的壁厚？1√23—3PD02[δ]tφ+P答：金属直管的壁厚确定方法如下：(1)对于内压直管，根据SH3059-94《石油化工企业管道设计器材选用通则》确定其壁厚：1）当S0D0/6时，直管理论壁厚为：S0=直管的选用壁厚为：S=S0+C式中：S0——直管理论壁厚，mm；P——设计压力，MPa；D0——直管外径，mm；[δ]t——设计温度下直管材料的许用应力，MPa；φ——焊缝系数。对无缝钢管，φ=1；S——包括附加裕量在内的直管壁厚，mm；C——直管壁厚的附加裕量，mm。2）当S0≥D0/6或P/[δ]t0.385时，直管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。（2）对于外压直管的壁厚，应根据GB150-1998《钢制压力容器》规定的方法确定。3.8SH3059-94《石油化工企业管道设计器材选用通则》都对哪些压力管道元件的强度计算做出了规定？答：SH3059-94《石油化工企业管道设计器材选用通则》对以下压力管道元件的强度计算做出了规定：(1)金属直管；(2)弯管、弯头及斜接弯头；(3)三通；(4)盲板与平板封头；(5)开孔补强。3.9管道开孔补强有哪些方法？答：管道开孔补强有两种方法：(1)补强圈补强—以全熔透焊缝将内部或外部补强圈与支管、主管相焊。(2)整体补强—增加主管厚度，或以全熔透焊缝将厚壁支管或整体补强锻件与主管相焊。3.10采用补强圈补强时应遵守哪些规定？答：应遵守下列规定3—4δb3.0δs(δ0.2)1.5δts(δt0.2)1)1.5δtD1.5δtn1.0(1)采用的钢材标准抗拉强度δb≤540MPa；(2)管壁名义厚度δn≤38mm；(3)补强圈厚度应不大于1.5δn。3.11压力管道钢材的许用应力应如何选取？答：根据GB150-1998《钢制压力容器》，压力管道钢材许用应力应按下表规定选取：材料许用应力取下列各值中的最小，MPa碳素钢、低合金钢高合金钢1)对奥氏体高合金钢制受压元件，当设计温度低于蠕变温度范围，且允许有微量的永久变形时，可适当提高许用应力至0.9δtS（δt0.2），但不超过δS（δ0.2）/1.5。此规定不适用于法兰或其它有微量永久变形就产生泄漏或故障的场合。3.12法兰用螺栓的强度安全系数为什么比其它受压元件的安全系数大？答：为了满足法兰静密封的要求，结合螺栓承载的特点，考虑了下列因素：(1)在旋紧螺栓时，初始应力可能大于设计值；(2)法兰与螺栓的温度差以及两者线膨胀系数的不同会引起热应力。3.13低温压力管道材料的许用应力应如何选取？答：低温压力管道材料的许用应力取20℃时材料的许用应力。目前国内外的压力管道设计规范，对低温压力管道的设计都是采用常温（20℃）抗拉强度或屈服强度所确定的许用应力来进行设计。但是在低温下，为了防止发生低应力脆断，就必须要求钢材具有一定的韧性，而且对结构设计、制造检验都应提出必要的要求，低温压力管道的设计制造标准、规范和规定给出了这些方面的具体要求。3.14何谓管道柔性？如何进行管道柔性设计？答：管道柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念，表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其它位移变形的能力。进行管道设计时，应在保证管道具有足够的柔性来吸收位移应变的前提下，使管道的长度尽可能短或投资尽可能少。在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑管道端点的附加位移。设计时，一般采用下列一种或几种措施来增加管道的柔性：(1)改变管道的走向；δb3.0δs1.6δtS1.6δtD1.5δtn1.03—5(2)选用波形补偿器、套管式补偿器或球形补偿器；(3)选用弹性支吊架。3.15管道柔性设计的目的是什么？答：管道柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移、管道支承设置不当等原因造成下列问题：(1)管道应力过大引起金属疲劳和（或）管道推力过大造成支架破坏；(2)管道连接处产生泄漏；(3)管道推力或力矩过大，使与其相连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行。3.16哪些管道应进行详细柔性设计？答：下列管道应进行详细柔性设计：(1)进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道；(2)进出汽轮机的蒸汽管道；(3)进出离心压缩机、透平鼓风机的工艺管道；(4)进出离心分离机的工艺管道；(5)进出高温反应器的管道；(6)温度超过400℃的管道；(7)利用图表或其他简化法初步分析后，表明需要进一步详细分析的管道。(8)与有受力要求的其他设备相连的管道。3.17哪些管道可以不进行详细柔性设计？答：下列管道可以不进行详细柔性设计：(1)与运行良好的管道柔性相同或基本相当的管道；(2)和已分析的管道比较，确认有足够柔性的管道；(3)对具有同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无中间约束并能满足下式要求的非剧毒介质管道：式中：D0——管子外径，mm；Y——管段总位移，mm；Y=√ΔX2+ΔY2+ΔZ2U——管段两固定点间的直线距离，m；L——管段在两固定点间的展开长度，m；ΔX、ΔY、ΔZ——分别为管段在X、Y、Z轴方向的位移，mm。式（17-1）不适用于下列管道：D0Y（L-U）2≤208.4(17-1)(17-2)3—6(1)在剧烈循环条件下运行，有疲劳危险的管道；(2)大直径薄壁管道（管件应力增强系数i≥5）；(3)端点附加位移量占总位移量大部分的管道；(4)L/D2.5的不等腿U形弯管管道，或近似直线的锯齿状管道。3.18管道柔性设计计算结果应包括哪些内容，其合格标准是什么？答：管道柔性计算结果一般应包括下列内容：(1)输入数据；(2)各节点的位移和转角；(3)各约束点的力和力矩；(4)各节点的应力；(5)二次应力最大值的节点号、应力值和许用应力范围值；(6)弹簧参数表。管道柔性设计的合格标准为：(1)管道上各点的二次应力值应小于许用应力范围；(2)管道对设备管口的推力和力矩应在允许的范围内；(3)管道的最大位移量应能满足管道布置的要求。3.19何谓管件的柔性系数和应力增强系数，它们在管道柔性设计中有何用途？答：柔性系数：弯管（或弯头）在承受弯矩后，管子的截面会发生椭圆化，即扁平化。这样，在应力计算中犹如弯管截面惯性矩减少了K倍，刚度下降。若以同一弯矩值作用在弯管上比作用在直管上其位移量会大K倍。此K值称为弯管的柔性系数。应力增强系数：以同一弯矩值作用在管件和直管后，所产生的最大应力值之比称为应力增强系数。柔性系数和应力增强系数是在进行管道柔性设计中考虑弯管、三通等管件柔性和应力的影响所采用的系数。管道中的弯管在弯矩作用下与直管相比较，其刚度降低柔性增大，同时应力也将增加，因此，在计算管件时就要考虑它的柔性系数和应力增强系数。而管道中的三通等管件，由于存在局部应力集中，在验算这些管件的应力时，则采用了应力增强系数。3.20一般来说，管道上哪些点的应力比较大，为什么？答：一般来说，管道上三通和弯管处的应力比较大。因为，与直管相比，三通和弯管处的应力增强系数比较大。3.21列出管道的一次应力和二次应力的合格判断式？答：管道一次应力（SL）不得超过设计温度下管道材料的许用应力（Sh），即：SL≤Sh管道的二次应力（SE）不得超过许用应力范围（Sa），即：SE≤Sa=f（1.25SC+0.25Sh）(21-1)(21-2)3—7式中：f——在预期寿命内，考虑循环总次数影响的许用应力范围减少系数；SC——管子材料在20℃时的许用应力，MPa；Sh——管子材料在设计温度下的许用应力，MPa；若Sh大于SL，它们之间的差值可以加到式（21-2）中，在此情况下，许用应力范围为：Sa=f[