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1、管 道 应 力 计 算,目 次1.概述1.1 管道应力计算的主要工作1.2 管道应力计算常用的规范、标准1.3 管道应力分析方法1.4 管道荷载1.5 变形与应力1.6 强度指标与塑性指标1.7 强度理论1.8 蠕变与应力松弛1.9 应力分类1.10 应力分析,2.管道的柔性分析与计算2.1 管道的柔性2.2 管道的热膨胀补偿2.3 管道柔性分析与计算的主要工作2.4 管道柔性分析与计算的基本假定2.5 补偿值的计算2.6 冷紧2.7 柔性系数与应力增加系数2.8 作用力和力矩计算的基本方法2.9 管道对设备的推力和力矩的计算3 管道的应力验算3.1 管道的设计参数3.2 钢材的许用应力,3.
2、3 管道在内压下的应力验算3.4 管道在持续荷载下的应力验算3.5 管道在有偶然荷载作用时的应力验算3.6 管系热胀应力范围的验算3.7 力矩和截面抗弯矩的计算3.8 应力增大系数3.9 应力分析和计算软件,1.概述1.1 管道应力计算的主要工作应力计算的主要工作是验算管道在内压、自重和其他外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力，以及管道对设备产生的推力和力矩。保证设备和管道的安全运行。1.2 管道应力计算常用的规范、标准（1）DL/T 5366-2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规程（2）ASME B 31.1-2004动力管道1.3 管道应力分析方法管道
3、应力分析方法分为静力分析和动力分析。1.4 管道荷载（1）重力荷载（2）压力荷载（3）位移荷载,（4）风荷载（5）地震荷载（6）瞬变流动冲击荷载（7）两相流脉动荷载（8）压力脉动荷载（9）机械振动荷载 1.5 变形与应力 1.5.1 变形 在外力(荷载)作用下，结构的总体或构件的形状和尺寸发生不同程度的变化，称为变形。1.5.2 变形的分类（1）按照变形的性态，可分为弹性变形和塑性变形两大类。（2）按照变形的形式，可分为轴向拉伸（或压缩）、弯曲、扭转和剪切变形四种基本形式。,1.5.3 应力 在外力作用下，构件发生变形，材料内部原子间的相对位置产生了改变，原子间的相互作用力也发生了改变。这种力
4、的改变量称为内力。单位面积的内力强度称为应力.1.5.4 应变与弹性模数（1）应变 构件或物体在外力作用下产生变形,单位长度内的变形，即应变。以“”表示。（2）弹性模数 表示材料在受到拉伸（或压缩）作用时对弹性变形的抵抗能力。是衡量材料刚度的指标。在弹性范围内，应力弹性模数应变，即E（3）泊松比 在弹性范围内，横向线应变与轴向线应变之比为一常数，此常数的绝对值称为泊松比，以“”表示。,（4）剪切弹性模数表示材料在线性弹性性态时对剪切变形的抵抗能力,单位为单位面积的力。1.6 强度指标与塑性指标 钢材的强度特征与变形特征是用一定的强度指标与塑性指标来衡量，表示钢材力学性能。1.6.1 强度极限
5、是拉伸应力应变曲线上的最大应力点，单位为MP。1.6.2 屈服极限 材料在拉伸应力超过弹性范围，开始发生塑性变形时的应力。产生0.2%残余变形的应力值作为条件屈服极限，用（0.2%）表示，单位为MP。1.6.3 持久强度D 在给定温度下，使试样经过一定时间发生蠕变断裂时的应力。工程上使用在设计温度下10万小时断裂时的平均值表示，D单位为MP。,1.6.4 蠕变极限n 在给定温度下和规定的持续时间内，使试样产生一定蠕变量的应力值。工程上使用钢材在设计温度下，经10万小时蠕变率为1%时的应力值，单位为MP。1.6.5 延伸率 试样在拉伸试验发生破坏时，产生塑性伸长量的百分数，单位为。1.6.6 断
6、面收缩率 试样在拉伸试验发生破坏时，缩颈处所产生的塑性变形率，单位为。1.6.7 冲击功 钢材在进行缺口冲击试验时，消耗在试样上的能量，称为冲击功，用A表示，单位为J。1.6.8 硬度 反映了材料对局部塑性变形的抗力及材料的耐磨性。常用布氏硬度HB表示。,1.7 强度理论1.7.1 第一强度理论最大拉应力理论 当量应力S=1。该理论认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大拉应力，只要最大拉应力达到材料单向拉伸断裂时的最大应力值，材料及发生断裂破坏。1.7.2 第二强度理论最大伸长线应变理论 当量应力S=1-(2+3)。该理论认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大伸长线应变，亦即只要最大伸长线应变达到
7、材料单向拉伸断裂时的最大应变值，材料即发生断裂破坏。1.7.3 第三强度理论最大剪应力理论 当量应力S=1。该理论认为引起材料破坏或失效的主要因素是最大剪应力，亦即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。,1.7.4 第四强度理论变形能理论该理论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。1.8 蠕变与应力松弛蠕变 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。应力松弛 高温下工作的金属构件，在总变形量不变的条件下，随着时间的延长,弹性变形不断转变成
8、非弹性变形，从而引起金属中应力逐步下降并趋于一个稳定值的现象。蠕变和应力松弛 两者都是高温下随时间发生的非弹性变形的积累过程。所不同的是应力松弛是在总变形量一定条件下一部分弹性变形转化为非弹性变形；而蠕变则是在恒定应力长期作用下直接产生非弹性变形。,1.9 应力分类一次应力 由压力、重力与其他外力荷载的作用所产生的应力。（1）一次一般薄膜应力，是在所研究的截面厚度上均匀分布的，且等于该截面应力平均值的法向应力（即正应力）的分量。（2）一次局部薄膜应力，是由内压或其他机械荷载产生的，由于结构不连续或其他特殊情况的影响，而在管道或附件的局部区域有所增强的一次薄膜应力。（3）一次弯曲应力，是在所研究
9、的截面上法向应力（即正应力）从平均值算起的沿厚度方向变化的分量。这种应力达到屈服极限时，也只引起局部屈服。,二次应力 二次应力是由管道变形受约束而产生的应力，它由管道热涨、冷缩、端点位移等位移荷载的作用而引起。它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必需的应力。峰值应力 峰值应力是管道或附件由于局部结构不连续或局部热应力效应（包括局部应力集中）附加到一次应力或二次应力的增量。它的特点是不引起显著的变形，而且在短距离内从它的根源衰减，它是一种导致疲劳裂纹或脆弱破坏的可能原因。1.10 应力分析 应力分析是研究应力和应变的理论。弹性分析 采用最早的应力分析是弹性分析。它
10、通常是在不发生屈服的条件下，利用应力与应变间的线性关系（即虎克定律），计算由荷载引起的应力变化和挠度变化。,极限分析极限分析是由于材料屈服而使结构发生塑性流动并达到全塑性状态时的荷载（或压力）的计算，是一个防止过度变形的准则。安定分析 是指不发生塑性变形的连续循环，如果在少数反复加载之后，变形稳定下来，并且随后的结构，除蠕变效应以外，表现是弹性的，或管道在有限量塑性变形之后，能安定在弹性状态。安定分析限制的最大应力范围不超过两倍屈服极限。疲劳分析 在周期性或交变荷载作用下，管道将产生交变应力（或应变），并且将引起材料疲劳破坏。疲劳分析主要是估计峰值应力的影响，限制累积疲劳损伤，确定使用的应力范
11、围和交变疲劳次数。,非弹性分析 用于高温蠕变管道的应力分析的研究，有的还采用蠕变-疲劳重迭效应的验算。非弹性应力分析需要计算管道总的应变，并对管道的平均应变、弯曲应变和局部应变分别给予不同的限定。2.管道的柔性分析与计算2.1管道的柔性 管道的柔性是表示管道通过自身变形吸收热涨、冷缩和其它位移变形的能力。管道必须统计成具有足够的柔性，防止管道造成的下列问题：（1）管道应力过大或材料疲劳引起的管道破坏；（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；（4）管道推力或力矩过大引起管道支架破坏。,2.2管道的热膨胀补偿 管道设计中应充分重
12、视热膨胀补偿，增大管系的柔性，以减小由管道热胀、冷缩等位移荷载作用产生的力、力矩和应力。管道的自然补偿 利用管道布置自身的长度、弯曲和扭转产生的变形来吸收管道的热伸长，增加管系的柔性。2.2.2 补偿器补偿 常用的管道补偿器有：波形补偿器、套管式补偿器或球形补偿器等。2.3 管道柔性分析与计算管道柔性分析与计算的主要工作 计算管道在热涨、冷缩、端点附加位移和支吊架约束等位移荷载作用下产生的力和力矩。,2.3.2 结果 得到管道对设备的推力和力矩，以便检查是否可在设备所能安全承受的范围内。得到的支吊架荷载和位移作为管道支吊架的设计输入。2.4 管道柔性分析与计算的基本假定（1）假定整个管系材料为
13、弹性体，服从虎克定律。（2）管系是一个连续的整体，材料的物理量，能够用连续函数来描述。（3）管道材料的物理性能具有各向相同的性能2.5 补偿值的计算以设备连接点或固定点之间互相连接的各管段，构成一个独立的计算管范围。采用右旋直角坐标系作为基本坐标系，一般Z 轴为向上的垂直轴。,2.5.3 当端点无附加角位移的计算管系(或分支)的线位移全补偿值可按DL/T5366(7.0.3-1)-(7.0.3-6)计算。当管道各方向(沿坐标轴X、Y、Z)采用不同冷紧比时，管道在冷状态下各方向的冷补偿值可按DL/T5366(7.0.5-1)-(7.0.5-3)计算。2.6 冷紧 是指在安装时使管道产生一个与热态
14、相反方向的预变形方法;冷紧有效系数是指实际有效的冷紧值与理论冷紧值之比;冷紧比是冷紧值与全补偿值之比。2.7 柔性系数与应力增加系数柔性系数 表示弯管相对于直管在承受弯矩时柔性增大的程度。应力增加系数 指弯管的最大弯曲应力和直管中受同样弯矩所产生的最大弯曲应力的比值。,2.8 作用力和力矩计算的基本方法 早期采用简化的弹性中心法，是将计算管系当作一根无重量的弹性线，不考虑管道自重和支吊架的束缚影响。发展到超静定结构计算的力法求解，并且考虑管道承受的集中载荷和均布载荷。又发展到等值刚度法、有限单元法、追赶位移法来计算复杂管系。直到今天采用的计算程序，可完成各种工况的静力计算和动力计算。2.9 管
15、道对设备的推力和力矩的计算主要计算工况(至少包括)（1）管道运行初期工作状态下的力和力矩。（2）管道运行初期冷状态下的力和力矩。（3）按应变自均衡、自重和其他持续外载及支吊架反力作用的条件，计算管道应变自均衡后在冷状态下的力和力矩。（4）水压试验和偶然荷载工况2.9.2 计算出的各种工况下推力和力矩最大值应能满足设备安全承受的要求。,在不计及持续外载的条件下，管道无冷紧或各方向(沿坐标轴X、Y、Z)采用相同的冷紧比时，管道对设备(或端点)的推力(或力矩)，可按DL/T5366(9.0.3-1)-(9.0.3-3)计算.在不计及持续外载的条件下，管道各方向(沿坐标轴X、Y、Z)采用不同的冷紧比时
16、，管道对设备(或端点)的推力(或力矩)可按的规定计算。3 管道的应力验算3.1管道的设计参数 管道设计压力（表压）系指管道运行中内部介质的最大持续工作压力。对于水管道设计压力应包括水柱静压的影响。管道设计温度应按DL/T5366 5.2节的规定取用。3.2钢材的许用应力 应根据钢材的有关强度特性计算。3.3管道在内压下的应力验算管道在工作状态下，由内压产生的折算应力不得大于钢材在设计温度下的许用应力。,3.3.2 管道在工作状态下允许压力和（或）温度超过设计值,但所计算压力的环向应力不超过相应温度下最大许用应力的下述百分数:（1）15%，如果在任一时期波动时间不超过8h，且每年不超过800h。
17、（2）20%,如果在任一时期波动时间不超过1h，且每年不超过80h。3.4 管道在持续荷载下的应力验算 管道在工作状态下，由持续荷载即内压、自重和其他持续外载产生的轴向应力之和不得大于钢材在设计温度下的许用应力。3.5 管道在有偶然荷载作用时的应力验算 管道在工作状态下受到内压、自重、其他持续外载和偶然荷载作用，在管道正常允许的运行压力波动的范围内，当所计算的压力产生的环向应力没有超过最大许用应力的允许范围，允许比设计温度下的许用应力大一定的倍数。在任一时期波动时间不超过8h,且全年不超过800h时，取K=1.15；（2）当在任一时期波动时间不超过1h，且每年不超过80h时，取K=1.2。,3.6 管系热胀应力范围的验算管系热胀应力范围 应按DL/T53668.4的规定.其中应力范围减少系数f与管道全温度周期性的交变次数N有关。当N2500 时，f=1；当N2500 时，f=4.78N-0.2 3.6.2 如果温度变化的幅度不相同时，应计算当量全温度交变次数。3.7力矩和截面抗弯矩的计算应力验算点处的力矩和截面抗弯矩应按DL/T53668.5节的规定计算。3.8 应力增大系数应力增大系数应按DL/T5366附录C的规定计算。,3.9 应力分析和计算软件管道应力分析Auto PSA3.9.2 CAESAR3.9.2 PIPENET国内研发的软件,谢 谢！,
