管道应力分析-孙学军

管道应力分析主讲：孙学军电话:[phone]E-mail：[e-mail]压力管道设计审批人员培训班主办：石油天然气储运技术中心站2主要内容管道应力分析基本理论埋地管道应力分析管道振动分析技术3Man-hours4000500002000000先看一组数据与60年代相比增加500倍与60年代相比增加10倍为什么？1960年与现在相比，一个化工厂和核电厂管道应力分析所需人工时。数据来源：PIPESTRESSENGINEERING（L.C.PENG）4管道应力分析基本理论主要内容一.管道应力分析基础知识介绍二.应力分析标准详解三.管道跨距计算四.管道柔性分析五.管道支吊架设计5一.管道应力分析基础知识介绍管道应力分析的目的、范围、内容管道受到的载荷、变形及失效形式材料的物理性能及强度理论基本概念6管道应力分析的目的、范围、内容目的：保证管道结构的整体安全各种设计载荷作用下管道的应力在规范的许用范围内。保证管道系统运行正常动（静）设备管口载荷符合制造商或公认标准的要求；避免法兰等连接件泄露；避免管道位移量过大，影响其它设备或管道的运行；避免明显的管道振动。优化设计7范围：8内容：应力分析规定关键管线表确定管道系统生命周期内可能遇到的载荷定义载荷工况静态/动态确定应力、位移、载荷的限值使应力、位移、载荷限值在许用范围内应力分析报告应力ISO图设备管口载荷结构所受载荷特殊件要求其它建议支撑设计、选型提交业主提交现场项目项目计划工艺PID工艺管线表数据表设备设备图纸管口许用载荷土建土建结构图纸地质参数配管布置图、3DISO图管道等级特殊件要求9应力分析管线分类:10关键管线表:11应力ISO图:在管道单线图的基础上增加应力分析的节点号、约束点的位置及类型、约束点的位移量及载荷、备注等信息。12管道受到的载荷、变形及失效形式管道受到的载荷：压力操作压力、试验压力；温度重量活荷载：管内输送介质的重量、测试的介质重量、由于环境或操作条件产生的雪/冰荷载等。死荷载：管道重量、保温重量及阀门（含执行机构）、法兰等管道组成件重量。位移设备管口热位移；基础沉降、潮汐运动、风等作用下在管道连接处产生的位移；支撑结构的变形；压力延长效应产生的位移；13安全阀泻放、柱塞流、风、波浪、地震、水/汽锤等偶然荷载；压力循环、温度循环、转动设备、涡激振动等循环荷载。14管道变形的基本形式：拉伸、压缩剪切扭转弯曲15管道的失效形式：管道应力分析的主要目标是阻止管道失效，因此了解管道的失效形式非常重要。常见的管道失效形式如下：静态断裂阴影部分表示吸收能量的能力16静态断裂韧性断裂：随着载荷增加，材料屈服并产生塑性变形直至破坏。断裂前的伸长量可达到25%，可见韧性材料的能量吸收能力。能量吸收能力对于静态载荷的影响较小，但对于抵抗冲击载荷的影响较大。如果没有较大的能量吸收能力，非常小的冲击载荷都可能产生破坏性的应力。韧性断裂主要发生在裂纹缺陷处或形状不连续处。由于屈服，载荷将会转移到管道系统的其它部位。17脆性断裂：不可预期且突然发生；脆性材料；塑性材料当温度低于某一限定值时韧性降低。18疲劳断裂在低于材料强度的交变应力作用下突然断裂。19蠕变断裂在高温情况下，温度和应力保持不变而应变不断增加最终断裂。20失稳管道失稳主要由压应力导致；主要出现在大直径薄壁管道；深水环境中的厚壁管也可能出现失稳。21其它失效形式腐蚀：壁厚减薄；小腐蚀坑处应力增大降低了疲劳强度。侵蚀：流体对管道的侵蚀，如浆体管道、两相流、泵进口汽蚀；碳钢管道氢蚀因素有喘流、低PH值、低含氧量。应力腐蚀：金属材料在腐蚀介质中经历一段时间拉应力后出现裂纹与断裂的现象。氢蚀：氢脆现象（溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹。）22材料的力学性能及强度理论力学性能：1.强度极限2.屈服强度3.断裂4.强化阶段5.局部变形阶段最大拉应力理论：该理论认为：最大拉应力是引起断裂的主要原因即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到单向拉伸时的抗拉强度，材料就会发生脆性断裂。屈服判据：强度准则：适用于铸铁等脆性材料。这一理论没有考虑其它两个主应力的影响，且对没有拉应力的应力状态无法应用。23最大伸长线应变理论：该理论认为：最大伸长线应变是引起断裂的主要原因即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大伸长线应变达到单向拉伸时的极限应变，材料就会发生脆性断裂。屈服判据：强度准则：适用于铸铁等脆性材料。24最大切应力理论(Tresca准则)：该理论认为：最大切应力是引起屈服的主要原因即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大切应力达到单向拉伸屈服时所对应的最大切应力值，材料就会发生塑性屈服。屈服判据：强度准则：适用于塑性材料。形式简单，一般情况下与实验结果相比偏于安全，工程中广泛应用。25形状改变比能理论(Mises准则)：该理论认为：形状改变比能是引起屈服的主要原因即认为：无论材料处于什么应力状态，只要形状改变比能达到单向拉伸屈服时所对应的形状改变比能值，材料就会发生塑性屈服。屈服判据：强度准则：适用于塑性材料。考虑较全面，更加精确。2627基本概念压力管道应力分类的必要性：管道应力的校核主要是为了防止管壁内应力过大造成管道自身的破坏。各种不同荷载引起不同类型的应力，不同类型的应力对损伤破坏的影响各不相同，如果根据综合应力进行应力校核可能导致过于保守的结果，因此管道应力的校核采用了将应力分类校核的方法。应力分类校核遵循的是等安全裕度原则，也就是说，对于危险性小的应力，许用值可以放宽;危险性大的应力，许用值要严格控制。应力分类是根据应力性质不同人为进行的，它并不一定是能够实际测量的应力。28一次应力：一次应力是由压力、重力、和其它外力荷载所产生的应力。它必须满足外部、内部力和力矩的平衡。一次应力的基本特征是非自限性的，它始终随所加荷载的增加而增加，超过屈服极限或持久强度将使管道发生塑性破坏或者总体变形。管道承受内压和持续外载而产生的应力属于一次应力。管道承受风荷载、地震荷载、水击和安全阀泻放荷载产生的应力也属于一次应力，但这些荷载属于偶然荷载。29二次应力：二次应力是由于热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用所产生的应力。它不直接与外力相平衡。二次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。一般在管系初次加载时，二次应力不会直接导致破坏，只有当应变在多次重复交变的情况下，才会引起管道疲劳破坏。但也应该注意，当位移荷载极大，局部屈服或小量变形不足以满足位移约束条件或自身变形连续要求时，管道也可能在一次加载过程中就发生破坏。30应力增大系数：当管道几何形状发生急剧变化时，位移应力范围的计算值与直管相比有所增加。对于平滑过渡的弯头和弯管，受弯后管道出现扁平化，抗弯刚度有所减小,对于斜接弯管和支管连接，由于几何不连续产生应力集中,导致材料抗疲劳能力有所削弱。二次应力校核主要是为了防止疲劳破坏，为了考虑这种效应，在进行二次应力校核时引入了应力增大系数。定义:受弯矩的作用，在非直管的组成件中，产生疲劳损坏的最大弯曲应力与承受相同弯矩、相同直径及厚度的直管产生疲劳损坏的最大弯曲应力的比值，称为应力增大系数。因弯矩与管道组成件所在平面不同，有平面内及平面外的应力增大系数。31确定方法:疲劳试验方法:按照不同应力幅对直管进行一系列疲劳试验，根据试验结果，拟合得到直管疲劳曲线表达式:按照不同应力幅对管件进行一系列疲劳试验，根据试验结果，拟合得到管件疲劳曲线表达式:应力增大系数:由以上两式得:32ASMEB31JASMEB31J33数值分析方法:步骤:建立管件有限元分析模型;提取峰值应力强度和基准应力;计算应力集中系数SIF;应力增大系数取应力集中系数的1/2.FEPipeANSYS34这是因为依据规范进行柔性分析计算的弯曲载荷引起的应力范围约是峰值应力范围的一半。对于典型的对焊管的焊接接头，其应力集中系数为2。由于应力是与对焊管的疲劳曲线相比较，计算得到的是实际峰值应力范围的一半。因此，理论应力，例如弯头中由弯曲载荷产生的应力，是按规范进行管道柔性分析计算的应力的2倍。35柔性系数：表示管道元件在承受力矩时，相对于直管而言其柔性增加的程度。即:在管道元件中由给定的力矩产生的每单位长度元件的角变形与相同直径及厚度的直管受同样力矩产生的角变形的比值。36二.应力分析标准详解ASMEB31.1ASMEB31.3ASMEB31.4ASMEB31.837ASMEB31.1-2016持续应力：没有包含持续轴向外载产生的轴向应力Fax/A；在计算持续外载弯扭合成力矩产生的持续应力时考虑0.75i（且不小于1）的应力增大系数；38解释：管道在内压作用下，管壁将产生内压环向应力SHP、内压轴向应力SLP和内压径向应力SR。由于内压径向应力较小，通常忽略不计。在持续外载作用下，将产生持续外载轴向应力SAX、弯曲应力和扭转应力。由于外载产生的扭转应力较小，可以认为外载弯曲应力和扭转应力组合的当量应力方向基本沿管道轴向。因此，管道在内压和持续外载作用下，管壁上的三个主应力仍为环向应力、轴向应力（包括内压轴向应力SLP、持续外载轴向应力SAX、当量应力SC）和径向应力。39由于内压作用下直管壁厚计算公式是薄壁模型，基于第三强度理论：因此，合成轴向应力不大于内压环向应力。合成轴向应力最大时与内压环向应力相等，此时再依据第三强度理论有：B31.1没有包含持续轴向外载产生的轴向应力SAX，忽略内压径向应力SR，上式变为：即：40偶然应力：许用应力放大系数K：1.15--每次作用时间不超过8h,每年不超过800h;1.20--每次作用时间不超过1h,每年不超过80h;41位移应力范围：没有区分平面内和平面外应力增大系数;采用最大剪应力理论.42结构安定性条件：结构安定性的定义:当荷载在一定范围内反复变化时，结构不发生连续的塑性变形循环。也就是说，在初始几个循环之后，结构内的应力应变都按线弹性变化，不再出现塑性变形。为防止结构发生低周疲劳，结构必须具有安定性。结构安定性条件:弹性应力范围不大于屈服极限的二倍（准确地说是冷态屈服强度与热态屈服强度的和）。材料的弹塑性应变循环43二次应力校核来源：根据结构安定性条件，弹性许用应力范围是冷态屈服强度与热态屈服强度的和，即：一般许用应力取2/3屈服强度Marklsuggested持续应力SPW最大为热态许用应力Sh当循环次数低于7000时，许用应力范围减小系数f不再增大，因为f=1时弹性许用应力范围已经达到安定性条件界限。但当循环次数低于7000时，实际的安全系数是增大的。44ASMEB31.3-2016持续应力：ASMEB31.3要求由重量、内压和其它持续载荷所产生的纵向应力之和SL不超过在操作温度下材料的基本许用应力Sh，但ASMEB31.32010年以前的版本并没有明确给出纵向应力的计算公式。ASMEB31.3在1985年5月8日的释义4-10中，要求计算纵向应力时考虑轴向力的作用。因此，一般认为管道纵向应力由附加轴向外力、弯矩和内压引起，计算公式为：SL=Fax/A+[(iiMi)2+(ioMo)2]1/2/Z+Pdo/4t=Sh45自ASMEB31.32010版给出了纵向应力的计算公式：区分平面内、平面外应力增大系数；应力增大系数取0.75i且不小于1。!!2014版本开始46解释：管壁径向应力很小，分析时通常忽略不计，管壁的应力状态可以看作二向应力状态。垂直纸面可以看做壁厚方向因此，最大主应力和最小主应力为：）2222xyyxyxminmax±（xyxxyyO47根据最大剪应力理论：最大许用剪应力是最大许用拉应力的一半,因此：假设x方向沿管道的轴向，则σx主要由内压产生的轴向应力SLP、持续轴向力产生的轴向应力SAX、弯矩产生的弯曲应力Sb组成，σy主要是内压产生的环向应力SHP，τxy是扭转应力。48