压力管道应力分析

第二章压力管道强度及应力分析杨玉芬一、压力管道应力分析的目的和意义•1、压力管道的安全运行意义重大•一套完整的工艺装置，只有通过管道按照流程需要将工艺过程所必须的各种机械装备加以连接才能进行正常的生产。•另外，工艺装置能否长期安全生产和具有足够的使用寿命也与管道设计的好坏密切相关。•因此，管道设计是工业生产装置不可缺少的重要组成部分，我们必须给予高度的重视。•我们所讨论的压力管道是指《压力管道安全管理与监察规定》限定范围内的管道，管道中通常都是高温（或超低温）、高压、易燃、易爆、有毒等危险性较大的介质。•因此，压力管道一旦发生安全事故，都会造成严重的经济损失和人员的伤亡，这些在国内外都一有了大量的经验和教训。•保障压力管道的安全运行，首先要通过合理的设计保障管道的强度。•2、管道所承受的载荷复杂•作用于管道的载荷有：•（1）管内介质产生的压力•介质产生的压力主要在管子中产生环向的使管子直径增大或缩小的变形，这也是管子本身发生破裂的主要影响因素。•同时，介质的压力在远端轴向还会在管子中产生轴向拉（压）应力而引起某些附加载荷。•对于厚壁管，还会产生沿半径方向的载荷。•（2）管子重量（自身、介质、保温层）•高压、大直径钢管的重量（自身、介质、保温层）不容忽视。•管子重量在水平布置的接管中产生类似于梁的变形，而在竖直布置的接管中产生压应力，困难造成失稳破坏。•（3）零部件的重量•（4）支吊架产生的支反力•（5）风力、地震产生的载荷•（6）管道温度变化所产生的温差应力•（7）管道安装所产生的约束力•（8）设备的变形或位移在管道上产生的附加载荷•（9）此外，还有介质在管内的流动所引起的各种动载荷3、不同性质的载荷对管道安全的影响有很大差别例如：（1）随着管内介质压力的增加，管壁的应力水平会不断加大，直至破坏，这种状态称为应力没有自限性。（2）随着管内温度增加，由于有约束存在，管壁的应力水平也会加大，但当达到一定程度时，如材料屈服，由温差产生的应力会逐渐降下来，这种性质成为应力具有自限性。不同性质的载荷，在管道中所产生的应力对管道安全的影响不同，因此，要根据不同类型的载荷采用不同的强度条件，才能在保障安全的前提下，尽可能的提高管道运行的经济性。对于压力管道，介质的内压是最主要的载荷，也是管道强度计算的主要依据。4、压力管道应力分析的目的压力管道的设计应能够适应介质的压力、温度和介质的操作条件，设计的核心问题是研究压力管道在外载荷作用下，有效地抵抗变形和破坏的能力，即处理强度、刚度和稳定性问题，保证压力管道的安全性和经济性。因此，对压力管道进行较为充分的载荷和应力、应力与变形分析，构成了压力管道设计的重要理论基础。二、压力管道应力分析•1、载荷的分类•（1）根据作用时间分：•持续载荷•介质压力、重量、支反力、热应力、残余应力等•瞬间载荷•临时作用于管道的载荷，•风载荷、地震载荷等•（2）根据作用性质分：•静载荷•缓慢、毫无振动的、使管道不产生显著运动的载荷•动载荷•管道振动、压力冲击、风，地震载荷等•（3）载荷的自限性•自限性载荷是指由于结构变形协调过程中所产生的载荷，例如：设备接管处。•在管道的强度设计中，主要考虑的载荷有介质内压、自重、支反力，及附加位移等，介质内压是强度计算的最主要的依据。•2、应力分类•（1）应力的概念及管道的破坏•应力的基本定义是指构件单位面积上所承受的内力•一般来说，应力的值随外载荷增大而增大，而各种材料对应力的承受能力有一个极限，称为强度极限，当应力的值达到或超过材料的极限时，材料就可能发生诸如过度变形、开裂、断裂、失稳等现象，称为失效或破坏。•（2）应力分类•压力管道应力分类的依据是应力对管道强度破坏所起作用的大小。•这种作用又取决于下列两个因素：•A、应力产生的原因•即应力是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的•外载荷是机械载荷还是热载荷；•B、应力的作用区域和分布形式•即应力的作用是总体范围还是局部范围的•沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性的。•目前，比较通用的应力分类方法是将压力管道中的应力分为三大类：•一次应力、二次应力和峰值应力。•1）一次应力（P）•一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力。•一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系，它随外载荷的增加而增加，不会因达到材料的屈服点而自行限制，所以，一次应力的基本特征是“非自限性”。•如：管道介质压力、支反力、集中载荷等。•另外，当一次应力超过屈服点时将引起管道总体范围内的显著变形或破坏，对管道的失效及破坏影响最大。•一次应力还可分为以下三种:•a．一次总体薄膜应力Pm•一次总体薄膜应力是指沿厚度方向均匀分布的应力，等于沿厚度方向的应力平均值。•一次总体薄膜应力达到材料的屈服点就意味着管道在整体范围内发生屈服，应力不重新分布，而是直接导致破坏。•b．一次弯曲应力Pb•一次弯曲应力是指沿厚度线性分布的应力。它在内、外表面上大小相等、方向相反。•这种应力在达到屈服极限时，只是表面屈服，如果继续增加载荷，则屈服加深，直至最后破坏，因此其破坏时的应力大于一次总体薄膜应力。•如：风载荷在管壁产生的轴向弯曲应力。•c．一次局部薄膜应力（Pl）•一次局部薄膜应力是在结构不连续区由内压或其他机械载荷产的薄膜应力和结构不连续效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄膜应力。•这种应力只引起局部屈服如管子与设备的焊接处或法兰盘与管子的连接处。•2）二次应力(Q)•二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的应力。•二次应力不是由外载荷直接产生的，其作用不是为平衡外载荷，而是结构在受载时变形协调而使应力得到缓解。•一般压力管道上所产生的二次应力，主要是考虑由于热胀冷缩以及位移受到约束所产生的应力。通常称为热胀二次应力。•二次应力的特点是自限性。•3）峰值应力F•峰值应力是由于载荷、结构形状突变而引起的局部应力集中的最高应力值,是引起疲劳破坏或脆性断裂的可能根源。•3、承压管道中的应力分布•（1）管壁中的应力状态•在承受内（外）压力作用的管道器壁中，由于管道几何形状的轴对称性质，可能产生的主应力有σθ、σz、σr。•当管壁的厚度与管直径相比较小时，在半径方向的挤压应力σr可以忽略不计，管壁内只有两个方向的主应力，称为两向应力状态或平面应力状态，反之，称为三向应力状态或平面应力状态•（2）薄壁管与厚壁管•当管道外径/内径1.2时，管道称为薄壁管，应力分布为两向应力状态或平面应力状态。•反之称为厚壁管，应力分布为三向应力状态或平面应变状态。•（3）三向应力的计算公式（GB50316)•σθ=PDn/2te•σz=PDn2/[4te(Dn+te)]•σr=-P/2•式中：P介质内压MPa•Dn管子的内径mm•te管子的有效(当量）壁厚mm•（4）其他载荷在管壁中产生的应力主要在管道的轴向•管子重量（自身、介质、保温层）•零部件的重量•支吊架产生的支反力•风力、地震产生的载荷•管道温度变化所产生的温差应力•管道安装所产生的约束力•设备的变形或位移在管道上产生的附加载荷三、一般压力管道应力许用值的限定•1、材料的极限值•屈服极限σs、断裂极限σb、蠕变极限σD、疲劳极限等σn•2、安全系数•ns=1.5、nb=3•3、许用应力•[σ]=minσs/ns、σb/nb•许用应力是在考虑了各种可能因素的情况下人为指定的应力许用上限，一般由查表得到。•4、失效准则•失效准则是指在判断构件是否失效时所应用的最高应力限制，通常的表达式为：•σmax≤[σ]•该式也称为强度条件•（1）一次应力的强度条件•对于一次应力，根据极限载荷准则来规定其许用应力值，这是一个防止结构过度变形的准则。•一般进行下列两项验算：•1）管道在工作条件下，内压折算应力的验算•内压在管道器壁上产生的主应力分别为：•环向、轴向、径向•强度条件为，最大当量应力不超过材料在工作温度下的基本许用应力•σe≤[σ]t•其中:•σe内压折算应力或叫当量应力•t操作时，管道器壁的温度•2）管道在工作条件下，内压轴向应力和持续外载荷的验算•轴向应力除了内压外，外载荷如管道重量、部件重量、支反力也会在轴向产生弯曲应力与内压轴向应力叠加。•强度条件为，最大当量应力不超过材料在工作温度下的基本许用应力•σzhl≤[σ]t•该公式的含义为：•当以环向应力作为最大应力进行强度设计后，还应校核与环向应力垂直方向上的轴向应力是否满足要求，因轴向应力复杂。•（2）二次应力的强度条件•二次应力产生的破坏，是在反复加载及冷热交换作用下引起的疲劳破坏，根据安定性准则来规定其许用应力值，这是一个防止结构反复发生正反方向屈服变形的准则。•对这类应力限定，并不是限定一个时期的应力水平，而是控制其交变循环次数•强度条件为：•内压和持续外载荷产生的一次、二次应力σe：•σe1.25f([σ]+[σ]t)•单独计算热胀二次应力σe：•σef(1.25[σ]+0.25[σ]t)•考虑轴向载荷时，单独计算热胀二次应力σe：•σef[1.25([σ]+[σ]t)-σzhl]•其中：f为修正系数。（p33)四、压力管道的强度计算•1、承受内压管子的强度分析•承受内压管子，管内任一点上的应力•状态可以用三个主应力来表示：•σ1=σθ=PDn/2te•σ2=σz=PDn2/[4te(Dn+te)]•σ3=σr=-P/2•式中：P介质内压MPa•Dn管子的内径mm•te管子的有效(当量）壁厚mm•2、管子壁厚计算（GB50316)•（1）管子计算壁厚ts•承受内压管子计算壁厚公式：•ts=PD0/(2[σ]tEj+PY)•式中：ts管子的计算壁厚,mm;•P管子的设计压力MPa;•D0管子的外径，mm;•Ej焊接接头系数;•[σ]t管子材料在设计温度下的许用•应力,MPa。•Y考虑温差应力影响的系数•（2）管子设计壁厚tsd•在工程上，需要考虑强度削弱因素•tsd=ts+C•式中：tsd管子的设计壁厚,mm;•C壁厚附加裕量,mm.•（3）管子的名义厚度tn•tn≥tsd并向上圆整到材料标准规格的厚度•3、设计参数的确定•ts=PD0/(2[σ]tEj+PY)•（1）设计压力P（GB50316，P13)•设计压力应不小于操作条件最苛刻时的压力。•（2）设计温度•原则上说，设计温度应为管道器壁温度，实际设计中以介质的操作温度作为设计温度•ts=PD0/(2[σ]tEj+PY)•（3）许用应力[σ]t（GB50316，P102)•许用应力的选取要考虑四方面的因素:•材料、使用状态、厚度范围、设计温度•（4）焊接接头系数Ej（GB50316，P21)•Ej≤1.0•（5）系数Y（GB50316，P44)•当tsD0/6、设计温度482时•对管道常用材料Y=0.4•（6）壁厚附加量C（P35)•C=C1+C2•式中：•C1管子壁厚负偏差、弯管减薄量•的附加值，mm。C11的大小与材料、壁厚及管子级别有关•C2管子腐蚀、磨损减薄量的附加•值，mm。C2的大小与介质有关•当腐蚀不严重时，单面取1-1.5,双面取2-3•否则，按腐蚀速率和设计寿命算•练习：•1、名词解释•（1）一次应力•一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力。一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系，它随外载荷的增加而增加，不会因达到材料的屈服点而自行限制。•（2）许用应力•许用应力是在考虑了各种可能因素的情况下人为指定的应力许用上限。•数值为材料的强度极限除以安全系数。•（3）设计压力•设计压力应不小于操作条件最苛刻时的压力。•（4）设计温度•原则上说，设计温度应为管道器壁温度，实际设计中以介质的操作温度作为设计温度•（5）壁厚附加量•C1管子壁厚负偏差、弯管减薄量的附加值，•C2管子腐蚀、磨损减薄量的附加值，•（6）名义厚度•tn≥tsd并向上圆整到材料标准规格的厚度•2、问答题•（1）什么是应力的自限性？•二次应力是由于热应力或变形约束而产生的应力，结构在受载时因变形协调而使应力得到缓解，这种现象称为应力的自限性。•（2）引起管道一次应力和二次应力的静载荷，其特性