管道强度计算

管道及储罐强度设计主讲:彭俊岭课程主要内容及参考资料一、主要内容：本课程系统介绍了立式钢油罐强度和稳定计算的理论和设计方法，以及地上管道、地下管道、海底管道的结构知识和强度设计方法。二、教材及参考资料：教材：帅健于桂杰《管道及储罐强度设计》石油工业出版社2006，6参考资料：1、潘家华等《油罐及管道强度设计》石油工业出版社2004，82、GB50341—2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》3、化工设备委员会《球罐和大型储罐设计》2005，64、期刊：油气储运、石油化工设备技术、中国油脂、天然气与石油、石油规划设计、石油工程建设、炼油技术与工程、石油工程建设5、API650美国石油学会标准6、BS2654英国油罐规范7、JISB8501日本工业标准考核成绩评定一、总成绩=考试成绩（90%）+平时成绩（10%）二、考试形式：闭卷三、试题类型：1、填空题（1*15=15分）2、选择题（2*20=40分）3、论述题（7*3=21分）4、计算题（12*2=24分）总复习教材目录第一章地下管道第二章地上管道第三章海底管道第四章管道的曲屈分析第五章管道抗震设计计算第六章含缺陷管道的剩余强度评价第七章立式储罐的基本尺寸和壁厚设计第八章立式油罐固定顶的设计第九章浮顶的设计计算第十章罐底和基础设计第十一章立式钢油罐的抗风设计第十二章立式钢油罐的抗震设计第一章地下管道第一节第二节第三节第四节第五节第六节第七节第八节概述地下管道的强度计算曲管的强度和柔性计算三通强度计算地下管道稳定性分析地下曲管道热胀弯矩和位移计算固定支墩的设计计算地下管道的抗震计算第一节概述长距离油气管道和矿场集输管道一般都敷设在地下（占总长度的98%左右），油库管道有时也采用地下敷设。当通过沼泽、高地下水位和重盐碱土地区时，可采用土堤敷设。特点：不影响交通，环境美观，施工简单，节省投资，但不易检测、维修。结构和材料：无缝管；有缝管（直缝管，螺旋管）。Q235AF，16Mn管道的埋深规定：管道的埋深要考虑农田耕作深度、地面负荷对管道强度及稳定性的要求、热油管道对土壤保温要求、土壤对管道的约束、管道防腐等因素综合考虑后决定。一般规定为：管顶覆土厚度1-1.2m，且不应小于0.6-0.8m和管直径D；穿越铁路和公路时管道顶部距轨底应不小于1.3m，距公路路面应不小于1m；热油管道埋地越深，管道热损失越小，一般情况下管顶埋深取1.2m。施工作业：挖掘管沟；焊接管路；试压；绝源；下沟；管沟回填第一节概述管沟底宽度规定：当管沟深度小于等于3米时，管沟底宽度b为：式中：K-------沟底加宽系数，[1]P284表11-1当管沟深度大于3米且小于5米时，管沟底宽度b按上式求得值再加宽0.2米。管沟的边坡规定：根据土壤类别和土壤的物理力学性能确定。[1]P285表11-2强度试验规定：管道在沟上或沟下焊接组装后，应进行分段试压。干线试压管段长度10-15公里，自然高差不超过30米，以1.25倍的管道工作压力作为强度试压压力。当管道最大操作压力大于8kgf/cm2时，应以水作为试压介质，小于8kgf/cm2时，允许采用空气或其它气体作为试压介质。分段接通焊接焊缝的检验：进行X射线照相或超声波检测。敷设工艺：管道下沟之前，应进行绝缘层的检查；管道下沟之时，应很好地与沟底相接触，管底与沟底之间不应存在间隙，通常在沟底回填细砂或软土；管道下沟之后应及时覆盖20cm左右的细土，以免热胀变形和大量土方回填时砸坏绝缘层；回填后的沟顶应形成30-40cm高的土堆，以防积水。bDgK第二节地下管道强度计算一、载荷和作用力：永久载荷；可变载荷；偶然载荷1、永久载荷：输送介质的内压力；钢管及其附件、绝缘层、保温层、结构附件的自重；输送介质的重量；土壤的压力；静水压力和水浮力；温度应力以及静止流体由于受热膨胀而增加的力；由于连接构建相对位移而产生的作用力。第二节地下管道强度计算2、可变载荷：试运行时的水重量；附在管道上的冰雪载荷；由于内部高落差或风、波浪、水流等外部因素产生的冲击力；车辆载荷及行人；清管载荷；检修载荷。第二节地下管道强度计算3、偶然载荷地震载荷；振动和共振引起的载荷；冻土或膨胀土中的膨胀压力；沙漠中沙丘移动的影响；地基沉降附加在管道上的载荷。第二节地下管道强度计算二、截面应力：受内压作用的圆柱壳内应力有环向应力和轴向应力PRt环向应力：2PR2t轴向应力：1s第二节地下管道强度计算三、许用应力与管道壁厚设计管材许用应力为：K：强度设计系数0.4---0.72。P7，表1-3η：焊缝系数，无缝管η=1，直缝管η=0.8，双面焊螺旋管η=0.9，单面焊螺旋管η=0.7[]Ks：管材的屈服强度，P5，表1-1PD2[]t0第二节地下管道强度计算根据管道的环向应力计算壁厚，由薄壳应力公式得出：1、液体管道直管段计算壁厚：式中：P------管道的工作压力D------管道的外直径[σ]------管材许用应力，2、气体管道直管段计算壁厚：t0PD2[]t式中：t-------温度折减系数，当温度低于120度时，取t=1第二节地下管道强度计算其值向上圆整至公称3、实际壁厚为：壁厚。式中：C------壁厚附加量，即腐蚀裕量，由输送介质的腐蚀性能取0-1mmtt0CETPD21第二节地下管道强度计算地下管道的壁厚一般按环向应力设计，与地上管道的壁厚设计方法相同。再用轴向应力或环向应力与轴向应力的合成应力进行强度校核。一、管道所受轴向应力由不同情况确定：1、直线埋土管段：完全嵌固段2、靠近出土处的管截面：自由段PDi413、过渡管段：与自由端相距一段距离的埋土管段，管道所受轴向应力随土壤对管道的约束程度的不同而逐渐改变，介于1、2情况之间。12s第二节地下管道强度计算ED21sED2PDi2ET14、埋土弹性敷设弯曲管段：完全嵌固式中弯曲应力对与管道外侧为拉应力，取+号，管道内侧为压应力，取-号。弯曲应力公式推导见P16二、强度校核：一般管道：2212管道节点处或接近重要建筑物处：道的水平走向或高程的变化。最小弯曲半径满足minR第三节曲管的强度和柔性计算当管道敷设方向发生变化时，可采用弹性敷设或具有一定曲率半径的弯管。弹性敷设：利用管道在外力或自重作用下产生弹性变形来改变管弯管制作方式有直管冷、热弯，和由扇形短管焊接的虾米弯头。一、曲管在内压作用下的应力计算：在内压作用下，直管的环向应力沿圆周是均匀分布的，而曲管内侧环向应力最大，外侧最小，中心线处与直管环向应力相等。ED2[]FA22(Rrsin)d第三节曲管的强度和柔性计算在x轴到任意夹角的A处截取一小段管壁的面积为:A(Rrsin)d该截面上的环向内力为:在内压P作用下，作用于微段上的力为：prd(Rrsin)d中心线处0和1802Rrsin2(Rrsin)Prt整理得曲管在内压作用下的环向应力：2第三节曲管的强度和柔性计算二力在X轴方向平衡得：2(Rrsin)dsin0pr(Rrsin)dcosd00PD2tPrt2002Rr2(Rr)Prt22Rr2(Rr)Prt2曲管内侧270曲管外侧90R/rm1m221.50.8331.250.8841.170.9061.100.9381.070.94101.060.95121.050.96112rR2rR)(21rRm增强系数2m缩减系数)(2rR)1)1(2r第三节曲管的强度和柔性计算2(rRR22rrRR增强系数是曲管曲率半径和曲管管子半径之比的函数。计算结果列表如下：R/r比值越大，增强系数越小。当R=8r时，曲管内侧环向应力比直管仅大7%，再增大曲管曲率半径时，增强系数减小量已不明显。第三节曲管的强度和柔性计算由一个扇形短管组成的虾米弯头强度为同径同壁厚圆管弯头强度的50%，由两个扇形短管组成的虾米弯头强度为同径同壁厚圆管弯头强度的70%，由三个以上的扇形短管组成的虾米弯头强度为同径同壁厚圆管弯头强度的90%第三节曲管的强度和柔性计算PD4tPr2t曲管在内压作用下的轴向应力：1推导过程见P21。可见，曲管在内压作用下的轴向应力与直管相等。曲管的壁厚一般按最大环向应力设计，因此它的壁厚比直管段要厚些。Ctm1PD2[]112210122K第三节曲管的强度和柔性计算二、曲管的柔性计算：曲管由于制造和热胀时受到纵向弯矩作用，在管子截面上出现扁率（椭圆形），因此截面抗弯刚度降低。减刚系数tRr2式中：λ------曲管特征系数，qmaxs13m1pD2t第三节曲管的强度和柔性计算三、曲管的强度校核：曲管由于热胀时受到纵向弯矩作用，环向应力出现增强问题。所以应校核由内压产生的环向应力和由纵向弯矩引起的环向应力之和是否在允许范围内，要求满足下式：式中：qmax------热胀时受到纵向弯矩引起的最大环向应力若不满足要求时，可增大曲管曲率半径R或设法减小作用于曲管上的弯矩（改进补偿器、增大管路系统的柔性）。第四节三通强度计算三通用于管线分支，其结构形式有预制三通和割孔焊接三通。一、预制三通：一般采用增加三通壁厚的方法来保证强度。tTBttT完整干管的壁厚B爆破压力折减系数，它是三通的爆破压力与干管的爆破压力之比。与管径、壁厚、管径比、径厚比有关。随径厚比增大而减小，支管壁厚增大而增大，支管管径增大而减小。0.67---0.95形成的面积。A2------在补强区内，支管富裕壁厚第四节三通强度计算二、割孔焊制三通：采用等截面积补强的办法。A1A2A3AR式中：A1------在补强区内，主管富裕壁厚ARdh形成的面积。A22(Bb)LA1d(Hh)L2.5H或L2.5BM的值小者A3------补强元件的面积。AR------主管开孔面积。例题：P27例1-48.8mm100.410320.72317t0hPD2Ks支管的计算壁厚：主管的计算壁厚：6.3mm100.21910320.72241t0bPD2Ks第四节三通强度计算P27例1-4例题：一支管直径为0.219m壁厚8.2mm接在直径0.400m壁厚10mm主管上。支管材料的屈服极限s241MPa，主管材料的屈服极限s317MPa。该管线的工作压力为10MPa，工作温度52℃，运行地区为一级地区。试设计补强圈的厚度。解：强度设计系数查表得：K=0.72第四节三通强度计算ARdtoh(21928.2)8.81786.4mm2需要补强的面积：主管富裕壁厚形成的面积：A1(tHt0h)d(108.8)203243.6mm2支管富裕壁厚形成的面积：A22(tBt0b)L2(8.26.3)2595mm2式中：L2.5tH或L2.5tBM的值小者暂取：L2.5tH2.51025mm7.76mm1447.820328.2A3d2tBM第四节三通强度计算补强元件的面积：A3AR(A1A2)1786.4(243.695)1447.8mm2d2补强元件的厚度：Psoh2K0EIRPcrPcr13P第五节地下管道稳定性校核一、管道径向稳定性校核：当壁厚与外径之比小于1/110，埋地管道应进行径向稳定性校核。当壁厚与外径之比大于1/110时，具有足够的径向稳定性。管道所受径向外载荷管道受外压失稳的临界压力式中：K0------土壤压缩抗力系数，又称基础系数。P123表4-1so------土壤的比重。EIK0D14Pcr2K0DEI42122EIK0D第五节地下管道稳定性校核二、管道轴向稳定性校核：地下管道受轴向压力达到或超过临