壓力管道的強度計算

1、.wd.wd.wd.壓力管道的強度計算1 承受內(nèi)壓管子的強度分析 按照應力分類，管道承受壓力載荷產(chǎn)生的應力，屬于一次薄膜應力。該應力超過某一限度，將使管道整體變形直至破壞。承受內(nèi)壓的管子，管壁上任一點的應力狀態(tài)可以用3個互相垂直的主應力來表示，它們是：沿管壁圓周切線方向的環(huán)向應力，平行于管道軸線方向的軸向應力z，沿管壁直徑方向的徑向應力r，如圖21，設P為管內(nèi)介質(zhì)壓力，Dn為管子內(nèi)徑，S為管子壁厚。那么3個主應力的平均應力表達式為管壁上的3個主應力服從以下關系式：zr根據(jù)最大剪應力強度理論，材料的破壞由最大剪應力引起，當量應力為最大主應力與最小主應力之差，故強度條件為e=-r將管壁的應力表達式

2、代入上式，可得理論壁厚公式圖21 承受內(nèi)壓管壁的應力狀態(tài)工程上，管子尺寸多由外徑Dw表示，因此又得昂一個理論壁厚公式2管子壁厚計算承受內(nèi)壓管子理論壁厚公式，按管子外徑確定時為按管子內(nèi)徑確定時為式中：Sl管子理論壁厚，mm；P管子的設計壓力，MPa；Dw管子外徑，mm；Dn管子內(nèi)徑，mm；焊縫系數(shù)；t管子材料在設計溫度下的 基本許用應力，MPa。管子理論壁厚，僅是按照強度條件確定的承受內(nèi)壓所需的最小管子壁厚。它只考慮了內(nèi)壓這個 基本載荷，而沒有考慮管子由于制造工藝等方面造成其強度削弱的因素，因此它只反映管道正常部位強度沒有削弱時的情況。作為工程上使用的管道壁厚計算公式，還需考慮強度削弱因素。因此

3、，工程上采用的管子壁厚計算公式為Sj=Sl+C (2-3)式中：Sj管子計算壁厚，mm；C管子壁厚附加值，mm。(1)焊縫系數(shù)()焊縫系數(shù)，是考慮了確定 基本許用應力安全系數(shù)時未能考慮到的因素。焊縫系數(shù)與管子的構造、焊接工藝、焊縫的檢驗方法等有關。根據(jù)我國管子制造的現(xiàn)實情況，焊縫系數(shù)按以下規(guī)定選?。?對無縫鋼管，=10；對單面焊接的螺旋線鋼管，=06；對于縱縫焊接鋼管，參照?鋼制壓力容器?的有關標準選?。弘p面焊的全焊透對接焊縫：100無損檢測 =10；局部無損檢測 =0S5。單面焊的對接焊縫，沿焊縫根部全長具有墊板：100無損檢測 =09；局部無損檢測 =08；(2)壁厚附加量(C)壁厚附加量

4、C，是補償鋼管制造：工藝負偏差、彎管減薄、腐蝕、磨損等的減薄量，以保證管子有足夠的強度。它按以下方法計算：C=C1+C2(2-4)式中：C1管子壁厚負偏差、彎管減薄量的附加值，mm；C2管子腐蝕、磨損減薄量的附加值，mm。管子壁厚負偏差和彎管減薄量的附加值：在管子制造標準中，允許有一定的壁厚負偏差，為了使管子在有壁厚負偏差時的最小壁厚不小于理論計算壁厚，管子計算壁厚中必須計人管子壁厚負偏差的附加值。在管子標準中，壁厚允許負偏差一般用壁厚的百分數(shù)表示，令為管子壁厚負偏差百分數(shù)，那么得熱軋無縫鋼管。值的規(guī)定值見表21。表21 普通鋼管厚度負偏差值2鋼管種類壁厚(mm)負偏差%普通高級碳素鋼和低合金

5、鋼20201512.512.510不銹鋼1010-20152012.515如果需要同時計及彎管減薄量的補償，那么壁厚附加值可按以下方法考慮：3在彎制管予時，彎管的外側壁厚將減薄，內(nèi)側壁厚將加厚。目前一般采用的熱彎工藝，彎管減薄量約為810，但彎管在內(nèi)壓作用下的應力分布與直管有區(qū)別，在彎管彎曲半徑大于管子外徑4倍，彎管減薄量為810時，內(nèi)壓引起的環(huán)向應力比直管約大5。在此情況下，工程上一般將彎管與直管取一樣的理論壁厚，而在壁厚附加值中計人一定的裕量。作為對彎管減薄量的補償。壁厚附加值由下式計算：以上為無縫鋼管管子壁厚附加值C1的計算方法。對于采用鋼板或鋼帶卷制的焊接鋼管，其壁厚負偏差就是鋼板、鋼

6、帶的允許負偏差。這時的C1值可按以下數(shù)據(jù)采用：壁厚為55mm及以下時，C1=05mm；壁厚為7mm及以下時， C1=06mm；壁厚為25mm及以下時，C1=08mm；管子腐蝕和磨損減薄量的附加值當介質(zhì)對管子的腐蝕并不嚴重，即腐蝕速度小于005mma(年)時，單面腐蝕取C2=115mm，雙面腐蝕取C2=225mm。當管子外面涂防腐油漆時，可認為是單面腐蝕，當管子內(nèi)外壁均有較嚴重腐蝕時，那么認為是雙面腐蝕。當介質(zhì)對管子材料腐蝕速率大于005mma時，那么應根據(jù)腐蝕速度和使用年限決定C2值。3彎管壁厚計算 彎管在承受內(nèi)壓時，假設彎管各點壁厚一樣，且無橢圓效應，那么彎管內(nèi)側應力最大，外側最小，彎管破壞

7、應發(fā)生在內(nèi)側。但采用直管彎制成彎管后，壁厚是有變化的。如圖22，外側壁厚Sa減薄，內(nèi)側壁厚5e增厚；橫截面產(chǎn)生一定的橢圓度對應力的影響，致使應力分布也發(fā)生變化，外側由于壁厚減薄而使應力增加，內(nèi)側那么由壁厚增加而使應力降低。綜合起來，彎管外側壁的實際環(huán)向應力仍比直管大，內(nèi)側壁的環(huán)向應力那么比直管小。且應力值與彎管的彎曲半徑及有關。而彎管的徑向應力與直管一樣，沒有變化。因此，計算彎制彎管的管子理論壁厚公式為圖22彎管DP平均直徑；Sa外側壁薄；Se內(nèi)側壁厚；R彎曲半徑。式中：Slw彎管理論計算壁厚，mm；R彎管彎曲半徑，mm。將直管理論壁厚Sl的表達式(21)代人式(27)，那么可得目前，工程上一

8、般都采用式(28)來計算彎制彎管的理論壁厚。彎制彎管時，彎管處橫截面變得不圓，它對應力有影響，可用最大外徑與最小外徑之差Tu表示。式中：Tu彎管最大外徑與最小外徑之差()；Dmax彎管橫截面最大外徑，mm；Dmin彎管橫截面最小外徑，mm。在內(nèi)壓作用下，不圓的橫截面將趨于圓形，短軸伸長，長軸縮短，f點和a點處產(chǎn)生較大的拉應力，易形成縱向裂紋(見圖23)。Tu越大，產(chǎn)生的局部應力也越大。到達一定值后，將使彎管承載能力降低而導致破壞。因此，在各國的技術標準中，對最大外徑與最小外徑之差都有一定的規(guī)定。我國的GB5023597?工業(yè)金屬管道工程施工及驗收標準?對彎制彎管規(guī)定為：對輸送劇毒流體的鋼管或設

9、計壓力P10MPa的鋼管Tu不超過5，輸送劇毒流體以外的鋼管或設計壓力P小于10MPa的鋼管Tu不超過8。44 焊制三通壁厚計算 在管道工程中，常要用到大小不等的各種三通。如圖24。由于三通處曲率半徑發(fā)生突然變化以及方向的改變，導致主支管接收處出現(xiàn)相當大的應力集中，可比管道正常部位的應力高出67倍。但這種應力集中現(xiàn)象只發(fā)生在局部區(qū)域，離接收處稍遠就很快衰減。只要將接收處的主管或支管加厚(或主、支管同時加厚)，或采用補強的方法，便可降低峰值應力，滿足強度要求。三通主管理論壁厚公式為5圖23 彎管處不圓情況圖24 三通式中：Slz主管理論計算壁厚，mm；強度削弱系數(shù)，對于單筋、蝶式等局部補強的三通

10、，=09。式(210)適用于Dw660mm，支管內(nèi)徑與主管內(nèi)徑之比dnDn08，主管外徑與內(nèi)徑之比的取值范圍在10515的焊制三通。焊制三通所用管子為無縫鋼管(否那么應考慮焊縫系數(shù))。三通支管的理論壁厚： HYPERLINK :/sagety.gasshow /content_images/anquan_y001image/0406040374.jpg t _blank 式中：Sld支管理論壁厚，mm；dw支管外徑，mm。焊制三通長度一般取為35Dw，高度一般取為17Dw。 5 異徑管壁厚計算 對圖25所示大小頭，可采用下式計算(日本宇部公司所采用的計算方法)理論壁厚：6 HYPERLINK

11、:/sagety.gasshow /content_images/anquan_y001image/0406040375.jpg t _blank 式中：Slt異徑管理論最小壁厚，mm；Dn最小壁厚處內(nèi)徑，mm；圓錐頂角的12。采用圖25所示構造時，不得大于30，設1=，那么1與P(t)相對應的值不得超過表22所列數(shù)值，中間值可用插值法求取。表22P/t0.20.512481012.5146912.517.5242730圖25 異徑管6焊接彎頭的強度計算 焊接彎頭也稱斜接彎頭或蝦米腰彎頭。這里介紹美國國家標準壓力管道標準ANSI B313和我國化工行業(yè)標準所規(guī)定的計算方法。571)多節(jié)斜接彎頭對圖26所示多節(jié)斜接彎頭，當角小于或等于225時，其最大容許內(nèi)壓可用以下兩公式計算，并取兩公式計算結果中較小者：圖26多節(jié)斜接彎頭式中：R1彎曲半徑，mm；rp管子平均半徑，mm；彎頭切割角度，；應用此規(guī)定時，彎曲半徑只：