管道应力分析和计算.doc

管道应力分析和计算目 次1 概述1.1 管道应力计算的重要工作1.2 管道应力计算常用的规范、原则1.3 管道应力分析措施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重要工作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 柔性系数与应力增长系数2.8 作用力和力矩计算的基本措施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3.3 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 管道在有偶尔荷载作用时的应力验算3.6 管系热胀应力范畴的验算3.7 力矩和截面抗弯矩的计算3.8 应力增长系数3.9 应力分析和计算软件1 概述1.1 管道应力计算的重要工作火力发电厂管道（如下简称管道）应力计算的重要工作是验算管道在内压、自重和其她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；判断计算管道的安全性、经济性、合理性，以及管道对设备产生的推力和力矩应在设备所能安全承受的范畴内。

管道的热胀应力应按冷、热态的应力范畴验算管道对设备的推力和力矩应按冷状态下和工作状态下也许浮现的最大值分别进行验算1.2 管道应力计算常用的规范、原则（1）DL/T 5366－火力发电厂汽水管道应力计算技术规程（2）ASME B 31.1－动力管道在一般状况下，对国内工程采用DL/T 5366进行管道应力验算对涉外工程或顾客有规定期，采用B 31.1进行管道应力验算1.3 管道应力分析措施管道应力分析措施分为静力分析和动力分析对于静荷载，例如：管道内压、自重和其她外载以及热胀、冷缩和其她位移荷载作用的应力计算，采用静力分析法DL/T 5366和B 31.1 规定的应力验算属于静力分析法同步，它们也用简化措施计及了地震作用的影响，合用于火力发电厂管道和一般动力管道对于动载荷，例如：往复脉冲载荷、逼迫振动载荷、流动瞬态冲击载荷和地震载荷作用的应力计算采用动力分析法核电站管道和地震烈度在９度及以上地区的火力发电厂管道应力计算采用动力分析法1.4 管道荷载管道上也许承受的荷载有：（1） 重力荷载：涉及管道自重、保温重、介质重和积雪重等；（2）压力荷载：涉及内压力和外压力；（3）位移荷载：涉及管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；（4）风荷载；（5）地震荷载；（6）瞬变流动冲击荷载，如安全阀启跳或阀门的迅速启闭时的压力冲击；（7）两相流脉动荷载；（8）压力脉动荷载，如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动；（9）机械振动荷载，如回转设备的简谐振动。

上述荷载根据其作用时间的长短，可以分为恒荷载和活荷载两类；根据其作用的性质，可以分为静力荷载和动力荷载由于不同特性的荷载产生的应力性态及其对破坏的影响不同，因此，在应力分析与计算中也将采用与之相适应的措施1.5 变形与应力1.5.1 变形在外力（荷载）作用下，构造的总体或构件的形状和尺寸都会发生不同限度的变化，这种形状的变化，一般称为变形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弹性变形：构件或物体在外力作用下产生的变形，外力除去后能完全恢复其原有形状，不遗留外力作用过的任何痕迹，这种变形叫做弹性变形塑性变形：构件或物体在外力作用下产生的变形，当外力除去后，构件或物体的形状不能复原，即遗留了外力作用下的残存变形，这种变形称为塑性变形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拉（压）变形：这种变形是由一对大小相等、方向相反、作用线与杆件轴线重叠的外力所引起的在这种外力作用下，杆的长度将伸长（或缩短）弯曲变形：当杆件承受与它的纵轴线垂直的荷载或纵向轴线平面内的力偶作用时，杆的纵向轴线由本来的直线变成了弧线，这种变形称为弯曲变形。

剪切变形：这种变形是杆件受到一对大小相等、方向相反、作用线相距很近的外力作用时所产生的它的特性是在上述外力作用下杆的两个外力作用线间的各断面将力的作用方向（垂直于杆件轴线方向）发生相对错动扭转变形：杆件在受到一对大小相等、转向相反、作用面垂直于杆件轴线的力偶作用时，使杆件的任意的两个断面绕杆件轴线作相对的转动，即产生扭转变形1.5.3 应力在外力作用下，构件发生变形，这阐明构件材料内部在外力作用下变形时原子间的相对位置产生了变化，同步原子间的互相作用力（吸引力与排斥力）也发生了变化这种力的变化量称为内力内力是沿整个断面持续分布的，单位面积上的内力强度，即应力，以“s”表达1.5.4 应变与弹性模数（1）应变：构件或物体受外力（荷载）作用下将产生变形，为表白变形的限度，需计算单位长度内的变形，即应变，以“e”表达2）弹性模数：弹性模数E，代表材料在受到拉伸（或压缩）作用时对弹性变形的抵御能力当杆件长度、断面积、外力以及温度均相似的条件下，E的数值越大，杆件的轴向伸长（变形）越小因此，E也可说是衡量材料刚度的指标在弹性范畴内，应力＝弹性模数×应变，即s＝E·e3）泊松比：在弹性范畴内，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“”表达。

泊松比的数值，对汽水管道常用的钢材，由实验得出，在弹性状态下约在0.25至0.35之间，在实用计算中取为0.3但是，它随着钢材塑性变形的发展而增长，对塑性状态下可近似地取为0.54）剪切弹性模数：表达材料性弹性性态时抵御剪切变形的能力剪应力与剪应变也服从虎克定律剪切弹性模数G与弹性模数E和泊松比有如下关系：G＝ ，若取常用管道钢材在弹性状态下的泊松比＝0.3，则剪切弹性模数G将等于1.6 强度指标与塑性指标钢材的强度特性与变形特性是用一定的强度指标与塑性指标来衡量的，这两类指标都是表达钢材力学性能（机械性能）的物理量，它们都可以通过钢材的拉伸实验来得到1.6.1 强度极限sb：在拉伸应力－应变曲线上的最大应力点，单位为MPa1.6.2 屈服极限sS：材料在拉伸应力超过弹性范畴，开始发生塑性变形时的应力有些材料的拉伸应力－应变曲线并不浮现明显的屈服平台，即不能明确地拟定其屈服点对此种状况，工程上规定取试样产生0.2％残存变形的应力值作为条件屈服极限，用ss（0.2%）表达，单位为MPa1.6.3 持久强度sDt：在给定温度下，使试样通过一定期间发生蠕变断裂时的应力在工程上一般采用试样在设计温度下10万小时断裂时的平均值sDt表达，单位为MPa。

1.6.4 蠕变极限sDt：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一般采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MPa1.6.5 延伸率d：试样在拉伸实验中发生破坏时，产生了百分之几的塑性伸长量，是衡量钢材拉伸实验时塑性的一种指标试样的原始长度，一般选择为试样直径的5倍或10倍，因此，试样有d5和d10值，单位为百分率（％）1.6.6 断面收缩率ψ：断面收缩率表白试样在拉伸实验发生破坏时，缩颈处所产生的塑性变形率，它是衡量材料塑性的另一指标，单位为百分率（％）1.6.7 冲击功：钢材在进行缺口冲击实验时，消耗在试样上的能量，称为冲击功，用Ak表达，单位为焦耳（J）消耗在试样单位截面上的冲击功，即冲击韧性（也称冲击值），用ak表达，单位为J/cm21.6.8 硬度：反映材料对局部塑性变形的抗力及材料的耐磨性硬度有三种表达措施，即布氏硬度HB、洛氏硬度HR和维氏硬度HV，其测定措施和合用范畴各异1.7 强度理论常用的材料强度理论有四种，分别是：1.7.1 第一强度理论－最大拉应力理论，其当量应力为S＝s1 （式1.7.1）它觉得引起材料断裂破坏的重要因素是最大拉应力。

亦即不管材料处在何种应力状态，只要最大拉应力达到材料单向拉伸断裂时的最大应力值，材料即发生断裂破坏1.7.2 第二强度理论－最大伸长线应变理论，其当量应力为S＝s1－（s2＋s3） （式1.7.2）它觉得引起材料断裂破坏的重要因素是最大伸长线应变亦即不管材料处在何种应力状态，只要最大伸长线应变达到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，其当量应力为S＝s1－s３ （式1.7.3）它觉得引起材料破坏或失效的重要因素是最大剪应力亦即不管材料处在何种应力状态，只要最大剪应力达到材料屈服极限值，材料即发生屈服破坏1.7.4 第四强度理论－变形能理论，其当量应力为S＝ （式1.7.4）它觉得引起材料屈服破坏的重要因素是材料内的变形能亦即不管材料处在何种应力状态，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在管道强度设计中，重要采用最大剪应力强度理论1.8 蠕变与应力松弛蠕变和应力松弛是金属材料在高温下的机械性能。

1.8.1 蠕变是指金属在高温和应力同步作用下，应力保持不变，其非弹性变形随时间的延长而缓慢增长的现象高温、应力和时间是蠕变发生的三要素应力越大、温度越高，且在高温下停留的时间越长，则蠕变越甚1.8.2 应力松弛是指高温下工作的金属构件，在总变形量不变的条件下，其弹性变形随着时间的延长不断转变成非弹性变形，从而引起金属中应力逐渐下降并趋于一种稳定值的现象1.8.3 蠕变和应力松弛两种现象的实质是相似时，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的特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 应力分类对于管道上的应力，一般分为一次应力、二次应力和峰值应力三类1.9.1 一次应力一次应力是由压力、重力与其她外力荷载的作用所产生的应力它是平衡外力荷载所需的应力，随外力荷载的增长而增长一次应力的特点是没有自限性，即当管道内的塑性区域扩展达到极限状态，使之变成几何可变的机构时，虽然外力荷载不再增长，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏一次应力有三种类型：一次一般薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力。

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）的分量如果这种应力达到屈服极限时，将引起截面整体屈服，不浮现荷载的再分派2）一次局部薄膜应力，是由内压或其他机械荷载产生的，由于构造不持续或其他特殊状况的影响，而在管道或附件的局部区域有所增强的一次薄膜应力此类应力虽然具有二次应力的某些特性，但为安全计，一般划为一次应力3）一次弯曲应力，是在所研究的截面上法向应力（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，也只引起局部屈服在应力验算中，一般不单独评价一次弯曲应力强度1.9.2 二次应力二次应力是由管道变形受约束而产生的应力，。