压力管道应力 分析.ppt

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 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