压力管道的强度计算

1、压力管道的强度计算 1 承受内压管子的强度分析按照应力分类，管道承受压力载荷产生的应力，属于一次薄膜应力。该应力超过某一限度，将使管道整体变形直至破坏。承受内压的管子，管壁上任一点的应力状态可以用3 个互相垂直的主应力来表示，它们是：沿管壁圆周切线方向的环向应力，平行于管道轴线方向的轴向应力z，沿管壁直径方向的径向应力r，如图 21，设 p 为管内介质压力，dn为管子内径， s为管子壁厚。则3 个主应力的平均应力表达式为管壁上的3 个主应力服从下列关系式：z r 根据最大剪应力强度理论，材料的破坏由最大剪应力引起，当量应力为最大主应力与最小主应力之差，故强度条件为e=-r 将管壁的应力表达式代

2、入上式，可得理论壁厚公式图 21 承受内压管壁的应力状态工程上，管子尺寸多由外径dw表示，因此又得昂一个理论壁厚公式 2管子壁厚计算承受内压管子理论壁厚公式，按管子外径确定时为按管子内径确定时为式中：sl 管子理论壁厚，mm；p 管子的设计压力，mpa；dw 管子外径， mm；dn 管子内径， mm；焊缝系数； t 管子材料在设计温度下的基本许用应力，mpa。管子理论壁厚，仅是按照强度条件确定的承受内压所需的最小管子壁厚。它只考虑了内压这个基本载荷，而没有考虑管子由于制造工艺等方面造成其强度削弱的因素，因此它只反映管道正常部位强度没有削弱时的情况。作为工程上使用的管道壁厚计算公式，还需考虑强度

3、削弱因素。因此，工程上采用的管子壁厚计算公式为sj=sl+c (2-3) 式中： sj 管子计算壁厚，mm；c 管子壁厚附加值，mm。(1)焊缝系数 ( )焊缝系数 ，是考虑了确定基本许用应力安全系数时未能考虑到的因素。焊缝系数与管子的结构、焊接工艺、焊缝的检验方法等有关。根据我国管子制造的现实情况，焊缝系数按下列规定选取：1对无缝钢管， =1 0；对单面焊接的螺旋线钢管，=0 6；对于纵缝焊接钢管，参照钢制压力容器的有关标准选取：双面焊的全焊透对接焊缝：100无损检测=1 0；局部无损检测=0 s5。单面焊的对接焊缝，沿焊缝根部全长具有垫板：100无损检测=0 9；局部无损检测=0 8；(2

4、)壁厚附加量 (c) 壁厚附加量c，是补偿钢管制造：工艺负偏差、弯管减薄、腐蚀、磨损等的减薄量，以保证管子有足够的强度。它按下列方法计算：c=c1+c2 (2-4) 式中： c1 管子壁厚负偏差、弯管减薄量的附加值，mm；c2 管子腐蚀、磨损减薄量的附加值，mm。管子壁厚负偏差和弯管减薄量的附加值：在管子制造标准中，允许有一定的壁厚负偏差，为了使管子在有壁厚负偏差时的最小壁厚不小于理论计算壁厚，管子计算壁厚中必须计人管子壁厚负偏差的附加值。在管子标准中，壁厚允许负偏差一般用壁厚的百分数表示，令为管子壁厚负偏差百分数，则得热轧无缝钢管。值的规定值见表21。表 21 普通钢管厚度负偏差值2钢管种类

5、壁厚(mm) 负偏差 % 普通 高级碳素钢和低合金钢2020 15 12.5 12.5 10 不锈钢1010-20 15 20 12.5 15 如果需要同时计及弯管减薄量的补偿，则壁厚附加值可按下列方法考虑：3在弯制管予时，弯管的外侧壁厚将减薄，内侧壁厚将加厚。目前一般采用的热弯工艺，弯管减薄量约为8 10，但弯管在内压作用下的应力分布与直管有区别，在弯管弯曲半径大于管子外径4 倍，弯管减薄量为8 10时，内压引起的环向应力比直管约大5。在此情况下，工程上一般将弯管与直管取相同的理论壁厚，而在壁厚附加值中计人一定的裕量。作为对弯管减薄量的补偿。壁厚附加值由下式计算：以上为无缝钢管管子壁厚附加值

6、c1的计算方法。 对于采用钢板或钢带卷制的焊接钢管，其壁厚负偏差就是钢板、钢带的允许负偏差。这时的c1值可按下列数据采用：壁厚为 55mm 及以下时， c1=05mm；壁厚为 7mm 及以下时，c1=06mm；壁厚为 25mm 及以下时，c1=08mm；管子腐蚀和磨损减薄量的附加值当介质对管子的腐蚀并不严重，即腐蚀速度小于005mma(年)时，单面腐蚀取 c2=115mm，双面腐蚀取c2=22 5mm。当管子外面涂防腐油漆时，可认为是单面腐蚀，当管子内外壁均有较严重腐蚀时，则认为是双面腐蚀。当介质对管子材料腐蚀速率大于005mm a时，则应根据腐蚀速度和使用年限决定 c2值。 3弯管壁厚计算弯

7、管在承受内压时，若弯管各点壁厚相同，且无椭圆效应， 则弯管内侧应力最大，外侧最小，弯管破坏应发生在内侧。但采用直管弯制成弯管后，壁厚是有变化的。如图 22，外侧壁厚sa减薄，内侧壁厚5e增厚；横截面产生一定的椭圆度对应力的影响，致使应力分布也发生变化，外侧由于壁厚减薄而使应力增加，内侧则由壁厚增加而使应力降低。综合起来，弯管外侧壁的实际环向应力仍比直管大，内侧壁的环向应力则比直管小。且应力值与弯管的弯曲半径及有关。而弯管的径向应力与直管相同，没有变化。因此，计算弯制弯管的管子理论壁厚公式为图 22 弯管dp 平均直径； sa外侧壁薄； se内侧壁厚； r弯曲半径。式中： slw 弯管理论计算壁

8、厚，mm；r 弯管弯曲半径，mm。将直管理论壁厚sl的表达式 (2 1)代人式 (27)，则可得目前，工程上一般都采用式(28)来计算弯制弯管的理论壁厚。弯制弯管时，弯管处横截面变得不圆，它对应力有影响，可用最大外径与最小外径之差 tu表示。式中： tu 弯管最大外径与最小外径之差()；dmax 弯管横截面最大外径，mm；dmin 弯管横截面最小外径，mm。在内压作用下，不圆的横截面将趋于圆形，短轴伸长，长轴缩短，f 点和 a点处产生较大的拉应力，易形成纵向裂纹(见图 23)。tu越大，产生的局部应力也越大。达到一定值后，将使弯管承载能力降低而导致破坏。因此，在各国的技术规范中，对最大外径与最

9、小外径之差都有一定的规定。我国的gb50235 97工业金属管道工程施工及验收规范对弯制弯管规定为：对输送剧毒流体的钢管或设计压力p10mpa 的钢管 tu不超过 5，输送剧毒流体以外的钢管或设计压力p小于 10mpa 的钢管 tu不超过 8。4 4 焊制三通壁厚计算在管道工程中，常要用到大小不等的各种三通。如图24。由于三通处曲率半径发生突然变化以及方向的改变，导致主支管接管处出现相当大的应力集中，可比管道正常部位的应力高出67 倍。但这种应力集中现象只发生在局部区域，离接管处稍远就很快衰减。只要将接管处的主管或支管加厚(或主、支管同时加厚)，或采用补强的方法，便可降低峰值应力，满足强度要求

10、。三通主管理论壁厚公式为5图 23 弯管处不圆情况图 24 三通式中： slz 主管理论计算壁厚，mm；强度削弱系数，对于单筋、蝶式等局部补强的三通，=0 9。式(210)适用于 dw 660mm ，支管内径与主管内径之比dndn0 8，主管外径与内径之比的取值范围在10515 的焊制三通。焊制三通所用管子为无缝钢管(否则应考虑焊缝系数 )。三通支管的理论壁厚：式中： sld 支管理论壁厚，mm；dw 支管外径， mm。焊制三通长度一般取为35dw，高度一般取为17dw。5 异径管壁厚计算对图 25 所示大小头， 可采用下式计算(日本宇部公司所采用的计算方法)理论壁厚：6式中： slt 异径管

11、理论最小壁厚，mm；dn 最小壁厚处内径，mm；圆锥顶角的12。采用图 25 所示结构时， 不得大于 30 ，设 1= ，则 1与 p( t)相对应的值不得超过表22 所列数值，中间值可用插值法求取。表 22p/ t 0.2 0.5 1 2 4 8 10 12.5 14 6 9 12.5 17.5 24 27 30 图 25 异径管 6焊接弯头的强度计算焊接弯头也称斜接弯头或虾米腰弯头。这里介绍美国国家标准压力管道规范ansi b313 和我国化工行业标准所规定的计算方法。571)多节斜接弯头对图 26 所示多节斜接弯头，当角小于或等于225 时，其最大容许内压可用以下两公式计算，并取两公式计算结果中