管道及储罐强度设计

▲管道：管子、连接件、阀门等连接而成用于输送气液体和带固体颗粒流体的装置▲强度：金属材料在外力作用下，抵抗永久变形或断裂的能力▲地面敷设的优缺点优点：不影响土壤环境，且不受地下水位影响，检修方便发现和清除事故容易。缺点：管道直接设置在空气中，对于非常温管增加冷热能量的损失，限制了通道的高度，不美观。●失效机理：①材料：a.塑性失稳b.断裂c.疲劳d.应力腐蚀开裂e.氢致开裂f.裂纹的动态扩展。②结构—丧失了稳定性a.塑性失稳：由于变形引起的截面几何尺寸的改变而导致的丧失平衡的现象。图b.断裂：由于裂纹的不稳定扩展造成的。产生原因：制造—焊缝，母材缺陷、夹渣、分层等；施工—机械损伤、表面划度、凹坑；运行—介质、腐蚀环境。c.疲劳：材料在交变应力作用下的破坏。原因：内压变化—间歇输送、正反输送、输气；外力变化—风载荷、海底管跨的涡激振动、公路下未加套管的管道d.应力腐蚀开裂：基本条件：局部环境；敏感元件；应力条件e.氢致开裂:H2S-酸性环境，腐蚀产生氢侵入钢内而产生的裂纹。f.裂纹的动态扩展：输气管道特有的现象●管道的结构失稳:a轴向载荷-轴向失稳b外压-径向失稳c弯曲-径向失稳d联合载荷-径向失稳。●弹性敷设是利用管道在外力或自重作用下产生弹性弯曲变形来改变管道的走向或适应高程的变化。●按工艺分，弯头可以分为预制弯管、冷弯弯管、热煨弯管●永久荷载：施加在管道上不变的，其变化与平均值相比可以忽略不计，其变化是单调的并且趋于限值的荷载。●可变载荷：施加在管道结构上由人群、物料、交通工具引起的使用或占用荷载●偶然荷载：设计使用期内偶然出现或不出现其数值很大，可持续时间很短的荷载。●环向应力是由管道输送介质的内压产生的。●地下管道产生轴向应力的原因是温度变化和环向应力的泊松效应。●管道热应力:在管道中由于温度变化产生的应力.●管道出现温度变化的主要原因:管道在敷设施工时的温度由外部气温决定，而在运行过程中则由输送产品的温度决定，两者之间必然存在差别，不可避免在管道运行过程中产生应力或伸缩变形。●地下管道应力应变的特点:根据摩擦阻力与热伸缩力的大小，可以将埋地管道分成自由伸缩段、过渡段和嵌固段。在自由伸长段，土壤与管壁的摩擦力为零，也即在该截面处不受约束可以自由伸长，其变形量也大，随着管道向埋地段延伸时，土壤与管壁之间的摩擦阻力越来越大，管段受到周围土壤的约束，使管道变形量越来越小，这段称为过渡段。当这一变化达到某一长度时，摩擦阻力与热伸缩力相平衡，管段的伸缩完全被约束，即不会因温度的变化而产生伸缩变形，受到完全的强制补偿，此段称为嵌固阶段。◆管道发生下沉会在管道上产生两种新的应力：一是由于管道偏离原来的直线位置产生弯曲，从而产生新的弯曲应力；二是由于管道弯曲而使管道的长度有所增加而产生的拉伸应力。◆支墩的作用是限制管道的热伸长量。支墩按型式可以分为上托式支墩、预埋式支墩、卡式支墩◆应力增强系数：弯管内弧环向应力比直管环向应力增大的倍数。应力缩减系数：弯管内弧环向应力比直管环向应力减小的倍数◆弯管的环向应力的分布规律：当α=0°或α=180°时，即弯管的中线处，也就是水平弯管的最上和最下处，和直管的环向应力相同。当α=270°时，即在水平弯管的内侧弧面上可得此处有б2的最大值。当α=90°时，即在水平弯管的外侧弧面上可得此处有б2的最小值。◆轴向应力特点：弯管在内压作用下其轴向应力和直管相等。◆弯管柔性比直管大，主要是由于在直管弯曲半径方向，管子截面上出现了扁率。这个扁率①是由于弯管制造上的原因。②来自热胀而产生的弯矩。◆管道上的三通是由两个圆柱壳体成直角（也可以是斜角）的组合件，常用于主管与支管的连接。◆管道三通有以下制造形式：热冲压法制造成的三通，它主要用于小口径管道；由两个冲压成型的零件焊接成的冲压焊接三通；以及专门的补强圈和无补强圈的焊接三通。补强原则：等面积补强法。◆三通分为整体三通和焊接三通◆三通补强的原因：由于三通处曲率半径发生突然变化以及方向的改变,为了保持主支管接管处的变形协调，必将导致在主支管接管处出现相当大的应力集中现象，常可比完整管道的应力高出5到7倍。◆三通补强的方式：只要将接管出的主管或支管加厚（或两者同时加厚）或采用补强的方法便可降低峰值要求，满足强度要求。◆开孔补强设计计算方法主要有等面积法，极限分析法和安定性理论。◆管壁上任意一点的应力状态：⑴环向应力：由管道的内压产生，再有外压的情况下，管道外压也引起环向应力；⑵轴向应力：内压、外压、热膨胀以及其他力和弯矩都可能产生轴向应力。■地上管道和地下管道的载荷的受力差异和相同点：①地下管道受的是永久载荷（主要输送介质的内压力）可变载荷（主要试运行时的水重量）偶然载荷②地上管道受的是垂直载荷（垂直载荷包括管道自重，保温结构重量，管内输送介质重量，管道附件重量）横向水平载荷（横向水平载荷主要风载荷），轴向水平载荷（轴向水平载荷包括三项：管道的轴向摩擦力，管道内压引起的不平衡轴向力，补偿器的反弹力）相同点：①都受输送介质内压作用②都是根据环向应力决定壁厚，再与轴向应力组合进行校核。■地上敷设管道的支承形式分类：按支架高低分类（低支架敷设，中支架和高支架敷设，沿墙敷设）按管架的结构形式分类（独立式管架和组合式管架），按支架对管道的约束形式分类（又分为固定支架和活动支架），按管道的跨越形式分类。■活动支架：在固定支架处，管子焊在固定支架上，管道与管架之间不能发生相移,两个固定支架之间的若干管架，只作为管道支承，而不约束管道的热膨胀，管道与支架之间可发生相对位移。■架空管道的载荷根据作用方向的不同分为：垂直载荷，横向水平载荷，轴向水平载荷①垂直载荷包括管道自重，保温结构重量，管内输送介质重量，管道附件重量。②横向水平载荷主要是风载荷。③轴向水平载荷包括三项：管道的轴向摩擦力，管道内压引起的不平衡轴向力，补偿器的反弹力。■管道跨度：两支承间的距离称为管道跨度。管道跨度按管子的强度和刚度条件确定。①按强度条件确定管道的最大允许跨度：在外载荷作用下，管道截面上产生的最大应力不得超过管材的许用应力，以保证管道强度方面的安全可靠。②软泡沫塑料密封：依靠常处于压缩状态的聚氨酯软泡沫塑料的回弹力来实现密封。油气损耗较机械密封小，且适用性好，缺点是由于泡沫塑料长期处于压缩状态，从而产生塑性变形,使其密封力逐渐减弱，最终造成失效。③管式密封：管式密封依靠橡胶管内液体的侧压力实现密封。优点是液体能在密封管内流动，对罐壁压紧力比较均匀。④唇式密封：该密封与软泡沫塑料相似，只是外形作为唇形。气密性较一般泡沫塑料好，没有一般软泡沫塑料密封在浮船上下移动时易产生滚动，扭转现象。缺点是结构复杂，难于加工，价格较贵。■四个准则计算校核条件第一准则是对于单盘式浮顶，设计时应做到单盘板和任意两个相邻舱室同时破裂时，浮顶不沉没；对于双盘式浮顶，设计应做到任意两个舱室破裂时浮顶不沉没。第二准则在整个灌顶面积上有250mm降雨量的水积存在单盘上时浮顶不沉没。第三准则为在在正常操作条件下，单盘与储液之间不存在油气空间。第四准则在前三个准则条件下，浮顶能保持结构完整性，不产生强度或失稳性破坏。●罐底板的排板方式，主要是考虑到底板焊接的变形量小，易于施工，以及节约钢材等因素来决定的。当油罐内径不超过12.5m时，可采用巨型的中幅板和边缘版组成的条形排板方式；当油罐内径大于12.5m时，采用周边为弓形边缘板的排板方式。●对于油罐尤其是大型油罐的威胁主要来自两个方面，一是基础不均匀沉陷，二是材料的脆性断裂破坏。●油罐基础的沉陷5种类型①均匀沉陷②整体倾斜不均匀沉陷③盘形不均匀沉陷④壁板周边的不均匀沉陷⑤壁板周边的局部沉陷（壁板周边的不均匀和壁板周边的局部沉陷实际上属于同一类型，是最危险的一种沉陷）●设计风压计算：①对于敞口油罐，如浮顶罐，设计风压为：P=K1K2KZω0②对于固定顶油罐，如拱顶油罐设计风压为：P=K1KZω0+KsP③对于内浮顶油罐，既无风压引起的负压，也无需设呼吸阀，故设计风压为P=K2KZω0●敞口油罐应设置抗风圈以保持油罐经受风载荷时的圆度。抗风圈设置在油罐的顶部，我国通常将抗风圈置于包边角钢以下1m的位置上。抗风圈所需最小截面系数WZ=0.082D2HD—油罐内径H—罐壁全高WZ—抗风圈所需最小截面系数●设置了抗风圈以后。罐体的上部保持了圆度，但抗风圈下面的筒体仍有可能局部被吹瘪，为了解决这个问题，需在下部适当的位置设置加强圈。●加强圈的设计与计算存在的问题：①罐外壁风压分布不均匀②油罐为阶梯形变截面圆筒，筒体母线无法用一个单一的方程式来表达，这给计算带来困难。●当量高度：把壁厚大于δmin的各筒节厚度折算成直径相同、稳定性相同但壁厚为油罐罐壁最小厚度δmin的筒节。经折算后的筒节高度称为当量高度。◆地震中油罐的破坏类型:①金属罐壁失稳；②罐壁与罐底间角焊缝开裂；③顶盖与罐壁上部失稳；④管道接头破坏◆水平地震荷载分为冲击荷载与晃动荷载◆在倾覆力矩M的作用下，罐壁一侧受拉一侧受压，受压侧受力的大小主要取决于受拉侧是否会被抬起。阻止罐底抬起的力来自两方面：①罐壳本身的重量②罐中一部分储液也起到阻止作用◆油罐抗震加固的措施：①增加罐底边缘板厚度δb②增大底层壁板厚度δ③改变油罐的径高比，一般来说容积不变的情况下，D增大H减小可使M减小④加设锚固螺栓。⑤在组合应力最大的部位加上预应力钢筋及垫板防止出现“象足”。◆卧式油罐优点①承受较高正负压，利于降低油品蒸发损耗②可在工厂制造，现场安装，搬运拆迁方便。缺点①单罐的单位容积的耗钢量较立式油罐大②占地面积大。◆卧式油罐应用于各类油库，野战油库中。其结构包括筒体和封头（头盖），封头有平板形，碟形，锥形，半球形，椭球形等。▲海底管道的区段划分①深水区段②过渡区段③浅水区