工業(yè)管道應(yīng)力分析

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1、工業(yè)管道應(yīng)力分析一．為什么要進行管道應(yīng)力分析1.什么是應(yīng)力？通常講：物體內(nèi)某一點的應(yīng)力是指物體內(nèi)該點單位面積上的內(nèi)力。按應(yīng)力對管道的破壞作用，可分為：一次應(yīng)力（primarystress），二次應(yīng)力（secondstress），峰值應(yīng)力（peakstress）。一次應(yīng)力指由于外加荷載，如：壓力或重力等的作用產(chǎn)生的應(yīng)力。其特征為：一次應(yīng)力滿足和外加荷載的平衡關(guān)系，隨外加荷載的增加而增加，且無自限性，當(dāng)其值超過材料的屈服極限時，管道將產(chǎn)生塑性變形而破壞。因此在管子的應(yīng)力分析中，首先應(yīng)使用一次應(yīng)力滿足許用應(yīng)力值。二次應(yīng)力：由于變形受到約束所產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它本身不直接與外力

2、相平衡。二次應(yīng)力的特征：（1）管道內(nèi)二次應(yīng)力通常由位移荷載引起的（如熱脹冷縮、附加位移、安裝誤差、振動荷載等）。（2）二次應(yīng)力是自限性的，當(dāng)局部屈服和產(chǎn)生少量塑性變形時，通過變形協(xié)調(diào)就能使應(yīng)力降低下來。（3）二次應(yīng)力是周期性的。（4）二次應(yīng)力的許用極限取決于交變的應(yīng)力范圍和交變的循環(huán)次數(shù)。峰值應(yīng)力是由于荷載，結(jié)構(gòu)形狀的局部突變而引起的局部應(yīng)力集中地最高應(yīng)力值。工程上一般采用應(yīng)力集中系數(shù)進行簡化求解。2.管道應(yīng)力分析的目的保證裝置運行的安全性管道布置不合理，將會使整個裝置運行存在安全隱患，例如：由于管道熱應(yīng)力而導(dǎo)致管架被推壞，設(shè)備管口被撕裂或被頂壞，彎頭，三通外裂縫，以及法蘭

3、泄露的現(xiàn)象，如果管子固有頻率與震源的頻率相同，則整個裝置系統(tǒng)會發(fā)生共振。如壓縮機的震動，大型水泵的震動等。問大家一個問題，管子的固有頻率是高好？還是低好？管系發(fā)生共振的條件是壓縮機或往復(fù)泵的激振頻率與管系的固有頻率相同或接近。29β-放大因子，ω0----固有頻率（角頻），ω1----激振頻率（角頻）。通常的ω0應(yīng)避開0.8ω1~1.2ω1的區(qū)域，設(shè)計時最好控制ω0在1.5ω1以上。壓縮機的激振頻率：ω=n/60×缸數(shù)×單（雙）作用（1/s），式中n---壓縮機轉(zhuǎn)數(shù)，r/min。往復(fù)泵作用于管道的激振力主頻ff=nNP/60n---氣缸作用方式，N---泵轉(zhuǎn)數(shù)r/min，P

4、---柱塞數(shù)泵選定后其轉(zhuǎn)速，作用方式，柱塞數(shù)隨之后確定。舉例：一臺水泵選用單缸單作用柱塞泵，泵轉(zhuǎn)速180r/min，求泵的激振力主頻率f解：f=nNP/60n=1，P=1，N=180f=1×180×1/60=3HZ.管系的固有頻率管系的固有頻率與系統(tǒng)的剛度有直接關(guān)系，剛度越大，固有頻率越高。影響管系剛度的因素，主要有管道走向，管徑、壁厚和管道支撐狀況。減少彎頭個數(shù)，增大管徑和壁厚，增設(shè)支架都將使管子剛度增大。在保證管系具有足夠剛度的同時，還必須保證管系滿足有關(guān)熱應(yīng)力的限制，在管道溫度較高時應(yīng)特別加以注意：對于復(fù)雜管系，固有頻率分析一般應(yīng)使用計算機程序來完成。對于簡單的管子，

5、對固有頻率的計算必須細分單元，一般情況下，單元長度不應(yīng)大于管道的公稱直徑的10倍，簡支管子的固有振動頻率可按下列公式近似求出。Fn=使用時應(yīng)注意單位：E-彈性模數(shù)，kg/cm2；W-管子的總重量（包括保溫，液重），kg；I-截面的慣性矩，cm4I=(-)cm4l-管架間距，cm29值基本振型二次振型舉例：一臺水泵，泵的激振主頻率f=3HZ，與它相連的管系如圖所示，管道內(nèi)徑100，外徑108，設(shè)備口管內(nèi)介質(zhì)為水（常溫），管子不保溫，管子為20鋼。求該管子是否發(fā)生共振？29解：求管系的固有頻率，可分為1、2、3三段。E=203KN/mm2=Kg/cm2I=(-)cm4=(-)c

6、m4=177cm2W=18.13Kg/cm2×2=36.26KgW=18.13Kg/cm2×3=54.39KgW=18.13Kg/cm2×2=36.26Kgf=1=7.7×=86.5HZf=2=49.4×=24.7HZf=f=86.5HZ每一段的固有頻率均遠大于水泵的主頻3HZ，故不會發(fā)生共振。增加管子自身剛度的幾種方法：(1)增加管道的直徑；(2)增加管道壁厚；(3)在不增加管道直徑和壁厚的前提上增加軸向肋（4）管道起拱，此類形式主要用于長輸管道和市政管道，工業(yè)管道很少采用。29二、管道的靜應(yīng)力分析構(gòu)成管子的三大主要要素：設(shè)備、管道和支架、我們分別討論一下，這三個主要要素

7、是如何影響管道應(yīng)力的。1.設(shè)備我們設(shè)計中常用到的設(shè)備有哪些？(1)管道的端點熱位移由于管道的兩端多與設(shè)備連接，而設(shè)備因熱膨脹或基礎(chǔ)下沉產(chǎn)生位移，這時管道的補償是應(yīng)包括熱膨脹量和端點位移。設(shè)備可以看做是較粗的管子，其熱膨脹量的計算方法和管道相同。x=L-設(shè)備或管道的計算長度，mt-操作溫度℃t0-安裝溫度，一般取20℃，也可根據(jù)安裝條件進行修正-線膨脹系數(shù)1m長設(shè)備或管道每升高1℃的平均線膨脹量，mm/m.℃常用線膨脹系數(shù)估算碳鋼200℃以下，可取0.012；200℃以上，可取0.013；奧氏體不銹鋼250℃以下可取