壓力管道應(yīng)力分析.ppt

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1、第二章壓力管道強度及應(yīng)力分析楊玉芬一、壓力管道應(yīng)力分析的目的和意義1、壓力管道的安全運行意義重大一套完整的工藝裝置，只有通過管道按照流程需要將工藝過程所必須的各種機械裝備加以連接才能進行正常的生產(chǎn)。另外，工藝裝置能否長期安全生產(chǎn)和具有足夠的使用壽命也與管道設(shè)計的好壞密切相關(guān)。因此，管道設(shè)計是工業(yè)生產(chǎn)裝置不可缺少的重要組成部分，我們必須給予高度的重視。我們所討論的壓力管道是指《壓力管道安全管理與監(jiān)察規(guī)定》限定范圍內(nèi)的管道，管道中通常都是高溫（或超低溫）、高壓、易燃、易爆、有毒等危險性較大的介質(zhì)。因此，壓力管道一旦發(fā)生安全事故，都會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和人員的傷亡，這

2、些在國內(nèi)外都一有了大量的經(jīng)驗和教訓(xùn)。保障壓力管道的安全運行，首先要通過合理的設(shè)計保障管道的強度。2、管道所承受的載荷復(fù)雜作用于管道的載荷有：（1）管內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的壓力介質(zhì)產(chǎn)生的壓力主要在管子中產(chǎn)生環(huán)向的使管子直徑增大或縮小的變形，這也是管子本身發(fā)生破裂的主要影響因素。同時，介質(zhì)的壓力在遠(yuǎn)端軸向還會在管子中產(chǎn)生軸向拉（壓）應(yīng)力而引起某些附加載荷。對于厚壁管，還會產(chǎn)生沿半徑方向的載荷。（2）管子重量（自身、介質(zhì)、保溫層）高壓、大直徑鋼管的重量（自身、介質(zhì)、保溫層）不容忽視。管子重量在水平布置的接管中產(chǎn)生類似于梁的變形，而在豎直布置的接管中產(chǎn)生壓應(yīng)力，困難造成失穩(wěn)破壞。

3、（3）零部件的重量（4）支吊架產(chǎn)生的支反力（5）風(fēng)力、地震產(chǎn)生的載荷（6）管道溫度變化所產(chǎn)生的溫差應(yīng)力（7）管道安裝所產(chǎn)生的約束力（8）設(shè)備的變形或位移在管道上產(chǎn)生的附加載荷（9）此外，還有介質(zhì)在管內(nèi)的流動所引起的各種動載荷3、不同性質(zhì)的載荷對管道安全的影響有很大差別例如：（1）隨著管內(nèi)介質(zhì)壓力的增加，管壁的應(yīng)力水平會不斷加大，直至破壞，這種狀態(tài)稱為應(yīng)力沒有自限性。（2）隨著管內(nèi)溫度增加，由于有約束存在，管壁的應(yīng)力水平也會加大，但當(dāng)達(dá)到一定程度時，如材料屈服，由溫差產(chǎn)生的應(yīng)力會逐漸降下來，這種性質(zhì)成為應(yīng)力具有自限性。不同性質(zhì)的載荷，在管道中所產(chǎn)生的應(yīng)力對管道安全

4、的影響不同，因此，要根據(jù)不同類型的載荷采用不同的強度條件，才能在保障安全的前提下，盡可能的提高管道運行的經(jīng)濟性。對于壓力管道，介質(zhì)的內(nèi)壓是最主要的載荷，也是管道強度計算的主要依據(jù)。4、壓力管道應(yīng)力分析的目的壓力管道的設(shè)計應(yīng)能夠適應(yīng)介質(zhì)的壓力、溫度和介質(zhì)的操作條件，設(shè)計的核心問題是研究壓力管道在外載荷作用下，有效地抵抗變形和破壞的能力，即處理強度、剛度和穩(wěn)定性問題，保證壓力管道的安全性和經(jīng)濟性。因此，對壓力管道進行較為充分的載荷和應(yīng)力、應(yīng)力與變形分析，構(gòu)成了壓力管道設(shè)計的重要理論基礎(chǔ)。二、壓力管道應(yīng)力分析1、載荷的分類（1）根據(jù)作用時間分：持續(xù)載荷介質(zhì)壓力、重量、

5、支反力、熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力等瞬間載荷臨時作用于管道的載荷，風(fēng)載荷、地震載荷等（2）根據(jù)作用性質(zhì)分：靜載荷緩慢、毫無振動的、使管道不產(chǎn)生顯著運動的載荷動載荷管道振動、壓力沖擊、風(fēng)，地震載荷等（3）載荷的自限性自限性載荷是指由于結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)過程中所產(chǎn)生的載荷，例如：設(shè)備接管處。在管道的強度設(shè)計中，主要考慮的載荷有介質(zhì)內(nèi)壓、自重、支反力，及附加位移等，介質(zhì)內(nèi)壓是強度計算的最主要的依據(jù)。2、應(yīng)力分類（1）應(yīng)力的概念及管道的破壞應(yīng)力的基本定義是指構(gòu)件單位面積上所承受的內(nèi)力一般來說，應(yīng)力的值隨外載荷增大而增大，而各種材料對應(yīng)力的承受能力有一個極限，稱為強度極限，當(dāng)應(yīng)力的值達(dá)到

6、或超過材料的極限時，材料就可能發(fā)生諸如過度變形、開裂、斷裂、失穩(wěn)等現(xiàn)象，稱為失效或破壞。（2）應(yīng)力分類壓力管道應(yīng)力分類的依據(jù)是應(yīng)力對管道強度破壞所起作用的大小。這種作用又取決于下列兩個因素：A、應(yīng)力產(chǎn)生的原因即應(yīng)力是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的外載荷是機械載荷還是熱載荷；B、應(yīng)力的作用區(qū)域和分布形式即應(yīng)力的作用是總體范圍還是局部范圍的沿厚度的分布是均勻的還是線性的或非線性的。目前，比較通用的應(yīng)力分類方法是將壓力管道中的應(yīng)力分為三大類：一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。1）一次應(yīng)力（P）一次應(yīng)力是指平衡外加機械載荷所必須的應(yīng)力。一次應(yīng)力必須滿足外載荷與內(nèi)

7、力及內(nèi)力矩的靜力平衡關(guān)系，它隨外載荷的增加而增加，不會因達(dá)到材料的屈服點而自行限制，所以，一次應(yīng)力的基本特征是“非自限性”。如：管道介質(zhì)壓力、支反力、集中載荷等。另外，當(dāng)一次應(yīng)力超過屈服點時將引起管道總體范圍內(nèi)的顯著變形或破壞，對管道的失效及破壞影響最大。一次應(yīng)力還可分為以下三種:a．一次總體薄膜應(yīng)力Pm一次總體薄膜應(yīng)力是指沿厚度方向均勻分布的應(yīng)力，等于沿厚度方向的應(yīng)力平均值。一次總體薄膜應(yīng)力達(dá)到材料的屈服點就意味著管道在整體范圍內(nèi)發(fā)生屈服，應(yīng)力不重新分布，而是直接導(dǎo)致破壞。b．一次彎曲應(yīng)力Pb一次彎曲應(yīng)力是指沿厚度線性分布的應(yīng)力。它在內(nèi)、外表面上大小相等、方向

8、相反。這種應(yīng)力在達(dá)到屈服