工業(yè)管道應(yīng)力分析.doc

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1、工業(yè)管道應(yīng)力分析一.為什么要進(jìn)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(diǎn)的應(yīng)力是指物體內(nèi)該點(diǎn)單位面積上的內(nèi)力。按應(yīng)力對(duì)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)o一次應(yīng)力指由于外加荷載，女吐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)具值超過材料的屈服極限吋，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

2、應(yīng)力值。二次應(yīng)力：由丁變形受到約束所產(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(dòng)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(shí)，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)力范閑和交變的循環(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(jìn)行簡(jiǎn)化求解。2.管道應(yīng)力分析的冃的保證

3、裝置運(yùn)行的安全性管道布置不合理，將會(huì)使整個(gè)裝置運(yùn)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(gè)裝置系統(tǒng)會(huì)發(fā)生共振。如壓縮機(jī)的震動(dòng)，大型水泵的震動(dòng)等。問大家一個(gè)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(jī)或往復(fù)泵的激振頻率與管系的固有頻率相同或接近。B■放大因子，固有頻率（角頻），激振頻率（角頻）。通常的3（）應(yīng)避開0.83I?1.23I的區(qū)域，設(shè)計(jì)時(shí)最好控制3。在1.53

4、I以上。壓縮機(jī)的激振頻率：3二n/60X缸數(shù)X單（雙）作用（1/s）,式中n圧縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，r/minc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柱塞數(shù)泵選定后其轉(zhuǎn)速，作用方式，柱塞數(shù)隨Z后確定。舉例：一臺(tái)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二nh'P/60n=l,P=l,N=180f=1X18OX1/6O=3HZ?■4RDO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

5、要有管道走向，管徑、壁厚和管道支撐狀況。減少?gòu)濐^個(gè)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(shí)，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(shí)應(yīng)特別加以注意：對(duì)于復(fù)雜管系，同有頻率分析一般應(yīng)使用計(jì)算機(jī)程序來完成。對(duì)于簡(jiǎn)單的管子，對(duì)固有頻率的計(jì)算必須細(xì)分單元，一般情況下，單元長(zhǎng)度不應(yīng)大于管道的公稱直徑的10倍，簡(jiǎn)支管子的固有振動(dòng)頻率可按下列公式近似求出。使用時(shí)應(yīng)注意單位：E-彈性模數(shù)，kg/cm2；卜管子的總重量（包括保溫，液重），kg；I-截面的慣性矩，cm4I

6、話（Z問1-管架間距，cm&值某本振型17.6”一一簡(jiǎn)支梁/、、/、z$A49.4一端簡(jiǎn)支，一端固走77二次振型/3nn2nn舉例：一臺(tái)水泵，泵的激振主頻率f二3HZ,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？泵口設(shè)備口解：求管系的固有頻率，可分為1、2、3三段。E=203KN/mm2=2071428Kg/cm2I=—(^t-^4)cm=—(10.84-104)cm'=177cm2640*64Wj=18.13Kg/

7、cm2X2=36.26KgW2=18.13Kg/cm2X3=54.39KgW=18.13Kg/cm2X2=36.26Kg2071428x17736.26x20()3=86.5HZ二Qi>2071428x177彳54.39x300?=24.7HZf3=f廣86.5HZ每一段的固有頻率均遠(yuǎn)大于水泵的主頻3HZ,故不會(huì)發(fā)生共振。增加管子自身剛度的兒種方法：(1)增加管道的直徑;(2)增加管道壁厚；⑶在不增加管道直徑和壁厚的前提上增加軸向肋總長(zhǎng)的1/2或1/3I一輛反(4)管道起拱，此類形式主要用于長(zhǎng)輸管道

8、和市政管道，工業(yè)管道很少采用。二、管道的靜應(yīng)力分析構(gòu)成管子的三大主要要索：設(shè)備、管道和支架、我們分別討論一下，這三個(gè)主要要索是如何影響管道應(yīng)力的。1.設(shè)備我們?cè)O(shè)計(jì)中常用到的設(shè)備有哪些？(1)管道的端點(diǎn)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，這吋管道的補(bǔ)償是應(yīng)包括熱膨脹量和端點(diǎn)位移。設(shè)備可以看做是較粗的管子，其熱膨脹量的計(jì)算方法和管道相同。Ax=crL(f-r0)L-設(shè)備或管道的計(jì)算長(zhǎng)度，mt-操作溫度°C5-安裝溫度，一般取20°C,也可根