壓力管道應(yīng)力分析.ppt

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1、第二章壓力管道強(qiáng)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(yùn)行意義重大一套完整的工藝裝置，只有通過(guò)管道按照流程需要將工藝過(guò)程所必須的各種機(jī)械裝備加以連接才能進(jìn)行正常的生產(chǎn)。另外，工藝裝置能否長(zhǎng)期安全生產(chǎn)和具有足夠的使用壽命也與管道設(shè)計(jì)的好壞密切相關(guān)。因此，管道設(shè)計(jì)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(xiǎn)性較大的介質(zhì)。因此，壓力管道一旦發(fā)生安全事故，都會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員的傷亡，這

2、些在國(guó)內(nèi)外都一有了大量的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。保障壓力管道的安全運(yùn)行，首先要通過(guò)合理的設(shè)計(jì)保障管道的強(qiáng)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(shí)，介質(zhì)的壓力在遠(yuǎn)端軸向還會(huì)在管子中產(chǎn)生軸向拉（壓）應(yīng)力而引起某些附加載荷。對(duì)于厚壁管，還會(huì)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(lèi)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(dòng)所引起的各種動(dòng)載荷3、不同性質(zhì)的載荷對(duì)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(huì)不斷加大，直至破壞，這種狀態(tài)稱(chēng)為應(yīng)力沒(méi)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(huì)加大，但當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，如材料屈服，由溫差產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)逐漸降下來(lái)，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(duì)管道安全

4、的影響不同，因此，要根據(jù)不同類(lèi)型的載荷采用不同的強(qiáng)度條件，才能在保障安全的前提下，盡可能的提高管道運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于壓力管道，介質(zhì)的內(nèi)壓是最主要的載荷，也是管道強(qiáng)度計(jì)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(jì)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(jì)的核心問(wèn)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(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問(wèn)題，保證壓力管道的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，對(duì)壓力管道進(jìn)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(jì)的重要理論基礎(chǔ)。二、壓力管道應(yīng)力分析1、載荷的分類(lèi)（1）根據(jù)作用時(shí)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(shí)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(wú)振動(dòng)的、使管道不產(chǎn)生顯著運(yùn)動(dòng)的載荷動(dòng)載荷管道振動(dòng)、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(guò)程中所產(chǎn)生的載荷，例如：設(shè)備接管處。在管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(qiáng)度計(jì)算的最主要的依據(jù)。2、應(yīng)力分類(lèi)（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(lái)說(shuō)，應(yīng)力的值隨外載荷增大而增大，而各種材料對(duì)應(yīng)力的承受能力有一個(gè)極限，稱(chēng)為強(qiáng)度極限，當(dāng)應(yīng)力的值達(dá)到

6、或超過(guò)材料的極限時(shí)，材料就可能發(fā)生諸如過(guò)度變形、開(kāi)裂、斷裂、失穩(wěn)等現(xiàn)象，稱(chēng)為失效或破壞。（2）應(yīng)力分類(lèi)壓力管道應(yīng)力分類(lèi)的依據(jù)是應(yīng)力對(duì)管道強(qiáng)度破壞所起作用的大小。這種作用又取決于下列兩個(gè)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(guò)程中產(chǎn)生的外載荷是機(jī)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(xiàn)性的或非線(xiàn)性的。目前，比較通用的應(yīng)力分類(lèi)方法是將壓力管道中的應(yīng)力分為三大類(lèi)：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(jī)械載荷所必須的應(yīng)力。一次應(yīng)力必須滿(mǎn)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(huì)因達(dá)到材料的屈服點(diǎn)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(guò)屈服點(diǎn)時(shí)將引起管道總體范圍內(nèi)的顯著變形或破壞，對(duì)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(diǎn)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(xiàn)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