压力管道应力分析.ppt

第二章压力管道强度及应力分析一、压力管道应力分析的目的和意义我们所讨论的压力管道是指《压力管道安全管理与监察规定》限定范围内的管道管道中通常都是高温（或超低温）、高压、易燃、易爆、有毒等危险性较大的介质。因此压力管道一旦发生安全事故都会造成严重的经济损失和人员的伤亡这些在国内外都一有了大量的经验和教训。保障压力管道的安全运行首先要通过合理的设计保障管道的强度。2、管道所承受的载荷复杂作用于管道的载荷有：（1）管内介质产生的压力介质产生的压力主要在管子中产生环向的使管子直径增大或缩小的变形这也是管子本身发生破裂的主要影响因素。同时介质的压力在远端轴向还会在管子中产生轴向拉（压）应力而引起某些附加载荷。对于厚壁管还会产生沿半径方向的载荷。（2）管子重量（自身、介质、保温层）高压、大直径钢管的重量（自身、介质、保温层）不容忽视。管子重量在水平布置的接管中产生类似于梁的变形而在竖直布置的接管中产生压应力困难造成失稳破坏。（3）零部件的重量（4）支吊架产生的支反力（5）风力、地震产生的载荷（6）管道温度变化所产生的温差应力（7）管道安装所产生的约束力（8）设备的变形或位移在管道上产生的附加载荷（9）此外还有介质在管内的流动所引起的各种动载荷3、不同性质的载荷对管道安全的影响有很大差别例如：（1）随着管内介质压力的增加管壁的应力水平会不断加大直至破坏这种状态称为应力没有自限性。（2）随着管内温度增加由于有约束存在管壁的应力水平也会加大但当达到一定程度时如材料屈服由温差产生的应力会逐渐降下来这种性质成为应力具有自限性。不同性质的载荷在管道中所产生的应力对管道安全的影响不同因此要根据不同类型的载荷采用不同的强度条件才能在保障安全的前提下尽可能的提高管道运行的经济性。对于压力管道介质的内压是最主要的载荷也是管道强度计算的主要依据。4、压力管道应力分析的目的压力管道的设计应能够适应介质的压力、温度和介质的操作条件设计的核心问题是研究压力管道在外载荷作用下有效地抵抗变形和破坏的能力即处理强度、刚度和稳定性问题保证压力管道的安全性和经济性。因此对压力管道进行较为充分的载荷和应力、应力与变形分析构成了压力管道设计的重要理论基础。二、压力管道应力分析（2）根据作用性质分：静载荷缓慢、毫无振动的、使管道不产生显著运动的载荷动载荷管道振动、压力冲击、风地震载荷等（3）载荷的自限性自限性载荷是指由于结构变形协调过程中所产生的载荷例如：设备接管处。在管道的强度设计中主要考虑的载荷有介质内压、自重、支反力及附加位移等介质内压是强度计算的最主要的依据。2、应力分类（1）应力的概念及管道的破坏应力的基本定义是指构件单位面积上所承受的内力一般来说应力的值随外载荷增大而增大而各种材料对应力的承受能力有一个极限称为强度极限当应力的值达到或超过材料的极限时材料就可能发生诸如过度变形、开裂、断裂、失稳等现象称为失效或破坏。（2）应力分类压力管道应力分类的依据是应力对管道强度破坏所起作用的大小。这种作用又取决于下列两个因素：A、应力产生的原因即应力是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的外载荷是机械载荷还是热载荷；B、应力的作用区域和分布形式即应力的作用是总体范围还是局部范围的沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性的。目前比较通用的应力分类方法是将压力管道中的应力分为三大类：一次应力、二次应力和峰值应力。1）一次应力（P）一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力。一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系它随外载荷的增加而增加不会因达到材料的屈服点而自行限制所以一次应力的基本特征是“非自限性”。如：管道介质压力、支反力、集中载荷等。另外当一次应力超过屈服点时将引起管道总体范围内的显著变形或破坏对管道的失效及破坏影响最大。一次应力还可分为以下三种:a．一次总体薄膜应力Pm一次总体薄膜应力是指沿厚度方向均匀分布的应力等于沿厚度方向的应力平均值。一次总体薄膜应力达到材料的屈服点就意味着管道在整体范围内发生屈服应力不重新分布而是直接导致破坏。b．一次弯曲应力Pb一次弯曲应力是指沿厚度线性分布的应力。它在内、外表面上大小相等、方向相反。这种应力在达到屈服极限时只是表面屈服如果继续增加载荷则屈服加深直至最后破坏因此其破坏时的应力大于一次总体薄膜应力。如：风载荷在管壁产生的轴向弯曲应力。c．一次局部薄膜应力（Pl）一次局部薄膜应力是在结构不连续区由内压或其他机械载荷产的薄膜应力和结构不连续效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄膜应力。这种应力只引起局部屈服如管子与设备的焊接处或法兰盘与管子的连接处。2）二次应力(Q)二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的应力。二次应力不是由外载荷