1、壓力管道的強度計算1.承受內(nèi)壓管子的強度分析按照應(yīng)力分類，管道承受壓力載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，屬于一次薄膜應(yīng)力。該應(yīng)力超過某一限度，將使管道整體變形直至破壞。承受內(nèi)壓的管子，管壁上任一點的應(yīng)力狀態(tài)可以用3個互相垂直的主應(yīng)力來表示，它們是：沿管壁圓周切線方向的環(huán)向應(yīng)力由平行于管道軸線方向的軸向應(yīng)力%沿管壁直徑方向的徑向應(yīng)力Or,如圖2.1,設(shè)P為管內(nèi)介質(zhì)壓力，Dn為管子內(nèi)徑，S為管子壁厚。則3個主應(yīng)力的平均應(yīng)力表達式為也一5s%一45(&+S)管壁上的3個主應(yīng)力服從下列關(guān)系式:(re>oz>年根據(jù)最大剪應(yīng)力強度理論，材料的破壞由最大剪應(yīng)力引起，當(dāng)量應(yīng)力為最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差，故

2、強度條件為ce=be-(r&b將管壁的應(yīng)力表達式代入上式，可得理論壁厚公式cPDr3.2<z-P圖2.1承受內(nèi)壓管壁的應(yīng)力狀態(tài)工程上，管子尺寸多由外徑Dw表示，因此又得昂一個理論壁厚公式cPDn3m2ct+P2.管子壁厚計算承受內(nèi)壓管子理論壁厚公式，按管子外徑確定時為(2-0qP隊51二江”按管子內(nèi)徑確定時為式中:Si管子理論壁厚，mm;P管子的設(shè)計壓力，MPa;Dw管子外徑，mm;Dn管子內(nèi)徑，mm;。一一焊縫系數(shù)；-管子材料在設(shè)計溫度下的基本許用應(yīng)力，MPa。管子理論壁厚，僅是按照強度條件確定的承受內(nèi)壓所需的最小管子壁厚。它只考慮了內(nèi)壓這個基本載荷，而沒有考慮管子由于制造工藝

3、等方面造成其強度削弱的因素，因此它只反映管道正常部位強度沒有削弱時的情況。作為工程上使用的管道壁厚計算公式，還需考慮強度削弱因素。因此，工程上采用的管子壁厚計算公式為Sj=Si+C(2-3)式中：Sj管子計算壁厚，mm;C管子壁厚附加值，mm。(1)焊縫系數(shù)(。)焊縫系數(shù)6是考慮了確定基本許用應(yīng)力安全系數(shù)時未能考慮到的因素。焊縫系數(shù)與管子的結(jié)構(gòu)、焊接工藝、焊縫的檢驗方法等有關(guān)。根據(jù)我國管子制造的現(xiàn)實情況，焊縫系數(shù)按下列規(guī)定選取：1對無縫鋼管，。=1.0;對單面焊接的螺旋線鋼管，。=06;對于縱縫焊接鋼管,參照鋼制壓力容器的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取：雙面焊的全焊透對接焊縫：100%無損檢測。=10;局部無損

4、檢測()=0S5。單面焊的對接焊縫，沿焊縫根部全長具有墊板：100%無損檢測。=09;局部無損檢測()=08;(2)壁厚附加量(C)壁厚附加量C,是補償鋼管制造：工藝負偏差、彎管減薄、腐蝕、磨損等的減薄量，以保證管子有足夠的強度。它按下列方法計算：C=C1+C2(2-4)式中：Ci管子壁厚負偏差、彎管減薄量的附加值，mm；C2管子腐蝕、磨損減薄量的附加值，mm。管子壁厚負偏差和彎管減薄量的附加值：在管子制造標(biāo)準(zhǔn)中，允許有一定的壁厚負偏差，為了使管子在有壁厚負偏差時的最小壁厚不小于理論計算壁厚，管子計算壁厚中必須計人管子壁厚負偏差的附加值。“為管子壁厚負在管子標(biāo)準(zhǔn)中，壁厚允許負偏差一般用壁厚的百

5、分?jǐn)?shù)表示，令偏差百分?jǐn)?shù)，則得(2-5)熱軋無縫鋼管。值的規(guī)定值見表2.1。表2.1普通鋼管厚度負偏差a值2鋼管種類壁厚(mm)負偏差a%普通高級碳素鋼和低<201512.5合金鋼>2012.510不銹鋼<10>10-20152012.515如果需要同時計及彎管減薄量的補償，則壁厚附加值可按下列方法考慮：網(wǎng)在彎制管予時，彎管的外側(cè)壁厚將減薄，內(nèi)側(cè)壁厚將加厚。目前一般采用的熱彎工藝，彎管減薄量約為8%10%,但彎管在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布與直管有區(qū)別，在彎管彎曲半徑大于管子外徑4倍，彎管減薄量為8%10%時，內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力比直管約大5%。在此情況下，工程上一般將彎管與直管

6、取相同的理論壁厚，而在壁厚附加值中計人一定的裕量。作為對彎管減薄量的補償。壁厚附加值由下式計算：§土11ICO-d以上為無縫鋼管管子壁厚附加值Ci的計算方法。對于采用鋼板或鋼帶卷制的焊接鋼管，其壁厚負偏差就是鋼板、鋼帶的允許負偏差。這時的Ci值可按下列數(shù)據(jù)采用：壁厚為5.5mm及以下時，C1=0.5mm；壁厚為7mm及以下時，Ci=0.6mm；壁厚為25mm及以下時，。=0.8mm；管子腐蝕和磨損減薄量的附加值當(dāng)介質(zhì)對管子的腐蝕并不嚴(yán)重，即腐蝕速度小于0.05mm/a（年）時，單面腐蝕取C2=11.5mm,雙面腐蝕取C2=22.5mm。當(dāng)管子外面涂防腐油漆時，可認(rèn)為是單面腐蝕，當(dāng)管子

7、內(nèi)外壁均有較嚴(yán)重腐蝕時，則認(rèn)為是雙面腐蝕。當(dāng)介質(zhì)對管子材料腐蝕速率大于0.05mm/a時，則應(yīng)根據(jù)腐蝕速度和使用年限決定C2值。3 .彎管壁厚計算彎管在承受內(nèi)壓時，若彎管各點壁厚相同，且無橢圓效應(yīng)，則彎管內(nèi)側(cè)應(yīng)力最大,外側(cè)最小，彎管破壞應(yīng)發(fā)生在內(nèi)側(cè)。但采用直管彎制成彎管后，壁厚是有變化的。如圖2,2,外側(cè)壁厚Sa減薄，內(nèi)側(cè)壁厚5e增厚；橫截面產(chǎn)生一定的橢圓度對應(yīng)力的影響，致使應(yīng)力分布也發(fā)生變化，外側(cè)由于壁厚減薄而使應(yīng)力增加，內(nèi)側(cè)則由壁厚增加而使應(yīng)力降低。綜合起來，彎管外側(cè)壁的實際環(huán)向應(yīng)力仍比直管大，內(nèi)側(cè)壁的環(huán)向應(yīng)力則比直管小。且應(yīng)力值與彎管的彎曲半徑及有關(guān)。而彎管的徑向應(yīng)力與直管相同，沒有變化

8、。因此，計算彎制彎管的管子理論壁厚公式為Sjw-+靠)(2-7)|一Or-|-Z?.一|圖2.2彎管Dp平均直徑；Sa外側(cè)壁薄；Se內(nèi)側(cè)壁厚；R一彎曲半徑。式中：Siw彎管理論計算壁厚，mm；R彎管彎曲半徑,mm。將直管理論壁厚Si的表達式（21）代人式（27）,則可得(2-8)ft%目前，工程上一般都采用式（2-8）來計算彎制彎管的理論壁厚。彎制彎管時，彎管處橫截面變得不圓，它對應(yīng)力有影響，可用最大外徑與最小外徑之差Tu表不。式中：L彎管最大外徑與最小外徑之差（%）；DmaxDmin彎管橫截面最大外徑,彎管橫截面最小外徑,mm。f點和a點處對最大外徑與最小外徑之差都有一定的規(guī)定。我國的GB5

9、0235-97工業(yè)金屬管道在內(nèi)壓作用下，不圓的橫截面將趨于圓形，短軸伸長，長軸縮短,產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，易形成縱向裂紋（見圖2.3）。上越大，產(chǎn)生的局部應(yīng)力也越大。達到一定值后，將使彎管承載能力降低而導(dǎo)致破壞。因此，在各國的技術(shù)規(guī)范中，工程施工及驗收規(guī)范對彎制彎管規(guī)定為：對輸送劇毒流體的鋼管或設(shè)計壓力P>10MPa的鋼管Tu不超過5%,輸送劇毒流體以外的鋼管或設(shè)計壓力P小于10MPa的鋼管Tu不超過8%。44 .焊制三通壁厚計算在管道工程中，常要用到大小不等的各種三通。如圖2.4。由于三通處曲率半徑發(fā)生突然變化以及方向的改變，導(dǎo)致主支管接管處出現(xiàn)相當(dāng)大的應(yīng)力集中，可比管道正常部位的應(yīng)力高出

10、67倍。但這種應(yīng)力集中現(xiàn)象只發(fā)生在局部區(qū)域，離接管處稍遠就很快衰減。只要將接管處的主管或支管加厚（或主、支管同時加厚），或采用補強的方法，便可降低峰值應(yīng)力，滿足強度要求。三通主管理論壁厚公式為5圖2.3彎管處不圓情況圖2.4三通式中：Siz主管理論計算壁厚，mm；4強度削弱系數(shù)，對于單筋、蝶式等局部補強的三通，。=09。式(210)適用于DwW660mm支管內(nèi)徑與主管內(nèi)徑之比dn/Dn>0.8,主管外徑與內(nèi)徑之比Dn的取值范圍在1.05<15的焊制三通。焊制三通所用管子為無縫鋼管慮焊縫系數(shù))。(否則應(yīng)考(2一11)式中：Sid支管理論壁厚，mm;dw支管外徑，mm。焊制三通長度一般

11、取為3.5Dw,高度一般取為1.7Dw。5.異徑管壁厚計算對圖2.5所示大小頭，可采用下式計算(日本宇部公司所采用的計算方法厚：冏cPDn.2cos0(erJ*(p-0.006F)理論壁-12)式中：Sit異徑管理論最小壁厚，mm;Dn最小壁厚處內(nèi)徑，mm;-圓錐頂角的1/2。采用圖2.5所示結(jié)構(gòu)時，。不得大于30°,設(shè)8=a則&與P/(的值不得超過表2.2所列數(shù)值，中間值可用插值法求取。門相對應(yīng)表2.2P/b小0.20.5121012.5三通支管的理論壁厚：6912.517.5242730圖2.5異徑管6.焊接彎頭的強度計算焊接彎頭也稱斜接彎頭或蝦米腰彎頭。這里介紹美國國家標(biāo)準(zhǔn)壓力管道規(guī)范ANSIB31.3和我國化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的計算方法。571)多節(jié)斜接彎頭對圖2.6所示多節(jié)斜接彎頭，當(dāng)。角小于或等于22.5。時，其最大容許內(nèi)壓可用以下兩公式計算，并取兩公式計算結(jié)果中較小者：p_,.)rpS+0-643-辛*S,(2-13)rpR-0.SrpRilD圖2.6多節(jié)斜接彎頭式中：Ri彎曲半徑，mm;管子平均半徑，mm;彎