管道应力理论（应用）

本文仅对管道应力涉及的理论知识偏向于应用进行简单介绍。管道应力对管道应力校核是为了防止管壁内应力过大对管道造成破坏不同的荷载引起不同类型的应力在实际工程应用中一般分为三种一次应力、二次应力、偶然应力主要对管道轴向应力进行校核。1 一次应力1.1 公式一次应力σi为持续应力SUSTAIN STRESS为平衡内压、重力、其他外力荷载持续性荷载的作用产生的应力(ASME B31.3-2010前释义经验公式)[σ]L(PD/4t)(iM/Z)F/A≤[σ]h[σ]L ——longitudinal轴纵向应力MPaF ——其他外力轴向力如摩擦力、内压盲板力NA ——管道截面积mm²P ——设计压力MPat ——管道壁厚mmi ——弯头、三通、大小头应力增大系数M ——管道自重产生的合成弯矩N·mm管道可视为简支梁与固支梁之间的情况模型最大弯矩MwL²/10其中w为均布型载荷L为简支梁长度10为经验数据Z ——抗弯截面模量mm³Zπ(D^4-d^4)/64,D为外径d为内径。公式中内压荷载应力可以更精确Pd²/(D²-d²)D ——管道外径mmd ——管道内径mm[σ]h——热态许用应力MPa。1.2 特点1.2.1 没有自限性当管道内的塑性区扩展达到极限状态使之变成几何可变的机构时即使外力荷载不再增加管道仍将产生不可限制的塑性变化直至破坏材料力学——拉伸试验。1.2.2塑性变形不可恢复性在断裂极限和屈服极限之间的管道当外力荷载将为0时管道应变不会恢复到0点会留下残留变形下图中Od段即是应变残留。1.2.3 管道跨距由以下公式可知压力P、外径D、q均布载荷、W抗弯模量F其他外力、A横截面积都是固定值影响一次应力主要是管道壁厚t和管道长度L又因为管道壁厚通常情况下由材料专业已经明确所以一次应力的调整主要取决于管道跨距2 二次应力2.1 公式二次应力σii为热胀应力EXPANSION STRESS因热胀、冷缩、端点位移等位移被限制而产生的应力因管道膨胀的情况多计算复杂这里为解释原理只简单介绍L型管道模型Sei3EDΔ/L²≤σiiFE A a ΔTSe ——热应力MPai ——弯头、三通、大小头应力增大系数E ——管材的弹性模量MPaD ——管道外径mmΔ ——管道的热膨胀量mm;L ——管道臂长与膨胀方向垂直管道图中F方向mmσii——许用应力取值见2.3条MPaF ——推力NA ——管道截面积mm²a ——管材线胀系数1/℃ΔT ——温差℃。由上述公式可知管道臂长可以调节二次应力。2.2 特点2.2.1 有自限性当局部屈服和产生少量塑性变形时管道通过变形协调就能使应力降低下来即AB段。2.2.2安定性图中当一次应力和二次应力之和载荷在一定范围内弹性应力范围小于2倍屈服极限σs反复变化时结构内不发生连续的塑性变形循环。即图中O→A→B→D→B→D......该结构便达到安定。但是虽然达到安定循环次数过多也会造成破坏即高周疲劳破坏。当载荷超过2倍屈服极限时即右图中O→A→B’→D→E→B→B’......该结构每次在膨胀到收缩的循环中都会发生一次正向BB和一次反向DE的塑性变形最终导致管道金属疲劳、破坏。这种情况称为非安定状态也就是低周疲劳。所以 对于压力管道往复式压缩机管道除外二次应力来说主要是为了避免出现上述这种反复的循环塑性变形防止低疲劳破坏低周疲劳破坏应力水平较高时材料在应力循环次数低于1万次就发生破坏。2.3 许用应力σii考虑到膨胀/收缩循环过程中管道可能处于冷态[σ]c和热态[σ]h两种状态为兼顾冷、热态且留出安全裕量“1.25”最后加上“一次应力σi≤[σ]h”的条件二次应力σii的许用应力取σii≤ ×{1.25×[σ]c0.25×[σ]h)}为应力范围减小系数如果热胀/冷缩载荷循环次数≤7千次该值取1超过7千次该值便逐级变小以减小许用应力。该值是防止发生高周疲劳破坏应力水平较低时材料无明显塑性变形材料在应力循环次数高于1万次发生破坏常见于转动机器和往复式压缩机管道。3 偶然应力偶然应力OCCASIONAL STRESS在实际项目中常见的偶然载荷有风载荷、雪载荷、地震载荷、运输载荷。3.1 公式因为偶然载荷会使管道产生弯曲所以σoccM/Z≤k[σ]h-σiM ——偶然载荷产生的合成弯矩N·mmZ ——抗弯截面模量mm³Zπ(D^4-d^4)/64,D为外径d为内径k ——偶然载荷常数不同行业管道取值不同工艺管道取1.33动力管道取1.2[σ]h——热态许用应力MPaσi——一次应力MPa。