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01管道应力分析基本理论(更新2014规范)-孙学军

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管道应力分析和计算汇总

管道应力分析和计算汇总

管道应力分析和计算
目次
1 概述
1.1 管道应力计算的主要工作
1.2 管道应力计算常用的规范、标准1.3 管道应力分析方法
1.4 管道荷载
1.5 变形与应力
1.6 强度指标与塑性指标
1.7 强度理论
1.8 蠕变与应力松弛
1.9 应力分类
1.10 应力分析
2 管道的柔性分析与计算
2.1 管道的柔性
2.2 管道的热膨胀补偿
2.3 管道柔性分析与计算的主要工作2.4 管道柔性分析与计算的基本假定2.5 补偿值的计算
2.6 冷紧
2.7 柔性系数与应力增加系数
2.8 作用力和力矩计算的基本方法2.9 管道对设备的推力和力矩的计算
3 管道的应力验算
3.1 管道的设计参数
3.2 钢材的许用应力
3.3 管道在内压下的应力验算
3.4 管道在持续荷载下的应力验算
3.5 管道在有偶然荷载作用时的应力验算3.6 管系热胀应力范围的验算
3.7 力矩和截面抗弯矩的计算
3.8 应力增加系数
3.9 应力分析和计算软件。

01管道应力分析基本理论-孙学军

01管道应力分析基本理论-孙学军
1 [(s 1 s 2 )2 (s 2 s 3 )2 (s 3 s 1 )2 ] s s 2
强度准则：
1 [(s 1 s 2 )2 (s 2 s 3 )2 (s 3 s 1 )2 ] [s ] 2
适用于塑性材料。考虑较全面，更加精确。
基本概念 压力管道应力分类的必要性：
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确定方法: 疲劳试验方法:
按照不同应力幅对直管进行一系列疲劳试验，根据 试验结果，拟合得到直管疲劳曲线表达式: S P N b C 按照不同应力幅对管件进行一系列疲劳试验，根据 试验结果，拟合得到管件疲劳曲线表达式: S F N b C1 应力增大系数: i S P / S F C / C1 30 由以上两式得: i C / S F N b
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ASME B31.1-2012
一次应力：
没有包含持续轴向外载产生的轴向应力Fax/A； 在计算持续外载弯扭合成力矩产生的持续应力时考 虑0.75i（且不小于1）的应力增大系数；
36
18
解释： 管道在内压作用下，管壁将产生内压环向应力SHP、 内压轴向应力SLP和内压径向应力SR。由于内压径向 应力较小，通常忽略不计。 在持续外载作用下，将产生持续外载轴向应力SAX、 弯曲应力和扭转应力。由于外载产生的扭转应力较 小，可以认为外载弯曲应力和扭转应力组合的当量 应力方向基本沿管道轴向。 因此，管道在内压和持续外载作用下，管壁上的三 个主应力仍为环向应力、轴向应力（包括内压轴向 应力SLP 、持续外载轴向应力SAX 、当量应力SC）和 径向应力。
32
16
这是因为依据规范进行柔性分析计算的弯曲载荷引 起的应力范围约是峰值应力范围的一半。对于典型 的对焊管的焊接接头，其应力集中系数为2。由于应 力是与对焊管的疲劳曲线相比较，计算得到的是实 际峰值应力范围的一半。因此，理论应力，例如弯 头中由弯曲载荷产生的应力，是按规范进行管道柔 性分析计算的应力的2倍。

管道应力分析

管道应力分析

1. 进行应力分析的目的是1) 使管道应力在规范的许用范围内；2) 使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准；3) 计算出作用在管道支吊架上的荷载；4) 解决管道动力学问题；5) 帮助配管优化设计。

2. 管道应力分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？答：管道应力分析分为静力分析和动力分析。

1) 静力分析包括：(l)压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算――防止塑性变形破坏；(2)管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算――防止疲劳破坏；(3)管道对设备作用力的计算――防止作用力太大，保证设备正常运行；(4)管道支吊架的受力计算――为支吊架设计提供依据；(5)管道上法兰的受力计算――防止法兰泄漏；(6)管系位移计算――防止管道碰撞和支吊点位移过大。

2) 动力分析包括：(l)管道自振频率分析――防止管道系统共振；(2)管道强迫振动响应分析――控制管道振动及应力；(3)往复压缩机气柱频率分析――防止气柱共振；(4)往复压缩机压力脉动分析――控制压力脉动值。

3. 管道应力分析的方法管道应力分析的方法有：目测法、图表法、公式法、和计算机分析方法。

选用什么分析方法，应根据管道输送的介质、管道操作温度、操作压力、公称直径和所连接的设备类型等设计条件确定。

4. 对管系进行分析计算1) 建立计算模型（编节点号），进行计算机应力分析时，管道轴测图上需要提供给计算机软件数据的部位和需要计算机软件输出数据的部位称作节点：(1) 管道端点(2) 管道约束点、支撑点、给定位移点(3) 管道方向改变点、分支点(4) 管径、壁厚改变点(5) 存在条件变化点（温度、压力变化处）(6) 定义边界条件（约束和附加位移）(7) 管道材料改变处（包括刚度改变处，如刚性元件）(8) 定义节点的荷载条件（保温材料重量、附加力、风载、雪载等）(9) 需了解分析结果处(如跨距较长的跨中心点)(10) 动力分析需增设点2) 初步计算（输入数据符合要求即可进行计算）(1) 利用计算机推荐工况（用CASWARII计算，集中荷载、均布荷载特别加入）(2) 弹簧可由程序自动选取(3) 计算结果分析(4) 查看一次应力、二次应力的核算结果(5) 查看冷态、热态位移(6) 查看机器设备受力(7) 查看支吊架受力（垂直荷载、水平荷载）(8) 查看弹簧表3) 反复修改直至计算结果满足标准规范要求（计算结果不满足要求可能存在的问题）(1) 一次应力超标，缺少支架(2) 二次应力超标，管道柔性不够或三通需加强(3) 冷态位移过大，缺少支架(4) 热态水平位移过大，缺少固定点或∏型(5) 机器设备受力过大，管道柔性不够(6) 固定、限位支架水平受力过大，固定、限位支架位置不当或管道柔性不够(7) 支吊点垂直力过大，可考虑采用弹簧支吊架(8) 弹簧荷载、位移范围选择不当，人为进行调整5. 编制计算书，向相关专业提交分析计算结果1) 计算书内容(1) 一次应力校核内容(2) 二次应力校核内容(3) 约束点包括固定点、支吊点、限位导向点和位移点冷态、热态受力(4) 各节点的冷态、热态位移(5) 弹簧支吊架和膨胀节的型号等有关信息(6) 离心泵、压缩机和汽轮机的受力校核结果(7) 经分析最终确定的管道三维立体图，包括支吊架位置、形式、膨胀节位置等信息2) 向相关专业提交分析计算结果(1) 向配管专业提交管道应力分析计算书，计算书不提供给甲方(2) 向设备专业提交设备需确认的设备受力(3) 如果支撑点、限位点、导向点的荷载较大，应向结构专业提交荷载数据(4) 将往复压缩机管道布置及支架设置提交压缩机制造厂确认6. 何谓一次应力，何谓二次应力？分别有哪些荷载产生？这两种应力各有何特点？答：一次应力是指由于外加荷载，如压力或重力等的作用产生的应力。

管道应力分析孙学军

管道应力分析孙学军

50000 4000
与60年代相比 增加10倍
1960年与现在相比，一个化工厂和核电厂管道应力分析所需人工时。 数据来源：PIPE STRESS ENGINEERING（L.C. PENG）
为什么？
3
管道应力分析基本理论
主要内容 一.管道应力分析基础知识介绍 二.应力分析标准详解 三.管道跨距计算 四.管道柔性分析 五.管道支吊架设计
34
柔性系数：
表示管道元件在承受力矩时，相对于直管而言其柔 性增加的程度。即:在管道元件中由给定的力矩产生 的每单位长度元件的角变形与相同直径及厚度的直 管受同样力矩产生的角变形的比值。
35
二.应力分析标准详解
ASME B31.1 ASME B31.3 ASME B31.4 ASME B31.8
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因此，合成轴向应力不大于内压环向应力。合成轴 向应力最大时与内压环向应力相等，此时再依据第 三强度理论有： 由于内压作用下直管壁厚计算公式是薄壁模型，基 于第三强度理论：
B31.1没有包含持续轴向外载产生的轴向应力SAX， 忽略内压径向应力SR，上式变为：
即：
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偶然应力：
许用应力放大系数K： 1.15--每次作用时间不超过8h,每年不超过800h; 1.20--每次作用时间不超过1h,每年不超过80h;
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ASME B31.1-2016
持续应力：
没有包含持续轴向外载产生的轴向应力Fax/A； 在计算持续外载弯扭合成力矩产生的持续应力时考 虑0.75i（且不小于1）的应力增大系数；
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解释： 管道在内压作用下，管壁将产生内压环向应力SHP、 内压轴向应力SLP和内压径向应力SR。由于内压径向 应力较小，通常忽略不计。 在持续外载作用下，将产生持续外载轴向应力SAX、 弯曲应力和扭转应力。由于外载产生的扭转应力较 小，可以认为外载弯曲应力和扭转应力组合的当量 应力方向基本沿管道轴向。 因此，管道在内压和持续外载作用下，管壁上的三 个主应力仍为环向应力、轴向应力（包括内压轴向 应力SLP 、持续外载轴向应力SAX 、当量应力SC）和 径向应力。

管道应力分析及计算ppt课件

管道应力分析及计算ppt课件

⑻ 夹套管(蒸汽、热油、热水)计算(端部强 度计算、内部导向翼板位置确定、同时 包括任何应力分析管道的所有内容)； ⑼ 往复式压缩机、往复泵动力分析(四级)； ⑽ 安全阀、爆破膜泄放反力计算； ⑾ 结构、建筑荷载条件； ⑿ 设备管口荷载、预焊件条件； ⒀ 编制弹簧架采购MR文件及弹簧架技术数据 表； ⒁ 编制柔性件(膨胀节、软管等)采购MR文件 及技术数据表；
C、动力分析要点
a)
机器动平衡差 — 基础设计不当 气流脉动 — 气柱共振
振源
阻力、流速、流向变化 — 异径管、弯头、 阀门、孔板等附近产生激振力 共振 — 激振力频率等于或接近管线固有频 率
b) 机器动平衡差——修改基础设计
c)减少脉动和气柱共振的方法：
1)加大缓冲罐 — 依据API618计算缓冲罐的体积，一 般为气缸容积的10倍以上，使缓冲罐尽量靠近进出 口，但不能放在共振管长位置。 2)两台或三台压缩机的汇集总管截面积至少为进口管 截面积的三倍，且应使柱塞流的冲击力不增加。 3)孔板消振 — 在缓冲罐的出口加一块孔板。 孔径大小： d 4 V 气体流速 U ,U D V 介质内的声速
(LU )
2
208 .3
(4)应力分析
静力分析(含疲劳分析、风载荷及地 震载荷分析)
动力分析
A、静力分析包含的内容
a) 一次应力计算及评定 — 防止管道塑性变形破坏.
b) 二次应力计算及评定 — 防止疲劳破坏。
c) 设备管口受力计算(及评定) — 防止作用力太大， 保证设备正常运行。
d) 支承点受力计算 — 为支吊架设计提供依据。
Process Piping Liquid Transmission and Distribution piping systems Gas Transmission and Distribution piping systems

石油化工设计中管道的应力分析

石油化工设计中管道的应力分析

石油化工设计中管道的应力分析在石油化工领域，管道系统是不可或缺的设备之一，其承载着输送各类液体、气体以及化工原料的任务。

在管道的设计中，应力分析是一个至关重要的步骤，其目的是确保管道在运行过程中能够承受各种外部力的作用而不会出现失效或损坏。

本文将从应力分析的基本原理、应力分析的方法以及应力分析的应用等方面进行探讨。

一、应力分析的基本原理管道在运行过程中会受到各种外部力的作用，其中包括内压力、温度变化引起的热应力、外部载荷等。

这些外部力会导致管道发生应力，而应力分析的目的就是要确定管道在各种外部力作用下的应力状态，以便合理设计管道结构，确保其在安全范围内运行。

在进行应力分析时，通常会考虑管道的弹性变形、应力集中、疲劳寿命等因素，从而对管道的结构和材料进行合理的选择和设计。

二、应力分析的方法在进行管道的应力分析时，通常会采用有限元分析法、解析法、试验法等方法。

有限元分析法是目前应用最为广泛的方法之一，通过将管道划分成有限个小单元，然后利用数值计算方法对每个单元的应力状态进行分析，从而得出整体的应力分布情况。

而解析法则是基于管道的几何形状和材料力学性质，通过数学原理和公式来计算管道的应力状态。

试验法则是通过对管道进行实验来得出其应力状态，这种方法在一些特殊情况下也是不可或缺的。

三、应力分析的应用管道的应力分析在石油化工领域有着广泛的应用，其主要作用包括以下几个方面：1. 确保管道的安全性：通过应力分析可以了解管道在运行过程中的应力状态，从而判断其是否满足安全要求。

如果发现管道受力过大或出现应力集中现象，就需要对其结构和材料进行调整，以确保其在运行过程中不会出现失效或损坏的情况。

2. 优化管道设计：通过应力分析可以发现管道结构的弱点和问题所在，从而对其进行优化设计。

比如调整管道的壁厚、选择合适的材料、改变管道的支撑方式等，都可以通过应力分析得到依据，从而提高管道的使用寿命和安全性。

3. 预防事故的发生：在石油化工生产中，管道事故所造成的损失往往是难以估量的，因此对管道进行应力分析是一种预防措施。

管道应力分析与管道设计技术技术手册

管道应力分析与管道设计技术技术手册管道应力分析与管道设计技术技术手册1.管道应力分析1.1 管道应力的概述①管道应力的定义②管道应力的分类1.2 管道应力分析的方法①静态分析方法②动态分析方法③应力分析软件的使用1.3 管道应力分析的参数①温度应力②压力应力③几何应力1.4 管道应力分析的结果①管道的应力分布②弯曲应力③拉伸应力④压缩应力1.5 管道应力分析的应用①管道设计中的应力分析②管道材料的选择③管道的优化设计2.管道设计技术2.1 管道设计基础①管道设计的基本原则②管道设计的工作流程③管道设计的规范和标准2.2 管道材料的选择与特性①金属材料的选择与特性②非金属材料的选择与特性2.3 管道布置与尺寸设计①管道布局设计②管道尺寸设计③管道支架设计2.4 管道的弯曲与接头设计①管道的弯曲设计②管道的接头设计2.5 管道的耐久性与维护①管道的耐久性分析②管道的防腐与防腐保护③管道的维护与保养附件：附件1：管道应力分析实例数据附件2：管道设计软件使用手册法律名词及注释：1.合同法：规定了合同的成立、内容、履行、变更和解除等基本事项。

2.著作权法：规定了对于创作的作品的著作权保护的范围和方式。

3.知识产权法: 包括了专利法、商标法、版权法等涉及知识产权的法律法规。

4.《建筑法》：对建筑工程的规划、设计、施工、验收等各个环节进行了详细规定。

5.环保法：对于环境保护和环境污染治理等方面进行了详细的法律规定。

管道应力分析和计算..

1.6.3持久强度Dt：在给定温度下，使试样经过一定时间发生蠕变断裂时的应力。在工程上通常采用试样在设计温度下10万小时断裂时的平均值Dt表示，单位为MPa。
1.6.4蠕变极限Dt：在给定温度下和规定的持续时间，使试样产生一定蠕变量的应力值。工程上通常采用钢材在设计温度下，经10万小时，蠕变率为1％时的应力值，单位为MPa。
1.6.1强度极限b：在拉伸应力－应变曲线上的最大应力点，单位为MPa。
1.6.2屈服极限S：材料在拉伸应力超过弹性围，开始发生塑性变形时的应力。有些材料的拉伸应力－应变曲线并不出现明显的屈服平台，即不能明确地确定其屈服点。对此种情况，工程上规定取试样产生0.2％残余变形的应力值作为条件屈服极限，用s（0.2%）表示，单位为MPa。
1.10 应力分析
应力分析是研究应力和应变的理论。大多数应力分析，都是以结构的弹性理论为基础的，同时对塑性理论的应用给予充分的重视。采用比较广泛的应力分析有下面几种。
1.10.1弹性分析
采用最早的应力分析是弹性分析。它通常是在不发生屈服的条件下，利用应力与应变间的线性关系（即虎克定律），计算由荷载引起的应力变化和挠度变化。按照弹性分析，应力是限定在材料的屈服极限以，并留有适当的裕度。
1.7.4第四强度理论－变形能理论，其当量应力为
S＝ （式1.7.4）
它认为引起材料屈服破坏的主要因素是材料的变形能。亦即不论材料处于何种应力状态，只要其部积累的变形能达到材料单向拉伸屈服时的变形能值，材料即发生屈服破坏。
在管道强度设计中，主要采用最大剪应力强度理论。
1.8 蠕变与应力松弛
蠕变和应力松弛是金属材料在高温下的机械性能。
1.7 强度理论
常用的材料强度理论有四种，分别是：
1.7.1第一强度理论－最大拉应力理论，其当量应力为

管道应力分析及计算

(5)固定架 (6)限位架 (7)轴向限位架 (8)导向架
用于固定点处，不允许有线位移和角位移的场合； 用于限制任一方向线位移的场合； 用于限制管道轴向线位移的场合； 用于允许有管道轴向位移，但不允许有横向位移的场合
3
减振支架
(9)减振器
用于限制或缓和管道振动
2、管道跨距及导向间距 管道跨距 — 强度及刚度两项控制 力学模型 强度条件：连续敷设水平直管允许跨距强度条件是管道中最大 纵向应力不得大于设计温度下的材料的许用应力。 管道跨距计算 不考虑内压最大允许跨距 考虑内压最大允许跨距 大直径薄壁管道
2、管道跨距及导向间距 导向间距：Βιβλιοθήκη 01水平管01
垂直 垂直管道的最大导向支架间距大致可按不保温管充水的水平管道支架间距进行圆整。
01
DN（INCH）
H MAX. SPAN（m）
当 当
壁厚计算
外压直管的壁厚，应根据GB150规定的方法确定。 其它的管件(如Y型三通、孔板等)依据相应的规范(GB50316-2000)公式进行计算。
t 的确定应根据断裂理论、疲劳、热应力及材料特性等因素综合考虑确定。
⑶ 临界管线表 公式法： D0 — 管外径(mm) Y — 管段总位移(mm) Y=(ΔX2+ΔY2 +ΔZ2)1/2 L — 管段两个固定点的展开长度(m) (AB+BC+CD) U — 管段两个固定点的直线距离(m) (AD间的直线距离) (依据ASME/ANSI B31.1及B31.3)
2）限制性支架：用来阻止、限制或控制管道系统位移的支架(含可调限位架)。 a）导向架：使管道只能沿轴向移动的支架，并阻止因弯矩或扭矩引起的旋转。 b）限位架：限位架的作用是限制线位移。在所限制的轴线上，至少有一个方向被限制。 c）定值限位架：在任何一个轴线上限制管道的位移至所要求的数值，称为定值限位架。 d）固定架：限制管道的全部位移。 3）减振架：用来控制或减小除重力和热膨胀作用以外的任何力(如物料冲击、机械振动、风力及地震等外部荷载)的作用所产生的管道振动的支架。 减振架有弹簧及油压和机械三种类型。

管道应力分析和计算

管道应力分析和计算目次1 概述1.1 管道应力计算的主要工作1.2 管道应力计算常用的规范、标准1.3 管道应力分析方法1.4 管道荷载1.5 变形与应力1.6 强度指标与塑性指标1.7 强度理论1.8 蠕变与应力松弛1.9 应力分类1.10 应力分析2 管道的柔性分析与计算2.1 管道的柔性2.2 管道的热膨胀补偿2.3 管道柔性分析与计算的主要工作2.4 管道柔性分析与计算的基本假定2.5 补偿值的计算2.6 冷紧2.7 柔性系数与应力增加系数2.8 作用力和力矩计算的基本方法2.9 管道对设备的推力和力矩的计算3 管道的应力验算3.1 管道的设计参数3.2 钢材的许用应力3.3 管道在内压下的应力验算3.4 管道在持续荷载下的应力验算3.5 管道在有偶然荷载作用时的应力验算3.6 管系热胀应力范围的验算3.7 力矩和截面抗弯矩的计算3.8 应力增加系数3.9 应力分析和计算软件1 概述1.1 管道应力计算的主要工作火力发电厂管道（以下简称管道）应力计算的主要工作是验算管道在内压、自重和其他外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力；判断计算管道的安全性、经济性、合理性，以及管道对设备产生的推力和力矩应在设备所能安全承受的范围内。

管道的热胀应力应按冷、热态的应力范围验算。

管道对设备的推力和力矩应按冷状态下和工作状态下可能出现的最大值分别进行验算。

1.2 管道应力计算常用的规范、标准（1）DL/T 5366－2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规程（2）ASME B 31.1－2004动力管道在一般情况下，对国内工程采用DL/T 5366进行管道应力验算。

对涉外工程或顾客有要求时，采用B 31.1进行管道应力验算。

1.3 管道应力分析方法管道应力分析方法分为静力分析和动力分析。

对于静荷载，例如：管道内压、自重和其他外载以及热胀、冷缩和其他位移荷载作用的应力计算，采用静力分析法。

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29
应力增大系数：
当管道几何形状发生急剧变化时，位移应力范围的 计算值与直管相比有所增加。对于平滑过渡的弯头 和弯管，受弯后管道出现扁平化，抗弯刚度有所减 小,对于斜接弯管和支管连接，由于几何不连续产生 应力集中, 导致材料抗疲劳能力有所削弱。二次应力 校核主要是为了防止疲劳破坏，为了考虑这种效应， 在进行二次应力校核时引入了应力增大系数。 定义: 受弯矩的作用，在非直管的组成件中，产 生疲劳损坏的最大弯曲应力与承受相同弯矩、相同 直径及厚度的直管产生疲劳损坏的最大弯曲应力的 比值，称为应力增大系数。因弯矩与管道组成件所 在平面不同，有平面内及平面外的应力增大系数。
38
19
由于内压作用下直管壁厚计算公式是薄壁模型，基 于第三强度理论：σ1 SHP σ 3 SR 0 σ1 σ 3 SHP σt 因此，合成轴向应力不大于内压环向应力。合成轴 向应力最大时与内压环向应力相等，此时再依据第 三强度理论有：
(SLP SAX SC ) SR σ
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柔性系数：
表示管道元件在承受力矩时，相对于直管而言其柔 性增加的程度。即:在管道元件中由给定的力矩产生 的每单位长度元件的角变形与相同直径及厚度的直 管受同样力矩产生的角变形的比值。
35
二.应力分析标准详解
ASME B31.1 ASME B31.3 ASME B31.4 ASME B31.8
21
材料的力学性能及强度理论 力学性能：
1.强度极限 2.屈服强度 3.断裂 4.强化阶段 5.局部变形阶段
22
11
最大拉应力理论：
该理论认为：最大拉应力是引起断裂的主要原因 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到 单向拉伸时的抗拉强度，材料就会发生脆性断裂。 屈服判据： 强度准则：
2
1
3
管道应力分析基本理论
主要内容 一.管道应力分析基础知识介绍 二.应力分析标准详解 三.管道跨距计算 四.管道柔性分析 五.管道分析基础知识介绍
管道应力分析的目的、范围、内容 管道受到的载荷、变形及失效形式 材料的物理性能及强度理论 基本概念
5
管道应力分析的目的、范围、内容 目的：
ASME B31J
ASME B31J
32
16
数值分析方法:
SIF Actual Peak Stress in part Nominal Stress in Part
SIF
PL Pb Q F (M/Z)
FE Pipe ANSYS
i SIF/2
步骤: 建立管件有限元分析模型; 提取峰值应力强度和基准应力; 计算应力集中系数SIF; 应力增大系数取应力集中系数的1/2.
阴影部分表示吸 收能量的能力
15
静态断裂 韧性断裂： 随着载荷增加，材料屈服并产生塑性变形直至破坏。 断裂前的伸长量可达到25%，可见韧性材料的能量 吸收能力。能量吸收能力对于静态载荷的影响较小， 但对于抵抗冲击载荷的影响较大。如果没有较大的 能量吸收能力，非常小的冲击载荷都可能产生破坏 性的应力。 韧性断裂主要发生在裂纹缺陷处或形状不连续处。 由于屈服，载荷将会转移到管道系统的其它部位。
管道应力分析（CAESARII软件）工程实例 专题培训班 主讲:孙学军(中国石油管道局设计院) 联系电话:13722622460 主办：中国石油和化学工业培训中心
课程安排
时间 主要内容
第一天 第二天 第三天
管道应力分析基本理论 CAESAR II软件应用 管道振动分析技术（机械振动、流 致振动）、埋地管道等
t max
ss
2
t max
s1 s 3
2
s1 s 3 ss
强度准则：
s 1 s 3 [s ]
适用于塑性材料。形式简单，一般情况下与实验结果相比偏于 安全，工程中广泛应用。
形状改变比能理论(Mises准则)：
该理论认为：形状改变比能是引起屈服的主要原因 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要形状改变比能达 到单向拉伸屈服时所对应的形状改变比能值，材料就会发生 塑性屈服。 屈服判据：
21
二次应力校核来源：
28
14
二次应力：
二次应力是由于热胀、冷缩、端点位移等位移荷载 的作用所产生的应力。它不直接与外力相平衡。二 次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变 形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到 满足，从而变形不再继续增大。 一般在管系初次加载时，二次应力不会直接导致破 坏，只有当应变在多次重复交变的情况下，才会引 起管道疲劳破坏。但也应该注意，当位移荷载极大， 局部屈服或小量变形不足以满足位移约束条件或自 身变形连续要求时，管道也可能在一次加载过程中 就发生破坏。
应力分析规定 确定管道系统 生命周期内可 能遇到的载荷
关键管线表 定义载荷工况 静态/动态 确定应力、位 移、载荷的限 值
设备管口载荷 结构所受载荷 特殊件要求 其它建议
使应力、位移 、载荷限值在 许用范围内 应力分析报告 应力ISO图 提交业主 提交现场
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支撑设计、选型
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应力分析管线分类:
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关键管线表:
没有区分平面内 和平面外应力增 大系数; 采用最大剪应力 理论.
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结构安定性条件：
结构安定性的定义:当荷载在一定范围内反复变化时，结构不 发生连续的塑性变形循环。也就是说，在初始几个循环之后， 结构内的应力应变都按线弹性变化，不再出现塑性变形。为防 止结构发生低周疲劳，结构必须具有安定性。 结构安定性条件:弹性应力范围不大于屈服极限的二倍。 42
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其它失效形式 腐蚀： 壁厚减薄； 小腐蚀坑处应力增大降低了疲劳强度。 侵蚀： 流体对管道的侵蚀，如浆体管道、两相流、泵进口 汽蚀； 碳钢管道氢蚀因素有喘流、低PH值、低含氧量。 应力腐蚀： 金属材料在腐蚀介质中经历一段时间拉应力后出现 裂纹与断裂的现象。 氢蚀： 氢脆现象（溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应 力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的 裂纹。）
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管道受到的载荷：
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安全阀泻放、柱塞流、风、波浪、地震、水/ 汽锤等偶然荷载； 压力循环、温度循环、转动设备、涡激振动等 循环荷载 。
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管道变形的基本形式：
拉伸、压缩
剪切
扭转
弯曲
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管道的失效形式：
管道应力分析的主要目标是阻止管道失效，因此了 解管道的失效形式非常重要。常见的管道失效形式 如下： 静态断裂
s1 sb
s 1 [s ]
sb
nb
适用于铸铁等脆性材料。这一理论没有考虑其它两个主应力的 影响，且对没有拉应力的应力状态无法应用。
最大伸长线应变理论：
该理论认为：最大伸长线应变是引起断裂的主要原因 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大伸长线应变 达到单向拉伸时的极限应变，材料就会发生脆性断裂。
保证管道结构的整体安全 各种设计载荷作用下管道的应力在规范的许用范围 内。 保证管道系统运行正常 动（静）设备管口载荷符合制造商或公认标准的要 求； 避免法兰等连接件泄露； 避免管道位移量过大，影响其它设备或管道的运行； 避免明显的管道振动。 优化设计
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范围：
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内容：
项 目 工 艺 项目计划 PID 工艺管线表 数据表 设备图纸 设 备 管口许用载荷 土 土建结构图纸 建 地质参数 布置图、3D 配 管 ISO图 管道等级 特殊件要求
t
σ1
σ3
B31.1没有包含持续轴向外载产生的轴向应力SAX， 忽略内压径向应力SR，上式变为：
(SLP SC ) σ
t
即：
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偶然应力：
许用应力放大系数K： 1.15--每次作用时间不超过8h,每年不超过800h; 1.20--每次作用时间不超过1h,每年不超过80h;
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位移应力范围：
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这是因为依据规范进行柔性分析计算的弯曲载荷引 起的应力范围约是峰值应力范围的一半。对于典型 的对焊管的焊接接头，其应力集中系数为2。由于应 力是与对焊管的疲劳曲线相比较，计算得到的是实 际峰值应力范围的一半。因此，理论应力，例如弯 头中由弯曲载荷产生的应力，是按规范进行管道柔 性分析计算的应力的2倍。
管道应力的校核主要是为了防止管壁内应力过大造 成管道自身的破坏。各种不同荷载引起不同类型的 应力，不同类型的应力对损伤破坏的影响各不相同， 如果根据综合应力进行应力校核可能导致过于保守 的结果，因此管道应力的校核采用了将应力分类校 核的方法。 应力分类校核遵循的是等安全裕度原则，也就是说， 对于危险性小的应力，许用值可以放宽;危险性大的 应力，许用值要严格控制。 应力分类是根据应力性质不同人为进行的，它并不 一定是能够实际测量的应力。
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脆性断裂： 不可预期且突然发生； 脆性材料； 塑性材料当温度低于某一限定值时韧性降低。
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疲劳断裂 在低于材料强度的交变应力作用下突然断裂。
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蠕变断裂 在高温情况下，温度和应力保持不变而应变不断增 加最终断裂。
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失稳 管道失稳主要由压应力导致； 主要出现在大直径薄壁管道； 深水环境中的厚壁管也可能出现失稳。
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确定方法: 疲劳试验方法:
按照不同应力幅对直管进行一系列疲劳试验，根据 试验结果，拟合得到直管疲劳曲线表达式: S P N b C 按照不同应力幅对管件进行一系列疲劳试验，根据 试验结果，拟合得到管件疲劳曲线表达式: S F N b C1 应力增大系数: i S P / S F C / C1 31 由以上两式得: i C / S F N b
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应力ISO图:
在管道单线图的基础 上增加应力分析的节 点号、约束点的位置 及类型、约束点的位 移量及载荷、备注等 信息。