管道应力分析及计算ppt课件

疲劳失效的研究最早由A.R.C. Markl et. al.在上世纪 40至50年代进行；
疲劳失效
温度的变化导致结构可能在冷热两个状态下产生屈 服变形；
疲劳失效
与垮塌性荷载不同的是，当材料发生屈服时，如果 应力峰值满足一定条件下，并不会立即发生非自限 性的失效，而是系统停止运行后，产生自限性的残 余应力。
强度理论
我们如何来评价失效？——通过强度理论 第一强度理论：最大主应力理论（Rankine） 第二强度理论：最大伸长线应变 第三强度理论：最大剪应力理论（Tresca） 第四强度理论：最大变形能理论（Von mises）
强度理论
第三强度理论： 第四强度理论：
S13
S 1 21 2 2 2 3 2 3 1 2
CAESAR II 管道应力分析理论
AECSOFT
前言
我们为什么要进行管道应力分析? 我们需要做什么？ 我们如何模拟一个管道系统？ 我们如何来分析计算的结果？
我们为什么要进行管道应力分析?
复杂管线中可能存在压力、重量、温度、风、海浪、土壤约 束以及地震、动设备的振动、阀门关闭、开启导致的水锤气 锤等外力载荷作用。载荷是管道产生应力问题的原因。
梁单元上纯弯曲的概念：
当梁发生纯弯曲时，各截面上的弯矩值唯一（整个 截面的弯矩由唯一值表示），且不存在剪力，截面 发生转动，梁轴线变为弧线，但转动后各截面仍为 平面。在这种假设下，应力S=M/Z.（胡克定律）
如果不使用纯弯曲假设，则上式不一定适用。
3D梁单元示例
这是一个简单的悬臂梁模型：当在自由端作用集中 载荷P之后，其挠度为：
应力计算式：
S 1 F A / X A m M / Z P / 4 t d S h
一次应力通常暗示了支架跨距是否满足要求；

改变管道的走向 选用波形补偿器或球形补偿器 选用弹簧支吊架 改变设备的布置（卧式容器固定端和滑动端换位）




补偿的方法有两种：自然补偿和补偿器补偿 补偿器种类有三种：Π型补偿器，波形补偿器和套管式补 偿器或球形补偿器。 Π形补偿器结构简单、运行可靠、投资少、在压力管道设 计中广泛使用，Π形补偿器尽量布置在两固定点中间，若 不能居中布置其与固定点的距离不应小于两固定点间距的 三分之一。为了防止管道横向位移过大，应在Π形补偿器 两侧设置导向架，导向架应与弯头有一定距离，以防止弯 头处弯曲应力过大。 波形补偿器能力大、占地小、但制造较为复杂，价格高， 适用于低压大直径管道。 套管式或球形补偿器因填料容易松弛，发生泄漏，因此很 少采用。在有毒及可燃介质管道中严禁采用
施工过程中产生
对二次应力无影响
管道端点位移
与管道连接的设备膨胀
用计算机程序或有关图表计算
管道振动
长期振动荷载
管道受往复式机泵的压力脉 动、两相流的压力脉动和机 泵喘振而引起的振动 基础较差
往复式机泵的进出口设置缓冲 罐或增加管道的刚度
设备或支架基础下沉
可能引起刚度对设备或支架的 作用力改变或法兰泄漏



管道支吊架的受力计算——为支吊架设计 提供依据； 管道上法兰的受力计算——防止法兰泄漏 管系位移计算——防止管道碰撞和支吊点 位移过大。

动力分析：
往复压缩机（泵）管道气（液）柱固有频 率分析——防止气（液）柱共振； 往复压缩机（泵）管道压力脉动分析—— 控制压力脉动值； 管道固有频率分析——防止管道系统共振；
作用在管道上的荷载一览表
荷载的种类 一次应力 内、外压力 在装置运行时产生， 装置运行时在操作温度下，管内 属长期静荷载 流体的内、外压 长期静荷载 短期静荷载 其中包括管道、阀门、管件、隔 热材料和流动介质的重量 管内气体或蒸汽，在停工时由于 大气的冷却，管内形成负压。由 于气温升高或太阳直射使管内压 力升高 管道安装完毕后，进行水压试验 或气压试验的荷载 降雪地区的室外管道 作用于室外管道 由地震引起的振动 机泵启动或关闭时，阀门快速启 闭时和蒸汽管道暖管时等 因为在运行条件下管内压力和温度 有种种变化，所以取最不利的压力 温度组合作为设计条件 应区分均布荷载和集中荷载 通常在应力分析中不考虑，必要时 设真空破坏器或安全阀防止管道破 坏 一般试验压力根据有关规范确定 按气象资料确定 一般根据气象资料按静力计算 一般根据有关资料按静力计算 在运行规程中设定机泵启动和关闭 的规定，蒸汽管暖管的规定，对大 口径的水泵出口设缓闭的逆止阀， 以减少冲击荷载 荷载特点 荷载来源 注

通过对航空航天领域的管道进行局部应力分析，可以深入了解管道在各种操作条件下的应力分布和变形情况，为管道的设计 、制造、安装和使用提供依据。例如，在航空航天行业中，通过对管道进行局部应力分析，可以优化管道的结构设计，提高 管道的稳定性和耐久性，降低维修和更换成本，提高航空器的安全性和可靠性。
04
管道局部应力分析的挑战与解决 方案
局部应力分析的物理模型
物理模型
常用的局部应力分析模型包括弹性力学模型、弹塑性力学模 型和断裂力学模型。这些模型根据材料性能、几何形状和外 部载荷等因素，对局部应力进行数值模拟和分析。
分析方法
局部应力分析方法主要包括有限元法、有限差分法、边界元 法和实验法等。这些方法可根据实际情况选择，以解决不同 类型的问题。
VS
对管道进行局部应力分析，可以预测 管道在各种操作条件下的变形和应力 分布情况，评估管道的强度和稳定性 ，确保管道的安全运行。例如，在石 油化工行业中，通过对管道进行局部 应力分析，可以优化管道的设计和制 造工艺，提高管道的耐久性和可靠性 ，降低维修和更换成本。
电力行业
电力行业是另一个应用管道局部应力分析的 重要领域。在电力行业中，管道主要用于输 送各种流体介质，如水、蒸汽、气体等，以 支持设备的正常运行。这些流体介质通常具 有高温、高压、腐蚀性等特点，对管道的稳 定性和安全性要求较高。
THANKS
感谢观看

02
管道局部应力分析方法
解析法
基于理论分析，通过数学公式 解析表达管道应力分布情况。
适用于简单形状的管道，如直 管、弯管等。
对于复杂形状的管道，解析法 需要引入假设和简化，因此结 果可能存在误差。
有限元法
基于数值分析，将管道划分为有限个单元，通过计算机软件求解每个单元的应力分 布。

稳定性分析。
电子工程
用于封装和电路板等电 子产品的强度和稳定性
分析。
平板应力分析的基
02
本原理
弹性力学基础
01
弹性力学是研究物体在外力作用下的变形和内力的学科。
02
弹性力学的基本假设是物体是线弹性的、变形是微小的，且满
足胡克定律。
弹性力学的基本方程包括平衡方程、几何方程和物理方程，用
03
于描述物体的位移、应变和应力。
人工智能和机器学习等先进技术的应用将有助于提高平板应力分析的自动化程度和 智能化水平。
对实际工程应用的指导意义
平板应力分析的应用范围不断扩大，不仅局限于传统 的机械、建筑等领域，还涉及到新能源、生物医学等
新兴领域。
通过平板应力分析的应用，可以优化平板结构的性能 ，提高产品的质量和可靠性，降低制造成本和风险。
VS
实例演示
以一个简单的平板为例，演示如何使用有 限元分析软件进行建模、加载和求解，并 展示结果的可视化效果。
结论与展望
06
平板应力分析的结论总结
平板应力分析是一种有效的数值分析方法，能 够模拟平板在不同工况下的应力分布和变形情 况。
通过平板应力分析，可以得出平板在不同方向 和不同位置的应力大小和分布规律，为优化平 板设计和改进制造工艺提供依据。
假设平板的材料是均匀、连续和 各向同性的，满足线弹性假设。
平板应力分析的步
03
骤和方法
建立数学模型
确定问题类型
根据实际需求，确定是平面应力问题还是平 面应变问题。
确定材料属性
获取平板材料的弹性模量、泊松比等物理参 数。
建立坐标系
选择合适的笛卡尔坐标系，以便于描述和计 算。
建立控制方程

三、应力分类



1.一次应力 其特点是无自限性，始终随内压力或外载增 加而增大。当超过某一限度时，将使管道变形增加直至破 坏。内压力或外载力产生的应力属一次应力。 2.二次应力 由于变形受约束或结构各部分间变形协调而 引起的应力。主要特征是部分材料产生小变形或进入屈服 后，变形协调即得到满足，变形不再继续发展，应力不再 增加，即它具有自限性。管道由热胀、冷缩和其它位移作 用产生的应力认为属二次应力。 3.峰值应力 由结构形状的局部突变而引起的局部应力集 中。其基本特征是不引起任何显著变形，但它是材料疲劳 破坏的主要原因。
2.管道内压力作用在环形端面上产生的推力


管道内压力作用在波纹管环面上产生的推力Ph， 可近似按下式计算: Ph=P.A N (14-13) 式中 P-管道内压力，Pa； ’ ． ． A-有效面积，m2，近似以波纹半波高为直径计算出的 圆面积，同样可从产品样本中查出。 为使轴向波纹管补偿器严格地按管线轴线热胀或 冷缩，补偿器应靠近一个固定支座(架)设置，并设置 导向支座。导向支座宜采用整体箍住管子的型式，以 控制横向位移。
（2）弹性力的计算方法

“弹性中心法”对方型补偿器进行应力验算时的弹性力：

Pty=0 E-管道钢材20℃时的弹性模数，N／m2； I-管道断面的惯性矩，m4； · Ixo-折算管段对x0轴的线惯性矩，m3. 弹性中心坐标（x0 y0） X0=0, y0=(l2+2R)(l2+l3+3.14RKr)/Lzh
二、活动支座间距的确定

在确保安全运行前提下，应尽可能扩大动支座的间距，
以节约供热管线的投资费用。允许间距按强度条件和刚度 条件两中情况考虑

.精品课件.
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膨胀量计算公式（上册172页） ΔL=α.L.Δt 式中 ΔL—膨胀量，m； α—管子材料的线膨胀系数，， 或直接取1/℃。 钢1.2×10-5，（ 0.012mm即每度1道）铜1.65×10-5，铝2.4×10-5 。 Δt—工作温度与安装温度之差，℃。
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例4．某段2Km供暖管线，施工温度20℃。最高工作温度60℃，试求热 膨胀量。
解：已知t2=60℃ t1=20℃ Δt=60-20=70℃ L=2000m，供热管一般为钢管α=1.2×10-5/℃
把数据带入
ΔL=α.L.Δt
=1.2×10-5×2000×（60-20）=0.96（m）
答：这段管的总膨胀量为0.96m.
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第二节 管内流量计算
一、体积流量 Q=V.A m3/s （平均流速v, m/s，过流断面面积A，m2） 二、质量流量(上册171页） Q=ρ.v.A.t kg/s 或千kg/s （ρ为流体密度千kg/m3，有时用kg/dm3，v和A同上。） 注意：在Q用kg/s时，一定采用dm计v和A，这样不易出错，一般情况
ΔL=500×1.2×10-5×60取长9.5~10m较合适。（一般不得小于计算值）
.精品课件.
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技师专业知识
φ60×3.5 无缝钢管
.精品课件.
采用103kg/s（千kg/s），即所有长度单位取m。
.精品课件.
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关于两种流量的使用，多使用体积流量，因为管道尺寸固定，比较 容易与尺寸相联系。在化工计算时多采用质量流量。除了冷水在计 算流量时两种数值一样，其他流体都不一致。因为水的密度是1。
.精品课件.
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管径计算公式： 4G （上册171页）

最大允许挠度，m
24EI 1 L L2 2 x x y max 2 q x
2
m
直 到 L ＝ L1 ＝ L2为止

最大允许间距应能同时满足强度条件和刚度条件
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15.2.3 管道的热伸长及其补偿
管道受热的自由伸长量
x t1 t2 L
m
管道的线膨胀系数，一般可取 计算管段两固定点间的距离， а＝15×10－6m m/(moC) 管道的最高使用温度，可取热媒的最高温度，℃ 管道安装时的温度，可取最冷月平均温度，℃
MPa
15.2.3 管道的热伸长及其补偿
波纹管补偿器的受力分析

轴向波纹管补偿器的最大补偿能力，依据产品样本确定 轴向波纹管补偿器的受力分析 波纹管补偿器的弹性力
Pt K X N
波纹管补偿器的轴向刚度， 波纹管补偿器的轴向位移， N/cm cm
套管补偿器的受力分析

套管补偿器的最大补偿能力，依据产品样本确定
f max
qL4 0.25iL 384EI
iEI L 4.6 3 q
m
44 管材的弹性模数， 管道断面惯性据， N/m m 考虑到供热管道的塑性条件，不允许有反坡的供热管道活
动支座间的最大允许间距：
iEI L 5 3 q
m
15.2.2 活动支座间距的确定
按刚度条件确定活动支座的允许间距
m
考虑供热管道的塑性条件，允许间距可按下式计算：
Lmax
15 w W q
m
15.2.2 活动支座间距的确定
按刚度条件确定活动支座的允许间距
根据对挠度的限制而确定活动支座的允许间距，对挠度的 限制分两种情况

油气管线安装工专业知识
第一章 管道常用计算知识 书中初、中、高级工中，管道常用计算知识已基本概括，为了系
统与连贯，我把这些常用计算统编在一起，起到承前启后，复习 熟练各种常用计算的计算内容，以便更好地理解工作中遇到的相 关知识。
管道常用计算公式
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第一节 管子质量的计算
一、管子质量的计算 理论计算公式：（上册171页）
管道常用计算公式
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膨胀量计算公式（上册172页） ΔL=α.L.Δt 式中 ΔL—膨胀量，m； α—管子材料的线膨胀系数，， 或直接取1/℃。 钢1.2×10-5，（ 0.012mm即每度1道）铜1.65×10-5，铝2.4×10-5 。 Δt—工作温度与安装温度之差，℃。
管道常用计算公式
ΔL=500×1.2×10-5×60=0.36m=360mm
将已知条件代入公式:M
答：管段L1取长9.5~10m较合适。（一般不得小于计算值）
管道常用计算公式
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技师专业知识
管道常用计算公式
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三、查表计算：有关手册和所有管工教材附表都有钢管规格表，各 种规格每米质量（原称重量）都在表中列出。
G = L.每米质量 L—管长，m。
例如1000m公称直径40mm的加厚管的质量是多少？ 查表知该规格管壁厚4.25、每米4.58kg，那么总质量为：
4.58×1000=4580kg=4.58吨。（未计接头焊道高处质量）
采用103kg/s（千kg/s），即所有长度单位取m。
管道常用计算公式
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关于两种流量的使用，多使用体积流量，因为管道尺寸固定，比较 容易与尺寸相联系。在化工计算时多采用质量流量。除了冷水在计 算流量时两种数值一样，其他流体都不一致。因为水的密度是1。

绪论
3D 梁单元的特征 • 无限薄的杆。 • 描述的所有行为都是根
据端点的位移。 • 弯曲是粱单元的主要行
为。
基本应力理论 & CAESAR II 的实施
绪论
3D 梁单元的特征
• 仅说明了总体的行为。 • 没有考虑局部的作用 (表面没有碰撞)。 • 忽略了二次影响。
(使转角很小) • 遵循Hook’s 定律。
基本应力理论 & CAESAR II 的实施
规范要求的载荷工况
• (1) = W + T1 + P1 (OPE)
• (2) = W + P1 (SUS) • (3) = DS1 - DS2 (EXP)
• 操作工况, 用于:
– 约束& 设备载荷 – 最大位移 – 计算 EXP 工况
• 持续工况，用于一次载荷下规 范应力的计算。
基本应力理论 & CAESAR II 的实施
规范要求的载荷工况
膨胀工况说明 • For this discussion, rearrange the equation to {x} = {f} / [K],
where we know we don't really divide by [K], we multiply by its inverse. • OPE: {xope} = {fope} / [Kope] = {W + T1 + P1} / [Kope] • SUS: {xsus} = {fsus} / [Ksus] = {W + P1} / [Ksus] • EXP: {xexp} = {xope} - {xsus} = {W + T1 + P1} / [Kope]

压力管道的强度计算

参数确定
焊缝系数φ

无缝管φ=1.0; 单面焊接的螺旋线钢管φ=0.6; 纵缝焊接钢管：
双面焊的全焊透对接焊缝： 100%无损探伤，φ=1.0； 局部无损探伤，φ=0.85。 单面焊的对接焊缝，沿焊缝根部全长具有垫板： 100%无损探伤，φ=0.9； 局部无损探伤，φ=0.8。
自限性载荷（属静力载荷） 由于管道结构变形受约束所产生的载荷，不直接与外部 载荷平衡，当管道材料塑性较好时，其最大值限定在一定范 围内，不会无限制增大的载荷。 如管道温度变化产生的热载荷；结构曲率发生突变处附 近的边缘应力等 非自限性载荷（属静力载荷） 直接由外部作用的外力载荷。如介质压力、管道自重等

安定性
结构在载荷（包括热负荷）反复变化的过程中，不再发生 塑性变形的连续循环

安定性准则
由于塑性材料具有二次应力的局部性和自限性，控制结构 在运行中不发生疲劳破坏，使结构保持安定，而限定二次
应力范围的方法

一般压力管道应力许用值的限定
一次应力的限定

内压作用下 t 内压轴向力和持续外载作用下 zhl r 二次应力的限定 t 一次应力加二次应力 1.25 f
一次总体薄膜应力（Pm）
它是管道的基本应力，分布在整个管道上，在管道的截面 上是均匀分布的。如内压力引起的管道环向应力和轴向应力 一次弯曲应力（Pb） 这个应力在管道的很大区域内分布，在管道截面上的分布是 沿厚度变化的，呈线性分布。这种应力达到屈服时，只是局部 屈服，如果继续加载，应力在管道截面上的分布重新调整，允 许比一次总体薄膜应力具有较高的许用应力。 如由于管道的自重和机械载荷引起管道的弯曲变形产生的 弯曲应力等 一次局部薄膜应力（Pl） 由于压力或机械载荷引起的分布在局部范围内的薄膜应力。 这种应力达到屈服时，由于材料的塑性变形，也只引起局部屈 服，周围仍受到弹性材料的约束，允许在局部区域内产生屈服。 如管道支架处或管道接管连接处产生的应力