压力管道的强度计算..

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1、压力管道的强度计算    1.承受内压管子的强度分析   按照应力分类,管道承受压力载荷产生的应力,属于一次薄膜应力。该应力超过某一限度,将使管道整体变形直至破坏。  承受内压的管子,管壁上任一点的应力状态可以用3个互相垂直的主应力来表示,它们是:沿管壁圆周切线方向的环向应力σθ,平行于管道轴线方向的轴向应力σz,沿管壁直径方向的径向应力σr,如图2.1,设P为管内介质压力,Dn为管子内径,S为管子壁厚。则3个主应力的平均应力表达式为管壁上的3个主应力服从下列关系式:σθ>σz>σr根据最大剪应力强度理论,材料的破坏由最大剪应力引起,当量应力为最大主应力与最小主应力之差,故强度条件为σe=σ

2、θ-σr≤[σ]  将管壁的应力表达式代入上式,可得理论壁厚公式图2.1承受内压管壁的应力状态  工程上,管子尺寸多由外径Dw表示,因此又得昂一个理论壁厚公式   2.管子壁厚计算承受内压管子理论壁厚公式,按管子外径确定时为按管子内径确定时为式中:  Sl——管子理论壁厚,mm;  P——管子的设计压力,MPa;  Dw——管子外径,mm;  Dn——管子内径,mm;  φ——焊缝系数;  [σ]t——管子材料在设计温度下的基本许用应力,MPa。  管子理论壁厚,仅是按照强度条件确定的承受内压所需的最小管子壁厚。它只考虑了内压这个基本载荷,而没有考虑管子由于制造工艺等方面造成其强度削弱的因素

3、,因此它只反映管道正常部位强度没有削弱时的情况。作为工程上使用的管道壁厚计算公式,还需考虑强度削弱因素。因此,工程上采用的管子壁厚计算公式为Sj=Sl+C(2-3)式中:Sj——管子计算壁厚,mm;  C——管子壁厚附加值,mm。  (1)焊缝系数(φ)  焊缝系数φ,是考虑了确定基本许用应力安全系数时未能考虑到的因素。焊缝系数与管子的结构、焊接工艺、焊缝的检验方法等有关。  根据我国管子制造的现实情况,焊缝系数按下列规定选取:[1]  对无缝钢管,φ=1.0;对单面焊接的螺旋线钢管,φ=0.6;对于纵缝焊接钢管,参照《钢制压力容器》的有关标准选取:  ①双面焊的全焊透对接焊缝:  100%

4、无损检测φ=1.0;  局部无损检测φ=0.S5。  ②单面焊的对接焊缝,沿焊缝根部全长具有垫板:  100%无损检测φ=0.9;  局部无损检测φ=0.8;  (2)壁厚附加量(C)  壁厚附加量C,是补偿钢管制造:工艺负偏差、弯管减薄、腐蚀、磨损等的减薄量,以保证管子有足够的强度。它按下列方法计算:C=C1+C2 (2-4)式中:C1——管子壁厚负偏差、弯管减薄量的附加值,mm;   C2——管子腐蚀、磨损减薄量的附加值,mm。  ①管子壁厚负偏差和弯管减薄量的附加值:  在管子制造标准中,允许有一定的壁厚负偏差,为了使管子在有壁厚负偏差时的最小壁厚不小于理论计算壁厚,管子计算壁厚中必须

5、计人管子壁厚负偏差的附加值。  在管子标准中,壁厚允许负偏差一般用壁厚的百分数表示,令α为管子壁厚负偏差百分数,则得  热轧无缝钢管。值的规定值见表2.1。表2.1普通钢管厚度负偏差α值[2]钢管种类壁厚(mm)负偏差α%普通高级碳素钢和低合金钢≤20>201512.512.510不锈钢≤10>10-20152012.515  如果需要同时计及弯管减薄量的补偿,则壁厚附加值可按下列方法考虑:[3]  在弯制管予时,弯管的外侧壁厚将减薄,内侧壁厚将加厚。目前一般采用的热弯工艺,弯管减薄量约为8%~10%,但弯管在内压作用下的应力分布与直管有区别,在弯管弯曲半径大于管子外径4倍,弯管减薄量为8%

6、~10%时,内压引起的环向应力比直管约大5%。在此情况下,工程上一般将弯管与直管取相同的理论壁厚,而在壁厚附加值中计人一定的裕量。作为对弯管减薄量的补偿。壁厚附加值由下式计算:  以上为无缝钢管管子壁厚附加值C1的计算方法。对于采用钢板或钢带卷制的焊接钢管,其壁厚负偏差就是钢板、钢带的允许负偏差。这时的C1值可按下列数据采用:  壁厚为5.5mm及以下时,C1=0.5mm;  壁厚为7mm及以下时, C1=0.6mm;  壁厚为25mm及以下时, C1=0.8mm;  ②管子腐蚀和磨损减薄量的附加值  当介质对管子的腐蚀并不严重,即腐蚀速度小于0.05mm/a(年)时,单面腐蚀取C2=1~1

7、.5mm,双面腐蚀取C2=2~2.5mm。  当管子外面涂防腐油漆时,可认为是单面腐蚀,当管子内外壁均有较严重腐蚀时,则认为是双面腐蚀。  当介质对管子材料腐蚀速率大于0.05mm/a时,则应根据腐蚀速度和使用年限决定C2值。    3.弯管壁厚计算   弯管在承受内压时,若弯管各点壁厚相同,且无椭圆效应,则弯管内侧应力最大,外侧最小,弯管破坏应发生在内侧。但采用直管弯制成弯管后,壁厚是有变化的。如图2.2,

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