管道应力分析与管道设计(管道设计)黄增宏.pdf

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1、管道应力分析与管道设计PipeStressAnalysisandPipeDesign黄增宏（东北电力设计院，吉林长春130022）[摘要]在长期进行管道应力分析软件开发和研究的过程中，国内外许多GLIF管道应力分析软件的用户提出许多管道应力分析与管道设计的疑难问题，这些问题在规程规范中也没有详细说明或者定义。笔者将具有共性的问题，加以考证、研究和整理，以资从事管道应力分析、管道设计，以及管道施工安装的人员学习借鉴。[DIGEST]WITHTHELONGTIMEOFDEVELOPMENTANDRESEARCHOFP

2、IPESTRESSANALYSISSOFTWARE,ALOTSOFUSEROFFOREIGNANDHOMEOFGLIF,ASKFORMANYHARDQUESTIONSABOUTPIPESTRESSANALYSISANDPIPEDESIGN,WHICHCAN’TBEEXPLAINEDINDETAILORDEFINEDINTECHNICALCODE.WEVERIFY,RESEARCHANDPUTINORDERTHESEPROBLEMSHERE,INORDERTOSTUDYANDREFERENCEFORPEOPLEWH

3、OWORKATPIPESTRESSANALYSIS,PIPEDESIGNANDPIPEINSTALLATION.[关键词]管道应力分析管道设计管道施工安装[KEYWORDS]PIPESTRESSANALYSISPIPEDESIGNPIPEINSTALLATION1．管道应力分析的目的管道应力分析是动力管道设计必须进行的重要工作。管道应力分析对于管道的安全性、可靠性分析特别重要，同时还应考虑到经济适用性的问题。对于管道应力分析合格的计算结果，不能绝对地认为就是实际运行的精确结果，管道应力分析的最终目的是在管道运行寿

4、命周期内，在各种极端工况下，保证管道运行安全可靠。管道应力分析时，按照中国应力规范标准的要求，都考虑了一定的安全系数和可靠系数，留有一定的合理的裕量。在考虑安全可靠性的前提下，还应尽可能地使管道材质和材料量，达到经济合理，不至于造成较大的浪费。许多用户提出这样的问题和疑虑，国外管道应力分析软件和国内管道应力分析软件分析计算结果有较大差异。我们认为，管道应力分析的数学模型已经是一个经典的数学和力学计算方法，造成分析计算结果差异的原因，首先是各自考虑问题的边界条件不同、计算分析的方法有较大差异，相关的规程规范的安全可

5、靠性系数大小不一样；同时考虑管系是一个超静定结构，处理超静定问题的通常方法是力法或者位移法，将超静定问题转化为静定问题，才可求解。但是最终给出的结果都应该在工程设计安全可靠性允许的误差范围之内。这如同中医和西医给人治病一样，其考虑问题的方法和理论有差异，但最终的效果应该是一致的，可以戏称GLIF是中医方法和理论。2．管道应力分析的原理和计算方法GLIF的计算方法是基于有限单元法。有限单元法是有限元的概念在管系杆件结构上的一种应用，把管系离散为有限个直单元、弯单元，单元与单元之间的连接节点，认为刚性铰接，力和变形通

6、过节点传递。整个管系的受力、变形和内力的分布，就可以由各节点的受力、变形（节点位移）及内力（节点力）体现出来。有限单元法优于其他计算方法的特点在于，它不但能够计算树状分支的管系，同时还能够计算环状闭合的管系。进行应力分析，需要求解管系中的最大应力及其作用点。而最大应力的作用点一般不在节点上，应力的分布是非线性的，在解得管系各单元节点力之后，还应对每一单元按一定步长逐点求解其单元内点应力，直单元步长取长度，弯单元取弧度。最后，就可以得出管系单元节点应力与单元内点应力中，最大的应力及其作用点，从而可以分析其应力状态的

7、安全程度。3．管道应力的基本概念一次应力：管道承受内压和持续外载（包括管道自身重力荷载、支吊架约束反力等）产生的应力。一次应力是非自限性的，超过某一限度，将使管道整体变形直至破坏。因此，为了保证管系安全可靠性，使管道材质不发生屈服，许用应力范围留有一定的适当的裕量，以防止管道发生过度的塑性变形，而导致管道失效或破坏。二次应力：管道由于热胀或者冷缩变形受到约束，产生的应力（热胀应力）。二次应力是有自限性的，在反复多次的交变应力作用下，使管道产生疲劳，直至破坏。为了保证管系安全可靠性，在考虑许用应力允许范围的同时，还

8、应该控制限定管道在运行寿命周期内一定的交变循环次数。峰值应力：管道实际运行时，无论是从冷态启机到热态运行，还是从运行热态到停机冷态，都受到内压或者持续外载作用下的一次应力，以及受到由热胀冷缩及管道受位移约束而产生的二次应力，也就是说管道处于一次应力与二次应力同时作用下的叠加应力，我们称之为峰值应力。随着管道运行工况的变化，峰值应力随之变化起伏。峰值应力的变化有一定的应力范