工业管道应力分析

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1、工业管道应力分析一．为什么要进行管道应力分析1.什么是应力？通常讲：物体内某一点的应力是指物体内该点单位面积上的内力。按应力对管道的破坏作用，可分为：一次应力（primarystress），二次应力（secondstress），峰值应力（peakstress）。一次应力指由于外加荷载，如：压力或重力等的作用产生的应力。其特征为：一次应力满足和外加荷载的平衡关系，随外加荷载的增加而增加，且无自限性，当其值超过材料的屈服极限时，管道将产生塑性变形而破坏。因此在管子的应力分析中，首先应使用一次应力满足许用应力值。二次应力：由于变形受到约束所产生的正应力或剪应力，它本身不直接与外力

2、相平衡。二次应力的特征：（1）管道内二次应力通常由位移荷载引起的（如热胀冷缩、附加位移、安装误差、振动荷载等）。（2）二次应力是自限性的，当局部屈服和产生少量塑性变形时，通过变形协调就能使应力降低下来。（3）二次应力是周期性的。（4）二次应力的许用极限取决于交变的应力范围和交变的循环次数。峰值应力是由于荷载，结构形状的局部突变而引起的局部应力集中地最高应力值。工程上一般采用应力集中系数进行简化求解。2.管道应力分析的目的保证装置运行的安全性管道布置不合理，将会使整个装置运行存在安全隐患，例如：由于管道热应力而导致管架被推坏，设备管口被撕裂或被顶坏，弯头，三通外裂缝，以及法兰

3、泄露的现象，如果管子固有频率与震源的频率相同，则整个装置系统会发生共振。如压缩机的震动，大型水泵的震动等。问大家一个问题，管子的固有频率是高好？还是低好？管系发生共振的条件是压缩机或往复泵的激振频率与管系的固有频率相同或接近。29β-放大因子，ω0----固有频率（角频），ω1----激振频率（角频）。通常的ω0应避开0.8ω1~1.2ω1的区域，设计时最好控制ω0在1.5ω1以上。压缩机的激振频率：ω=n/60×缸数×单（双）作用（1/s），式中n---压缩机转数，r/min。往复泵作用于管道的激振力主频ff=nNP/60n---气缸作用方式，N---泵转数r/min，P

4、---柱塞数泵选定后其转速，作用方式，柱塞数随之后确定。举例：一台水泵选用单缸单作用柱塞泵，泵转速180r/min，求泵的激振力主频率f解：f=nNP/60n=1，P=1，N=180f=1×180×1/60=3HZ.管系的固有频率管系的固有频率与系统的刚度有直接关系，刚度越大，固有频率越高。影响管系刚度的因素，主要有管道走向，管径、壁厚和管道支撑状况。减少弯头个数，增大管径和壁厚，增设支架都将使管子刚度增大。在保证管系具有足够刚度的同时，还必须保证管系满足有关热应力的限制，在管道温度较高时应特别加以注意：对于复杂管系，固有频率分析一般应使用计算机程序来完成。对于简单的管子，

5、对固有频率的计算必须细分单元，一般情况下，单元长度不应大于管道的公称直径的10倍，简支管子的固有振动频率可按下列公式近似求出。Fn=使用时应注意单位：E-弹性模数，kg/cm2；W-管子的总重量（包括保温，液重），kg；I-截面的惯性矩，cm4I=(-)cm4l-管架间距，cm29值基本振型二次振型举例：一台水泵，泵的激振主频率f=3HZ，与它相连的管系如图所示，管道内径100，外径108，设备口管内介质为水（常温），管子不保温，管子为20钢。求该管子是否发生共振？29解：求管系的固有频率，可分为1、2、3三段。E=203KN/mm2=Kg/cm2I=(-)cm4=(-)c

6、m4=177cm2W=18.13Kg/cm2×2=36.26KgW=18.13Kg/cm2×3=54.39KgW=18.13Kg/cm2×2=36.26Kgf=1=7.7×=86.5HZf=2=49.4×=24.7HZf=f=86.5HZ每一段的固有频率均远大于水泵的主频3HZ，故不会发生共振。增加管子自身刚度的几种方法：(1)增加管道的直径；(2)增加管道壁厚；(3)在不增加管道直径和壁厚的前提上增加轴向肋（4）管道起拱，此类形式主要用于长输管道和市政管道，工业管道很少采用。29二、管道的静应力分析构成管子的三大主要要素：设备、管道和支架、我们分别讨论一下，这三个主要要素

7、是如何影响管道应力的。1.设备我们设计中常用到的设备有哪些？(1)管道的端点热位移由于管道的两端多与设备连接，而设备因热膨胀或基础下沉产生位移，这时管道的补偿是应包括热膨胀量和端点位移。设备可以看做是较粗的管子，其热膨胀量的计算方法和管道相同。x=L-设备或管道的计算长度，mt-操作温度℃t0-安装温度，一般取20℃，也可根据安装条件进行修正-线膨胀系数1m长设备或管道每升高1℃的平均线膨胀量，mm/m.℃常用线膨胀系数估算碳钢200℃以下，可取0.012；200℃以上，可取0.013；奥氏体不锈钢250℃以下可取