分类管道应力特征

管道内的应力,根据作用的不同性质可分为:一次应力、二次应力和峰值应力三大类。

1.一次应力

一次应力是指由管道的内压、自重和其他外载荷产生的应力,一次应力又可以分为一次薄膜应力和一次弯曲应力。

图5-8　弯曲应力沿管道壁厚的分布

一次薄膜应力是指由管道的内压、自重和其他外载荷产生的拉伸应力和剪切应力。一次薄膜应力的特点是:应力值均匀分布在管壁上,且管道内的应力值取决于管道承受的压力、重量和外载荷的大小,当管道内的一次薄膜应力值超过管道材料的屈服极限时,管道材料将发生塑性变形,而一次薄膜应力值保持不变,不随管材的塑性变形增加而减小,直至管道破坏。因此,为保证管道的安全,一般工程上规定:管道内的一次薄膜应力值不能超过管道材料在操作温度下的许用应力。

一次弯曲应力是指由管道的自重和其他外载荷产生的弯曲应力和由扭矩产生的剪切应力。一次弯曲应力的特点是:弯曲应力在管道的截面上是按直线分布的,如图5-8所示。

截面的一侧为拉应力,另一侧为压应力,在管道的外壁处,弯曲应力最大,通过中心的中心轴的应力为零。当管道外壁处的弯曲应力大于管道材料的屈服极限而发生塑性变形时,在管道的中心轴附近管道仍处于弹性状态,仍可继续承受载荷,并且使应力重新分布。因此,与一次薄膜应力相比,允许有较高的许用应力值。但在工程上为安全起见,在管道的常规应力计算中仍规定一次弯曲应力不能够超过管道材料在操作温度下的许用应力。当管道采用ANSYS或其他有限元软件进行详细的分析设计评定时,一次弯曲应力可以取管道材料在操作温度下的许用应力的1.5倍。

管道的一次应力大小是衡量管道是否安全的标准之一,在安装条件、内压、温度和外载荷不变的条件下,管道内的一次应力是不变的。因此,工程上规定:管道内的一次应力,不管是一次薄膜应力还是一次弯曲应力,或是一次薄膜应力和一次弯曲应力的合成,如果不超过管道材料在操作温度下的许用应力,则管道被认为是安全的。(www.xing528.com)

2.二次应力

二次应力是指由于管道变形受到约束而产生的应力。在工程上,管道的二次应力主要是指由管道热膨胀受阻、设备端点位移及沉降等产生的应力。如图5-9所示,考虑ab段管线受热膨胀,如果不考虑bc段管道对其的影响,则管道端点b点自由膨胀至b1点;但是实际上在ab段管道膨胀时,由于bc段管道的变形会对ab段管道上产生附加的反作用力,而此反作用力又限制了ab段管道的热膨胀,当bc段管道变形产生的力和ab段管道热膨胀受阻产生的力平衡时,管道达到平衡不再变形,此时b点膨胀至b2点。而在ab段管道内产生的应力就是二次应力。

图5-9　管道受热变形示意图

与一次应力相比较,二次应力最大的特点就是具有自限性。即管道热膨胀反力产生的二次应力值达到管道的屈服强度时,管道局部屈服产生塑性变形,当热膨胀反力再增加时,管道的塑性变形增大而管线的应力则保持不变。对于塑性良好的材料,一次热胀冷缩即使产生较大的变形也不会破坏,只有在多次交变的情况下,才会引起管道的疲劳破坏。所以与管道内的一次应力相比较,二次应力可以有较大的许用值。

3.峰值应力

峰值应力是管道或附件由于局部结构不连续或局部热效应附加到一次应力和二次应力的增量。如三通转弯的小半径圆角处的应力集中,未磨平焊缝处的应力集中,虾米弯头处的应力集中等,峰值应力的特点是分布区域小,不会产生显著的变形,在短距离内可以衰减。

在管道的常规设计中,一般不对峰值应力作特别的评定,主要在结构设计中加以避免。