管道应力分析方法探讨

管道内的应力计算,是指建立在弹性理论基础上,采用结构力学中超静定结构计算中的力法和位移法进行计算。对于简单的管系,可采用人工计算,而对于复杂的管道系统或是需要详细计算的管道系统,则需借助计算机进行计算。

管道应力计算的方法一般分为经验判断法、简单分析法和详细分析法三种。其中前两种方法可以通过简单计算完成,而详细分析法则需借助计算机和特定的计算软件完成。

1.经验判断法

(1)与运行良好的管道相比较,其管道形状、尺寸、操作条件均基本相当的管道。

(2)与已分析的管道相比较,确认有足够柔性的管道。

2.简单分析法

ASMEB31.3—2004中提到:对于具有统一的尺寸、不多于两个固定点、无中间约束的简单管道系统(如L形管系、空间Z形管系等),如果满足式(5-20),则认为该管道系统是安全的。

式中 D——管道外径,mm;

δ——管道系统内由热膨胀产生的总位移,δ=,mm;

U——管道系统两固定点的直线距离,m;

L——管道系统在两固定点间的展开长度,m;

K1——K1=208000[σ]A/Ea,mm2/m2;

[σ]A——许用的位移应力范围,详见式(5-24),MPa;

Ea——常温下的金属材料弹性模量,MPa。

对于式(5-20),ASMEB31.3—2004特别注释指出该公式为一经验公式,无法提供全面的证据来说明这个公式会得出准确或一贯保守的结果,且该公式不适用于下列管道系统。

(1)在剧烈循环条件下运行,有疲劳危险的管道。

(2)大直径薄壁管道。

(3)端点附加位移量占总位移量大部分的管道。

(4)L/U＞2.5的不等腿U形弯管管道,或近似直线的锯齿形管道。

【例】 如图5-12所示的管道,公称直径150mm,材质为20#管,设计温度325℃,管口A 01下降5mm,并在x向位移4mm;管口A-02上升4mm,并在z向位移2mm。试判断其可靠性。

图5－12　管道走向示意图

【解】 (1)选定如图5-12所示的坐标及A-01和A-02两端。

(2)管系两固定点间的展开长度为(www.xing528.com)

L=3+5+6=14(m)

(3)管系两固定点间的直线距离为

(4)计算端点位移Δx1、Δy1、Δz1:

Δx1=0-4=-4(mm),Δy1=4-(-5)=9(mm),Δz1=2-0=2(mm)

(5)计算A-02放松后由于热膨胀引起的A-02端位移值Δx2、Δy2、Δz2

由GB/T20801表B.1查得20#钢在325℃时的单位膨胀量为4mm/m。

Δx2=4×3=12(mm),Δy2=4×(-5)=-20(mm),Δz2=4×(-6)=-24(mm)

(6)总变形量δ为

(7)计算右端项

根据式(5-24)计算[σ]A:

由GB/T20801表B.3查得20#钢在常温下的弹性模量Ea=2.03×105 MPa;

由GB/T20801表A.1查得20#钢在20℃的冷态许用应力[σ]c=137MPa;在325℃的热态许用应力为[σ]h=119MPa;

f取1。

(8)利用式(5-20)进行核算

所以管道的柔性是可靠的。

3.详细分析法

详细分析法是指利用特定的管道应力分析软件,对管道系统进行详细的力、力矩和应力的计算。其计算的过程一般如下。

(1)准备应力计算轴测图,在应力计算轴测图上首先确定管道应力计算的坐标系,然后将管道系统按不同的特性分段(如在管道的弯头、三通、大小头、阀门、法兰、支吊架等处),每一段都用不同的节点编号加以区分。

(2)对每一段管道的参数进行输入,包括管道材料、管径、壁厚、温度、压力、弯头、三通,不同的支吊架约束形式等。

(3)进行计算。

(4)对计算结果进行分析。如符合规定要求,则输出计算结果;如不符合规定,应对管道系统进行调整(包括支吊架约束形式和管道走向的调整),然后重新分析,直到计算结果符合规定要求为止。

(5)准备应力计算报告,将计算结果返回给相关的专业。