压力管道应力分析
压力管道应力分析
压力管道应力分析压力管道是工业生产和生活中常见的工程结构，广泛用于输送水、油、气等介质。
管道内部由于介质压力的作用而产生应力，这些应力的分析对于管道的设计和使用安全至关重要。
本文将从压力管道的应力计算方法、应力分布特点以及应力分析的影响因素等方面进行探讨。
压力管道的应力计算方法主要有两种，即薄壁理论和薄壁理论的改进方法。
薄壁理论是指在管道内径与壁厚比较大的情况下，将管道近似看作薄壁圆筒，应力集中在内径和外径处，通过简化计算得出管道内壁和外壁的应力分布。
该方法适用于绝大部分工程中的压力管道计算。
薄壁理论的改进方法包括厚壁筒薄壁环假设、都笑横断面假设等，通过考虑管道截面的几何形状以及内外径比等因素，提高了应力计算的准确性。
压力管道的应力分布特点主要有三个方面，即轴向应力、周向应力和切向应力。
轴向应力指的是管道轴线方向上的应力，主要由管道内压力和温度差引起。
周向应力指的是管道截面圆周方向上的应力，主要由内压力引起。
切向应力指的是管道截面切线方向上的应力，主要由内压力和薄壁理论简化计算引起。
在传统理论中，管道的轴向应力和周向应力一般为正值，而切向应力为零。
压力管道的应力分析受到多个因素的影响。
首先是管道的材料特性，包括材料的弹性模量、屈服强度、塑性延伸率等。
管道的材料特性直接决定了管道的耐压能力和变形能力。
其次是管道的几何形状，包括内径、外径、壁厚等。
几何形状的不同会导致管道内外径比和界面摩擦等因素的改变，进而影响应力分布。
再次是管道的工作条件，包括温度、压力等。
不同工作条件下管道内部介质的物理性质会发生变化，进而影响管道的应力分布。
最后是管道的固定和支撑方式。
固定和支撑方式的不同会引起管道的应力集中，影响管道的安全性。
为了保证压力管道的正常运行和安全性，需要进行应力分析以及补强设计。
应力分析主要通过有限元分析和解析方法进行。
有限元分析是一种常用的计算机辅助工程分析方法，通过将管道模型离散化为有限个单元，计算每个单元的应力和变形，进而得到整个管道应力分布的方法。
压力管道的弯管与直管连接结构应力分析
压力管道的弯管与直管连接结构应力分析1. 引言1.1 研究背景压力管道是工业生产中常见的管道类型，用于输送各种介质，承载着重要的工程任务。
在压力管道系统中，弯管与直管连接结构是十分关键的部件。
弯管与直管连接结构的设计合理与否直接影响着整个管道系统的安全性和稳定性。
针对弯管与直管连接结构的应力分析，一直是工程领域中的研究热点，相关研究也逐渐深入。
对于弯管与直管连接结构的应力分析，旨在探究在压力管道系统中，当弯管与直管相连接时，结构所受力的变化规律和应力分布情况，从而为工程实践提供理论依据。
1.2 研究目的研究目的是为了深入探讨压力管道的弯管与直管连接结构的应力特性，进一步揭示该结构在实际工程中的应力分布规律和受力特点，为设计和使用提供科学依据。
通过对弯管与直管连接结构的应力分析，可以评估该结构在不同工况下的受力情况，为工程实践中的应用提供重要参考。
研究弯管与直管连接结构的应力分布，有助于提高该结构的设计性能和安全性，减少事故风险，保障工程的可靠运行。
本研究旨在全面分析弯管与直管连接结构的应力状态，揭示其受力机制，为相关工程领域提供理论支撑和实用指导。
通过这一研究，可以更好地了解压力管道系统中弯管与直管连接结构的受力特点，为工程实践提供科学依据，并为相关领域的工程师和研究人员提供参考和借鉴。
1.3 研究意义压力管道是工业生产中常用的管道设备，承载着高压流体的传输任务。
压力管道的连接结构是管道系统中至关重要的组成部分，直管与弯管的连接结构更是连接处的重要组成部分。
对于压力管道的弯管与直管连接结构应力分析，具有重要的研究意义。
深入研究压力管道的弯管与直管连接结构的应力分析，可以为工程设计提供重要的参考依据，保证管道系统的安全运行。
通过对弯管与直管连接结构的应力分布进行分析，可以揭示连接处存在的应力集中部位，为进一步强化设计提供技术支持。
了解弯管与直管连接结构的受力特点，可以为管道系统的优化设计和改进提供理论指导。
压力管道应力分析基础理论
管道规范将S1-S3定义为“Stress Intensity”，他必 须小于材料的屈服极限
注：规范应力则是在S1-S3的基础上加入一些修正系 数
AECsoft
2019/11/14
规范公式与理论的关联
主应力永远按照大小排序，即S1＞S2 ＞ S3； SH（环向应力）通常是正值，规范要求使用SH来评定最小壁厚 径向应力为0，假设这里是第三主应力S3； 轴向应力SL，假设是正值，则在拉伸情况下，第一主应力是外
载荷产生的轴向应力分量及内压在轴向上的应力分量之和； 如果SL是负值，那么SL为第三主应力而SH为第一主应力。这
将产生一个更大的应力强度（SH-SL）。这种情况通常出现在 埋地管道的受压段当中。
AECsoft
2019/11/14
规范公式与理论的关联
因此，规范通常使用环向应力来校核壁厚，而将轴向应力用 于评定由持续性荷载引起的应力，我们称之为一次应力（ Primary Stress）
剪应力理论的形式更为简单，结果更为保守。
AECsoft
2019/11/14
强度理论
管道应力分析程序通常计算应力强度（不同于规范 应力，以“Stress Intensity”表示）
CAESARII按照Tresca或Mises屈服条件来计算应力 强度，用户可以在配置菜单下选取；
规范默认使用Tresca——最大剪应力理论来进行计 算；
往复压缩机（泵）管道气（液）柱固有频率分析-----防止气 （液）柱共振； 往复压缩机（泵）管道压力脉动分析-----控制压力脉动值； 管道固有频率分析-----防止管道系统共振； 管道强迫振动响应分析-----控制管道振动及应力； 冲击荷载作用下管道应力分析-----防止管道振动和应力过大； 管道地震分析-----防止管道地震力过大。
压力管道应力分析的内容及特点
压力管道应力分析的内容及特点关键词：压力管道；应力分析；内容特点引言：如今工业中对于压力管道的需求量在不断增加，并且如今大量的工业运输以及承载都需要用到工业管道来作为支撑。
这类管道的应用同样能够为整体工业作业提供重要的保障和保护，同时还能够提升整体工程的有效性和安全性。
但是压力管道想要良好进行工作就必须对其进行外界温度、压力以及湿度等一系列因素的考验，只有通过这些考验以及能够承受住足够压力的管道才能够投入到实际使用中。
一、管道应力分析（一）一次应力在管道应力进行分析的过程中，一次应力通常指的是一些外界因素所带来的负荷以及负载，其中包括了管道所承受的重力、内压以及风载等一系列因素产生的剪应力以及正应力。
这两种应力通常会因为其自身的特点以及特性导致了容易与外加负载形成平衡关系，但是达成了平衡关系之后外加应力并不会取消或者停止，反而还会继续增加，若是外加应力逐渐增加并且达到了一个很大的值之后就会超过材料自身所拥有的屈服极限，管道就容易受到影响从而造成了破坏，管道总体也就随之出现了破坏。
相关工作人员应当能够对一次应力进行良好的控制，在进行管道设计时就应当提前给应力留出足够的预留空间，通过这样的方式来帮助整体管道不会出现过度塑性而造成的破坏或者失效。
同时，一次应力的校核也应当结合具体的弹性分析以及极限分析等一系列要求进行处理，通过处理之后才能够准确地对一次应力进行计算，从而将其进行控制。
如图1所示。
图1一次应力受力变形曲线（二）二次应力二次应力相比较于一次应力来说会更加直接，这类应力通常都是来自于对应的热胀冷缩或者其他位移受到约束而造成的剪应力和正应力，其自身具备一个无法和外力之间构成平衡关系的特点，因此其自身也就具备了非常明显的自限性特征[1]。
基本来说材料自身会因为材料以及质量从而具备对应的屈服值，若是二次应力导致了管道的荷载超过了这种屈服极限值之后就容易对管道局部造成变形一类的影响。
这时候相关人员应当对应力重新进行分布和规划，让材料应变能够达到自均衡的要求。
压力管道局部应力分析
I.
采用有限元法对特殊管件进行分析，得到应力集中系数；
II. 应力增大系数等于应力集中系数的一半。
应力增大系数应用的注意事项！
根据GB 50316、ASME B31.1和ASME B31.3的规定，计算二次应力时应 采用应力增大系数。这是由于采用应力增大系数的目的，是考虑局部应力 集中的影响，而局部应力集中主要对管件的疲劳破坏产生作用。因为局部 的高应力循环，将使材料产生裂纹并不断扩展，最终导致破坏。校核二次 应力的目的正是为了防止疲劳破坏，因此在计算二次应力时必须考虑应力 集中的影响，应该采用应力增大系数。另外，根据ASME B31.3的标准释 义，计算一次应力可不考虑应力增大系数。这主要是因为校核一次应力是 为了控制管道的整体破坏，局部的应力集中对管道的整体破坏影响不大。 另外一次应力采用弹性分析方法，认为某一点达到屈服管道失效，已经非 常保守，如果在考虑应力集中的影响将导致过分保守。
l 为了能够表示出WRC107、297计算的误差，使用有 限元分析软件(NozzlePro/FEpipe)来进行对比计算。
l 有限元法严格按照理论分析方法，结合ASME Ⅷ-2 中的应力分类来对特定结构进行应力计算，当满足 理想化假设条件时，其结果与真实应力十分接近， 并且有限元分析法不受任何几何条件的限制，计算 精度与网格划分的疏密程度相关。
可以提高至0.6
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压力管道局部应力分析
WRC107应用范围及限制条件
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压力管道局部应力分析
WRC107应用范围及限制条件
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压力管道局部应力分析
WRC297应用范围及限制条件
l WRC297继承了WRC107的一些限制条件，另外，当连接区 域的接管壁厚小于补强壁厚时，其局部应力计算值可能过于 保守
压力管道应力动态分析理论
02 压力管道应力动态分析理 论基础
材料力学基础
材料力学是研究材料在各种力和力矩 作用下的应力和应变行为的科学。它 为压力管道应力动态分析提供了基本 原理和计算方法，包括材料的弹性模 量、泊松比、剪切模量等参数的确定。
VS
材料力学还涉及到材料的强度理论， 例如最大剪应力理论、最大伸长线应 变理论和能量理论等，这些理论为压 力管道的强度设计和校核提供了依据。
意义
通过应力分析，可以优化管道设计，降低制造成本，提高设备运行效率，保障人员和财产安全。
应力分析的方法和步骤
方法
常用的应力分析方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等数值分析方法，以及基于力学理论的解 析法。
步骤
应力分析通常包括前处理、求解和后处理三个步骤。前处理阶段涉及建立模型、设定边界条件和载荷 等；求解阶段通过数值方法计算管道应力；后处理阶段则是对计算结果进行评估和优化。
04 压力管道应力动态分析理 论与其他理论的关联
与流体力学理论的关联
流体力学理论在压力管道应力动态分析中起 着重要作用，特别是在流体流动和压力分布 的计算方面。流体的动力学和热力学性质对 管道中的应力分布和疲劳寿命有显著影响。
压力管道中的流体流动可能导致管道产生振 动和应力集中，这些因素进一步影响管道的 稳定性和安全性。流体力学理论提供了流体 动力学和热力学的基本原理，有助于预测和
压力管道应力分析的未来发展方向
方向1
随着数值计算技术和计算机技术的不断发展，未来应力分析将更加精确和高效，能够更 好地模拟管道的实际运行工况。
方向2
随着新材料和新工艺的不断涌现，未来管道材料的性能将更加优异，能够满足更高压力 和温度的要求。
方向3
随着智能化和远程监控技术的发展，未来管道应力分析将更加智能化和远程化，能够实 现实时监测和预警，提高管道运行的安全性和可靠性。
压力钢管安全鉴定的应力分析与强度计算
压力钢管安全鉴定的应力分析与强度计算压力钢管作为一种用于输送气体或液体的重要管道设备，其安全鉴定对于保障工业生产和人员安全至关重要。
在进行安全鉴定时，应力分析和强度计算是必不可少的步骤。
本文将针对压力钢管的应力分析和强度计算进行探讨。
一、应力分析1.1 弹性应力分析弹性应力分析通过对压力钢管所受力的计算，确定其在工作条件下的应力状态。
弹性应力可以分为轴向应力、周向应力和切向应力。
轴向应力是指压力钢管在管轴方向上受到的拉伸或压缩作用产生的应力。
其计算公式为：σz = (P * D) / (2 * t)其中，σz表示轴向应力，P表示管内的压力，D表示管道的直径，t 表示管壁的厚度。
周向应力是指在管壁厚度方向上产生的应力。
其计算公式为：σθ = (P * D) / (4 * t)切向应力是指在周向应力方向上的切应力。
其计算公式为：τ = (P * D) / (2 * t)1.2 塑性应力分析当压力钢管的应力超过弹性极限时，塑性应力开始发挥作用。
塑性应力分析需要考虑材料的屈服强度、变形硬化指数等因素。
塑性应力的计算涉及到材料的本构关系，常用的本构关系有屈服准则、应变硬化准则等。
根据材料的特性和具体情况，可以选取适合的本构关系进行计算。
二、强度计算2.1 材料的强度计算压力钢管的强度计算主要涉及材料的屈服强度和破坏强度。
屈服强度是指在材料屈服时承受的最大应力，破坏强度是指材料在极限状态下承受的最大应力。
通常采用屈服准则或破坏准则进行强度计算。
常用的屈服准则有von Mises准则、Tresca准则等，常用的破坏准则有最大应力准则、最大应变准则等。
2.2 结构的强度计算压力钢管的结构强度计算需要考虑管道本身的结构特点和外部载荷等因素。
常用的计算方法有弹性理论法、有限元法等。
弹性理论法是一种简化的计算方法，适用于结构相对简单、载荷较小的情况。
有限元法是一种更为精确的计算方法，可以考虑更复杂的结构和不同的载荷条件。
压力管道应力分析
压力管道应力分析引言压力管道作为输送流体的重要管线，承受的压力和温度都是极高的。
这样就会导致管道中的应力和变形问题，从而产生一定的安全隐患。
因此，对于压力管道的应力分析就显得尤为重要。
压力管道的应力压力管道在运行过程中，会受到各种力的作用，如内压、重力、支架反力、温度等，这些力作用在管道上，就会造成管道内部的应力，如轴向应力、周向应力、径向应力等。
•轴向应力轴向应力是指管道轴向方向的应力，通常是指由流体作用产生的内压力和拉力两部分的影响。
在管道内部，如果内压力太大，轴向应力就会增大，会导致管道的卡铁暴力现象。
•周向应力周向应力是指管道周向方向的应力，主要受到流体和温度两个因素的影响。
当管道内部温度升高，周向应力也会随之升高，如果超过极限值，就可能导致管道的破裂。
•径向应力径向应力是指与管道中心轴线垂直方向的应力，通常是由于弯曲、扭转等变形所引起的。
如果弯曲半径过小或者存在缺陷，就会导致径向应力过大，从而容易引起管道的破裂。
压力管道应力分析压力管道应力分析是针对管道内各种应力进行综合分析的过程。
在分析的过程中，通常需要采用有限元分析等方法，通过建立合适的数学模型和计算，得出管道内部的应力情况和强度，并评估管道是否存在危险的可能性。
在进行应力分析时，一般需要考虑以下几个方面。
1. 材料力学性能材料力学性能直接影响管道的使用寿命和安全性。
因此，对于材料的强度、韧性、塑性等性能参数，都需要进行准确的测定和分析。
常见的材料包括石墨、钢铁、铝合金等。
2. 工况分析针对不同的工况，管道所受的力也会不同。
因此，在进行应力分析之前，需要准确确定工况参数，如内压、外界温度等，以便进行有针对性的分析。
3. 有限元分析有限元分析是应用计算机模拟技术，将管道模型分割成有限个小模型，通过对小模型的计算和组合，分析管道内部的应力和强度分布。
这种方法可以更直观地了解管道内部应力的变化情况，有效评估管道的安全性和强度。
压力管道应力分析是管道设计和使用过程中必不可少的环节。
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压力管道应力分析
压力管道的载荷和应力分类
❖ 载荷的定义 ▪ 凡是引起结构产生变形的条件称为载荷
❖ 载荷的分类 1、具有不同特征的载荷产生的应力状态，对破坏的影响不同
2、对载荷分类可以方便研究不同载荷对结构失效的影响
▪按载荷作用的时间长短分类
❖ 恒载荷 持续作用于管道的载荷，如介质压力、支吊架反力、管道自重、热膨胀受约束产生的热负荷、应变 自均衡产生的自拉力、残余应力等
管道计算时主要考虑的静力载荷
❖ 介质压力也称压力载荷
❖ 持续外载（或机械载荷） 管道自重、支吊架反力和其它外载
❖ 位移载荷（或热负荷） 热胀冷缩和端点附加位移
❖ 应力分类 由于载荷性质不同，产生的应力性质也不同，它们对管道的破坏贡献不同。
分类如下：
一次应力（P） 一次应力是由于外载荷作用而在管道内部产生的正应力或剪应力，它满足与外力平衡的条件。它 的特征是非自限性的，始终随外载荷的增加而增加，最终达到破坏。由于载荷性质不同，在管道 内产生的应力分布也不同，一次应力又分为：
❖ 极限载荷法 认为结构达到极限状态后，不能再进一步承受附加载荷，由此来规定结构的许 用应力值的设计方法
❖ 安定性 结构在载荷（包括热负荷）反复变化的过程中，不再发生塑性变形的连续循环 ❖ 安定性准则 由于塑性材料具有二次应力的局部性和自限性，控制结构在运行中不发生疲劳破坏，使结构保 持安定，而限定二次应力范围的方法
❖一次总体薄膜应力（Pm） 它是管道的基本应力，分布在整个管道上，在管道的截面上是均匀分布的。如内压力引起的管
道环向应力和轴向应力
❖一次弯曲应力（Pb） ❖ 这个应力在管道的很大区域内分布，在管道截面上的分布是沿厚度变化的，呈线性分布。这种应 力达到屈服时，只是局部屈服，如果继续加载，应力在管道截面上的分布重新调整，允许比一次总 体薄膜应力具有较高的许用应力。
如由于管道的自重和机械载荷引起管道的弯曲变形产生的弯曲应力等
❖一次局部薄膜应力（Pl） 由于压力或机械载荷引起的分布在局部范围内的薄膜应力。这种应力达到屈服时，由于材料的
塑性变形，也只引起局部屈服，周围仍受到弹性材料的约束，允许在局部区域内产生屈服。如管道 支架处或管道接管连接处产生的应力
二次应力（Q） 由于管道变形受约束而产生的正应力或剪应力，它本身不直接与外载荷相平衡。
▪按载荷的作用性质分类
❖
自限性载荷（属静力载荷）
由于管道结构变形受约束所产生的载荷，不直接与外部载荷平衡，当管道材料塑性较好时，
其最大值限定在一定范围内，不会无限制增大的载荷。
如管道温度变化产生的热载荷；结构曲率发生突变处附近的边缘应力等
❖
非自限性载荷（属静力载荷）
直接由外部作用的外力载荷。如介质压力、管道自重等
峰值应力 由于载荷、结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的最高应力值。它的特征是整个结
构不产生任何显著的变形，它是疲劳破坏和脆性断裂的可能根源。如管道中小的转弯半径处、 焊缝咬边处等
❖
一般压力管道应力许用值的限定
▪ 几个概念
❖ 极限状态 当结构元件的某个截面上，达到整个截面发生屈服时的状态
❖ 极限载荷 对应极限状态时施加在结构上的载荷
❖ 100%无损探伤，φ=0.9；
❖ 局部无损探伤，φ=0.8。
压力管道的强度计算
❖
参数确定
▪
壁厚附加量C=C1+C2
无缝直管壁厚负偏差C1按下式计算：
普通钢管厚度负偏差α值
C1 100 S1
钢管种类
壁厚（mm）
碳素钢和低合金钢 不锈钢
≤20 ＞20
≤10 ＞10～20
普通
负偏差α%
高级
15
易燃性、腐蚀性和渗透性）选定管子材料，然后查该管材在设计温度下的许用应力
值
压力管道的强度计算
❖
参数确定
▪ 焊缝系数φ
❖ 无缝管φ=1.0;
❖ 单面焊接的螺旋线钢管φ=0.6;
❖ 纵缝焊接钢管：
▪ 双面焊的全焊透对接焊缝：
❖ 100%无损探伤，φ=1.0；
❖ 局部无损探伤，φ=0.85。
▪ 单面焊的对接焊缝，沿焊缝根部全长具有垫板：
❖ 直管壁厚计算式 由最大剪应力理论可得管子的壁厚计算式：
▪ 按外径计算：
▪ 按内径计算：
PDw
S 2 • P 考虑管子制造负偏差和腐蚀裕1 量，工程上t的管子壁厚计算式为
S1
2
PDn
t •
P
S j S1 C
❖
参数确定
▪ 设计压力P 取设计压力≥最高工作压力
▪ 材料的许用应力[σ]t 首先根据输送介质的操作条件（如压力、温度）及其在该条件下的介质特性（毒 Nhomakorabea、❖
一般压力管道应力许用值的限定
▪ 一次应力的限定
❖ 内压作用下
❖ 内压轴向力和持续外载作用下
❖ 二次应力的限定 ▪ 一次应力加二次应力 e
t
▪ 单独二次应力
zhl r t
▪当
时，单独计算二次1应.2力5时f t
式中：f 修正系数，交f 变1次.2数5N<7000次0时.2，5f=1.0t，N≥7000次时,f=0.9
12.5
12.5
10
15
12.5
20
15
压力管道的强度计算
❖
参数确定
▪
壁厚附加量C=C1+C2
❖ 活载荷 临时作用于管道上的载荷，如风载荷、地震载荷等
▪按载荷是否随时间变化分类
❖ 静力载荷 缓慢、无振动地加到管道上的载荷，大小和位置均与时间无关，或极为缓慢地变化，惯性力很小可 略去不计的载荷。
❖ 动力载荷 随时间迅速变化的载荷，使管道产生显著的运动，必须考虑惯性力的影响。如管道的振动、阀门突 然关闭时的压力冲击、地震等
zhl t
f 1.25 t zhl
压力管道的强度计算
❖ 承受内压管子的应力分析
上力算面分式的布计算式（（La分p2mD别Sen公为式：）环的向平应z均力值、4。轴SL向ap应DmDe力n公n2、式径S是向承应受力均）匀三分r 个布表内达压2式p圆是筒承的受精内确压应圆力筒计应
, z , r