压力管道局部应力分析[宣贯]
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。
关于压力管道的应力分析
关于压力管道的应力分析关于压力管道的应力分析【摘要】压力管道的应力问题在管道检验过程中都会涉及到的，由于压力管道应力的分析和计算过程都要求相对高的技术，这对于检验技术人员来说是很难完成的。
因此，本文着重对压力管道应力分析的内容、应力特征、应力分类以及校核准则进行了论述，以便于为分析人员提供了有效的理论依据。
【关键词】压力管道应力分析一次应力二次应力压力管道的应力影响着压力管道在安装后的安全使用，所以进行应力分析是很有必要的，压力管道应力分析的内容相对较多，主要体现在以下几个方面。
2 压力管道应力分析的特征压力管道在应力分析过程中还不够严谨，其中还存在着一些缺陷，其主要原因是因为压力管道应力由历史根源所造成的校核准则存在不足，但压力管道应力分析有着自身的特点，主要体现在以下几个方面：（1）在压力管道的应力分析之中，没有考虑管道的薄膜应力和局部弯曲应力，从而导致一次应力中没有对一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力进行细分；在一次应力校核准则中往往忽视了对一次弯曲应力和一次局部薄膜应力进行校核，而只对一次总体薄膜应力进行了校核。
（2）计算一次应力主要是为了避免管道在安装的时候承受不住压力而塌下来。
计算二次应力是为了防止管道在发生热变形之后是否会出现问题，通过二次应力计算管道是否发生偏移、移位，并防止并排管道所产生的相互影响。
（3）二次应力校核具有着自身的操作方式，最主要是针对其结构的安定性，只需满足结构安定性条件，就可以避免压力管道产生低周疲劳。
（4）一次应力校核主要是校核压力管道的纵向应力，其最主要的特点是不遵循剪应力理论，二次应力校核虽然遵循的是最大剪应力，但其计算应力过程中不会计算管道轴向立，只考虑管道弯矩和扭矩的作用。
3 压力管道的应力分类及校核准则压力管道与压力容器有所不同，对于不同的管道根据管道自身的特点都有着不同的校核准则，由于压力管道的应力分析主要侧重于对管系整体的分析，而压力容器的应力分析主要是对局部进行详细的分析，两者在应力分类的方法和校核准则上都存在着较大的差异。
压力管道应力分析
起的各种动载荷
3、不同性质的载荷对管道安全的影响有很 大差别 例如： （1）随着管内介质压力的增加，管壁的应 力水平会不断加大，直至破坏，这种状态称 为应力没有自限性。 （2）随着管内温度增加，由于有约束存在， 管壁的应力水平也会加大，但当达到一定程 度时，如材料屈服，由温差产生的应力会逐 渐降下来，这种性质成为应力具有自限性。
σe ： • σe f[1.25 ([σ] + [σ]t )-σzhl] • 其中：f为修正系数。（p33)
四、压力管道的强度计算
• 1、承受内压管子的强度分析
• 承受内压管子，管内任一点上的应力
• 状态可以用三个主应力来表示：
•
σ1 =σθ= PDn / 2te
•
σ2 =σz= PDn2 / [4te (Dn+te)]
• 强度条件为，最大当量应力不超过材料在 工作温度下的基本许用应力
•
σzhl ≤[σ]t
• 该公式的含义为：
• 当以环向应力作为最大应力进行强度设计 后，还应校核与环向应力垂直方向上的轴 向应力是否满足要求，因轴向应力复杂。
• （2）二次应力的强度条件
• 二次应力产生的破坏，是在反复加载 及冷热交换作用下引起的疲劳破坏，根据安 定性准则来规定其许用应力值，这是一个防 止结构反复发生正反方向屈服变形的准则。
• （2）应力分类
•
压力管道应力分类的依据是应力对
管道强度破坏所起作用的大小。
•
这种作用又取决于下列两个因素：
• A、应力产生的原因
• 即应力是外载荷直接产生的还是在变形 协调过程中产生的
• 外载荷是机械载荷还是热载荷；
压力管道局部应力分析[宣贯]
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DU
AU
BU
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AL
CU BL
DL CL
2020/8/7
WRC107
作用在壳壁上附属元件的外加基本载荷有： 压力P、拉力T、剪切力V、沿壳体轴向的弯
矩ML、沿壳体圆周方向作用的弯矩MC、作用 在附属元件上的扭矩MT。
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2020/8/7
WRC107
外载荷会首先在连接点造成一次局部膜应力； 弯矩可简化为大小相等、方向相反的力偶 ,而这个力偶则会
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2020/8/7
举例
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2020/8/7
输入参数
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2020/8/7
输入参数、计算
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2020/8/7
查看报告
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2020/8/7
局部应力计算的局限性
尽管WRC107、297及其他类似文献提供了局部应力 的算法 ,但是两者并非万能 ,他们存在一定的应用局 限性 ,在某些条件下计算结果与实际相差较大。
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2020/8/7
应力增大系数
规范对应力增大系数的考虑： B31.1
S SU S S1 0.7 5iM A / Z P d o / 4t S h
B31.3
S1 F A X / Am ii M i 2 io M o 2 1/ 2 / Z P d o / 4t S h
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2020/8/7
WRC297
与WRC107相同的 ,WRC297遵循 ASME Ⅷ-2中对 应力进行分类的原理 ,在外载荷及介质压力作用下 , 在局部四个点产生薄膜应力、弯曲应力、剪切应力 等。对于接管局部应力的计算 ,由于不考虑接管和筒 体连接处引发的应力集中 ,因此不计算附加峰值应力 。
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[知识荟萃]
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行业重点
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• （5）风力、地震产生的载荷 • （6）管道温度变化所产生的温差应力 • （7）管道安装所产生的约束力 • （8）设备的变形或位移在管道上产生的
附加载荷 • （9）此外，还有介质在管内的流动所引
起的各种动载荷
行业重点
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3、不同性质的载荷对管道安全的影响有很 大差别 例如： （1）随着管内介质压力的增加，管壁的应 力水平会不断加大，直至破坏，这种状态称 为应力没有自限性。 （2）随着管内温度增加，由于有约束存在， 管壁的应力水平也会加大，但当达到一定程 度时，如材料屈服，由温差产生的应力会逐 渐降下来，这种性质成为应力具有自限性。
的主应力有σθ 、σz 、σr 。
• 当管壁的厚度与管直径相比较小时，在半径
方向的挤压应力σr可以忽略不计，管壁内 只有两个方向的主应力，称为两向应力状态
或平面应力状态，反之，称为三向应力状态
或平面应力状态 行业重点
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• （2）薄壁管与厚壁管
• 当管道外径/内径1.2时，管道称为薄壁管， 应力分布为两向应力状态或平面应力状态。
• 如：风载荷在管壁产生的轴向弯曲应力。
行业重点
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• c．一次局部薄膜应力（Pl） • 一次局部薄膜应力是在结构不连续区由内压
或其他机械载荷产的薄膜应力和结构不连续 效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄膜应 力。
• 这种应力只引起局部屈服 如管子与设备的焊接处或法兰盘与管子的连 接处。
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• 1、材料的极限值
• 屈服极限σs、断裂极限σb、蠕变极限σD、 疲劳极限等σn
• 2、安全系数
•
ns =1.5 、 nb=3
• 3、许用应力
•
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。
压力管道应力分析的内容及典型的案例分析
压力管道应力分析的内容及典型的案例分析压力管道应力分析的内容及典型的案例分析摘要：压力管道应力的分析是压力管道设计的重要内容，随着压力管道应用越来越普及，对它的认识也越来越深入，压力管道的重要性也逐渐的凸显出来。
压力管道的应力作用直接关系到管道的正常使用和操作的安全。
本文主要对压力管道应力进行分析，阐述其基本内容，从而更好的掌握压力管道的相关工作内容，促进压力管道应力分析的标准化和规范化。
关键词：压力管道；应力分析；内容；事例引言在压力管道使用的过程中，常常会伴随着一系列的问题，如果得不到很好的解决会严重的影响压力管道正常的使用。
通过阐述管道应力分析内容为维护压力管道应力正常运行提供理论的依据。
经过案例分析进步了解一些压力管道应力分析的机理。
一、压力管道应力分析的内容压力管道应力的分析关系到压力管道安装后的使用情况，所以加强对压力管道应力分析，提高压力管道正常运行的重要依据。
压力管道应力分析的内容主要涉及到以下的几个方面：（一）分析管道系统的载荷来源。
管路系统的载荷主要分为一次应力载荷和二次应力载荷，一次应力载荷通常指管道系统正常生产时的内外压力作用、管道系统自身的重力、设备运行中的压力脉冲对管道系统的作用以及瞬间内承受的载荷（风力、地震，泵瞬时启动的压力载荷等）。
二次应力载荷通常是指管路运行时产生的热膨胀载荷、冷紧是产生的载荷、由于设备沉降产生的管道系统支点位移产生的载荷。
（二）静力分析通过对管路系统内压荷载和持续荷载作用下的一次应力分析计算、管道系统冷热膨胀位移产生的二次应力分析计算、管道系统与相关设备的相互作用及管口校核、管道系统的支吊架的受力分析、可以有效防止管道发生塑性变形、管道疲劳损坏，确保管道系统与设备的安全运行。
（三）动力分析管道系统设计应避免管道振动和管道共振，对振动管线特别是往复式压缩机、往复泵的相关管线要重点进行分析，主要包括管道内气（液）柱的频率分析，使其避开激振频率；压力脉冲不均匀度分析，控制压力脉动值；管道系统固有频。
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2020/8/7
设备专业的应用
压力容器在压力、温度、外部集中力、风载、地震……等载 荷作用下可能导致管口、支撑件与壳体局部连接处失效 ,这些 问题常规分析方法往往已不适用 ,应采用 WRC107/297/PD5500或有限元法来进行局部应力分析以确 保局部连接处在设备运行时安全可靠。
CAESAR II 局部应力分析
概述
局部应力分析贯穿于整个管道应力分析及压力容器 的设计分析工作当中。理解局部应力在管道及设备 当中的成因和影响 ,对分析设计工作至关重要。
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2020/8/7
概述
Part Ⅰ局部应力的应用 Part Ⅱ局部应力计算方法
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2020/8/7
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2020/8/7
应力增大系数
AECsoft
2020/8/7
弯头的应力增大系数
AECsoft
2020/8/7
三通的应力增大系数
应力增大系数的大小 与管件的直径、壁厚 、是否补强、弯曲半 径等因素有关。
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2020/8/7
管道系统中SIF的局限性
上述针对管道的应力增大系数的研究均是以梁单元 为模型进行实验得到的。换言之 ,上述SIF的计算公 式及软件的计算过程均针对D/t≤100 ,当D/t＞100时 , 管道进入薄壁系列 ,其局部失稳特性开始表现出来 , 此时再按照管道标准进行计算将引起误差。因此 ,应 用于大直径薄壁管、管道-设备连接点的局部应力分 析准则应运而生。
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。
和管件疲劳曲线表达式：
S直管 / 管件N n C
式中 S 直管 / 管件直管/管件中的循环应力幅 ,等于破坏点的弯矩幅值除以直管的抗弯的抗弯截面模
量； N ------ 达到破坏时的循环次数； C、n -------- 材料常数。
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2020/8/7
2、数值分析法
应用计算机程序进行详细的局部应力分析确定应力增大系数 ,有限元法是最为有 效的一种方法。一般步骤如下：
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2020/8/7
WRC107、297概述
WRC107及297——美国焊接研究委员会第107号公报及其增 补297公报 ,给出了外载作用下壳体局部应力的计算原则及其 计算公式。CAESARII 内置的WRC107/297分析模块能够完 全按照公报的要求 ,自动进行局部应力的计算 ,并能出具校核 报告。需要注意的是 ,WRC107未考虑介质内压的影响 ,在计 算局部应力时 ,对于实心附件 ,一般额外叠加壳体的整体膜应 力PD/2t 。对于空心附件 ,还需要叠加由结构不连续引发的附 加应力（K-1）PRm/2t。
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2020/8/7
管道系统常见局部失效
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2020/8/7
管道系统常见局部失效AECsoft20 Nhomakorabea0/8/7
管道系统常见局部失效
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2020/8/7
压力容器接管处引发的局部失效
AECsoft
2020/8/7
应力增大系数
应力增大系数——Stress Intensification Factor ,用 于表示弯头、三通等几何变形不光滑（或几何不连 续）处的应力增大现象 ,其值等于直管应力与相同条 件下弯头、三通等管件的应力之比 ,其值通常大于1 ：
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2020/8/7
应力增大系数
规范对应力增大系数的考虑： B31.1
S SU S S1 0.7 5iM A / Z P d o / 4t S h
B31.3
S1 F A X / Am ii M i 2 io M o 2 1/ 2 / Z P d o / 4t S h
AECsoft
2020/8/7
WRC107
适用范围： 对球壳或柱壳形式的容器壁上实心附属元件的局部应 力 附属元件可以为圆筒形、方形、矩形
AECsoft
2020/8/7
WRC107
计算原理
规范选择附属元件、接管与壳体连接处为分析对象 ,并在连接部位定义八个 点 ,Au~Du为外表面点 ,Al~Dl为内表面点（所有点为壳体上的点），对该 8个点进行应力分类 – 应力合成 – 应力评定
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2020/8/7
应力增大系数的确定方法
确定应力增大系数可采用疲劳试验和数值分析两种方法。其中疲劳试验方法是确定应力增大系 数的直接方法 ,也是基本方法。数值分析方法一般建立在现有疲劳试验基础之上。
1、疲劳试验法 按照一系列不同应力幅对直管和管件进行一系列疲劳试验 ,并根据试验结果 ,通过拟合得到直管
一、局部应力的应用
➢ 管道专业的应用
➢ 设备专业的应用
管道专业的应用
压力管道应力分析采用的是梁单元有限元法来分析。但是大口径薄壁 管道的应力分析比较特殊 ,其管道单元属性已经超过梁单元定义范围 ,其 既具备梁单元属性也具备壳单元属性 ,此类管道的柔性设计往往只能保 证管道自身强度 ,对于一些管口、特殊弯头、法兰、变径段、三通、管 道支架……等局部失效无法进行更为精确的强度评定。此外这些管件在 管道应力分析中所使用的SIF也规范中的常规计算方法已不适用。因此 我们需要采取其它手段（规范）来进行局部应力校核。（WRC107/297 、有限元）