管道培训材料3doc-管道应力

3 管道应力

3.1 石油化工管道应力分析常用规范、标准有哪些？

答：石油化工管道应力分析常用规范、标准有：

(1)《工业金属管道设计规范》（国标报批稿）；

(2)《石油化工企业管道柔性设计规范》（SHJ41-91）；

(3)《石油化工企业非埋地管道抗震设计通则》（SHJ39-91）；

(4)《石油化工企业管道设计器材选用通则》（SH3059-94）；

(5)《石油化工企业管道支吊架设计规范》（SH3073-95）；

(6) 化工管道设计规范（HG20695-1987）；

(7) 化工部设计标准《管架标准图》（HG/T21629-1991）。

3.2 管道应力分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？

答：管道应力分析分为静力分析和动力分析。

静力分析包括：

(1) 压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算—防止塑性变形破坏；

(2) 管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算—防止疲劳破坏；

(3) 管道对设备作用力的计算—防止作用力太大，保证设备正常运行；

(4) 管道支吊架的受力计算—为支吊架设计提供依据；

(5) 管道上法兰的受力计算—防止法兰泄漏。

动力分析包括：

(1) 管道自振频率分析—防止管道系统共振；

(2) 管道强迫振动响应分析—控制管道振动及应力；

(3) 往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析—防止气柱共振；

(4) 往复压缩机（泵）压力脉动分析—控制压力脉动值。

3.3 管道上可能承受的荷载有哪些？

答：管道上可能承受的荷载有：

(1) 重力荷载，包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等；

(2) 压力荷载，压力荷载包括内压力和外压力；

(3) 位移荷载，位移荷载包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；

(4) 风荷载；

(5) 地震荷载；

(6) 瞬变流冲击荷载，如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击；

(7) 两相流脉动荷载；

(8) 压力脉动荷载，如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动；

(9) 机械振动荷载，如回转设备的振动。

3.4 何谓一次应力，何谓二次应力？分别由哪些荷载产生？这两种应力各有何特点？

答：一次应力是指由于外加荷载，如压力或重力等的作用而产生的应力。一次应力的特点是：它满足与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。

二次应力是由于管道变形受到约束而产生的应力，它不直接与外力平衡，二次应力的特点是具有自限制性，当管道局部屈服和产生小量变形时应力就能降低下来。

3.5 什么是蠕变，什么是应力松驰？二者有何异同？

答：蠕变是指金属在高温和应力同时作用下，应力保持不变，其非弹性变形随时间的延长而缓慢增加的现象。高温、应力和时间是蠕变发生的三要素。应力越大、温度越高，且在高温下停留时间越长，则蠕变越甚。

应力松驰是指在高温下工作的金属构件，在总变形量不变的条件下，其弹性变形随时间的延长不断转变成塑性变形，从而引起金属中应力逐步下降并趋于一个稳定值的现象。

蠕变和应力松驰两种现象的实质是相同的，都是高温下随时间发生的塑性变形的积累过程。所不同的是应力松驰是在总变形量一定的特定条件下一部分弹性变形转化为塑性变形；而蠕变则是在恒定应力长期作用下直接产生塑性变形。

3.6 材料的强度理论有几种？在管道强度设计中主要采用第几强度理论？

答：材料的强度理论有四种，分别是：

(1) 第一强度理论—最大主应力理论，其当量应力强度S=δ1。它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大主应力。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大主应力达到材料单向拉伸断裂时的最大应力值，材料即发生断裂破坏。

(2) 第二强度理论—最大主应变理论，其当量应力强度S=δ1－μ(δ2+δ3)。它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大主应变。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大主应变达到材料单向拉伸断裂时的最大应变值，材料即发生断裂破坏。

(3) 第三强度理论—最大剪应力理论，其当量应力强度S=δ1-δ3。它认为引起材料屈服破坏的主要因素是最大剪应力。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大剪应力达到材料屈服时的最大剪应力值，材料即发生屈服破坏。

(4) 第四强度理论—变形能理论，其当量应力强度为：

√（δ1-δ2）2+（δ2-δ3）2+（δ3-δ1）2

它认为引起材料屈服破坏的主要因素是材料内的变形能。亦即不论材料处于何种应力状态，只要其内部积累的变形能达到材料单向拉伸屈服时的变形能值，材料即发生屈服破坏。

在管道强度设计中主要采用最大剪应力强度理论。

3.7 如何确定金属直管的壁厚？

答：金属直管的壁厚确定方法如下：

(1) 对于内压直管，根据SH3059-94《石油化工企业管道设计器材选用通则》确定其壁厚：

1）当S0

直管的选用壁厚为：

S=S0+C

式中：S0——直管理论壁厚，mm；

P——设计压力，MPa；

D0——直管外径，mm；

[δ]t——设计温度下直管材料的许用应力，MPa；

φ——焊缝系数。对无缝钢管，φ=1；

S——包括附加裕量在内的直管壁厚，mm；

C——直管壁厚的附加裕量，mm。

2）当S0≥D0/6或P/[δ]t>0.385时，直管壁厚应根据断裂理论、疲劳、热应力及材料特性等因素综合考虑确定。

（2）对于外压直管的壁厚，应根据GB150-1998《钢制压力容器》规定的方法确定。

3.8 SH3059-94《石油化工企业管道设计器材选用通则》都对哪些压力管道元件的强度计算做出了规定？

答：SH3059-94《石油化工企业管道设计器材选用通则》对以下压力管道元件的强度计算做出了规定：

(1) 金属直管；

(2) 弯管、弯头及斜接弯头；

(3) 三通；

(4) 盲板与平板封头；

(5) 开孔补强。

3.9 管道开孔补强有哪些方法？

答：管道开孔补强有两种方法：

(1) 补强圈补强—以全熔透焊缝将内部或外部补强圈与支管、主管相焊。

(2) 整体补强—增加主管厚度，或以全熔透焊缝将厚壁支管或整体补强锻件与主管相焊。

3.10 采用补强圈补强时应遵守哪些规定？

答：应遵守下列规定