压力管道应力分析基础理论
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。
管道应力分析及计算全
B、动力分析包含的内容 a)管道固有频率分析 — 防止共振。 b)管道强迫振动响应分析 — 控制管道振动及应力。 c)往复式压缩机(泵)气(液)柱频率分析 — 防止气柱 共振。
d)往复式压缩机(泵)压力脉动分析 — 控制压力脉动 值(δ值)。
C、动力分析要点
a)
振源
机器动平衡差 — 基础设计不当
⑶ 编制临界管线表(三级签署) — 应力分析管线表
静力分析
⑷ 应力分析
(三、四级)；
动力分析
⑸ 卧式容器固定端确定，立式设备支耳标高确定；
⑹ 支管补强计算；
⑺ 动设备许用荷载校核(四级)
⑻ 夹套管(蒸汽、热油、热水)计算(端部强 度计算、内部导向翼板位置确定、同时 包括任何应力分析管道的所有内容)；
三、管道的柔性设计
3.1、柔性定义及柔性设计的方法和目的 a)定义 b)目的 c)设计方法 d)端点位移考虑 3.2、是否进行详细柔性设计的判别方法 a)应进行详细柔性设计的管道 b)可以不进行详细柔性设计的管道 c)判别式的使用方法与注意事项 3.3、管道的热补偿
三、管道的柔性设计
3.4、应力增大因子 3.5、柔性分析方程 3.6、弹性模量随温度变化效应 3.7、柔性分析的另一规则
2)两台或三台压缩机的汇集总管截面积至少为进口管 截面积的三倍，且应使柱塞流的冲击力不增加。
3)孔板消振 — 在缓冲罐的出口加一块孔板。
孔径大小：
d D
4
U,
U
V气体流速 V介质内的声速
d 0.3 ~ 0.5 D
孔板厚度=3～5mm
孔板位置 — 在较大缓冲罐的进出口均可
d)减少激振力——减少弯头、三通、异径管等管件。
A、当
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
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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。
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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。
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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。
管道应力基础知识
改变管道的走向 选用波形补偿器或球形补偿器 选用弹簧支吊架 改变设备的布置（卧式容器固定端和滑动端换位）
补偿的方法有两种：自然补偿和补偿器补偿 补偿器种类有三种：Π型补偿器，波形补偿器和套管式补 偿器或球形补偿器。 Π形补偿器结构简单、运行可靠、投资少、在压力管道设 计中广泛使用，Π形补偿器尽量布置在两固定点中间，若 不能居中布置其与固定点的距离不应小于两固定点间距的 三分之一。为了防止管道横向位移过大，应在Π形补偿器 两侧设置导向架，导向架应与弯头有一定距离，以防止弯 头处弯曲应力过大。 波形补偿器能力大、占地小、但制造较为复杂，价格高， 适用于低压大直径管道。 套管式或球形补偿器因填料容易松弛，发生泄漏，因此很 少采用。在有毒及可燃介质管道中严禁采用
施工过程中产生
对二次应力无影响
管道端点位移
与管道连接的设备膨胀
用计算机程序或有关图表计算
管道振动
长期振动荷载
管道受往复式机泵的压力脉 动、两相流的压力脉动和机 泵喘振而引起的振动 基础较差
往复式机泵的进出口设置缓冲 罐或增加管道的刚度
设备或支架基础下沉
可能引起刚度对设备或支架的 作用力改变或法兰泄漏
管道支吊架的受力计算——为支吊架设计 提供依据； 管道上法兰的受力计算——防止法兰泄漏 管系位移计算——防止管道碰撞和支吊点 位移过大。
动力分析：
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；
作用在管道上的荷载一览表
荷载的种类 一次应力 内、外压力 在装置运行时产生， 装置运行时在操作温度下，管内 属长期静荷载 流体的内、外压 长期静荷载 短期静荷载 其中包括管道、阀门、管件、隔 热材料和流动介质的重量 管内气体或蒸汽，在停工时由于 大气的冷却，管内形成负压。由 于气温升高或太阳直射使管内压 力升高 管道安装完毕后，进行水压试验 或气压试验的荷载 降雪地区的室外管道 作用于室外管道 由地震引起的振动 机泵启动或关闭时，阀门快速启 闭时和蒸汽管道暖管时等 因为在运行条件下管内压力和温度 有种种变化，所以取最不利的压力 温度组合作为设计条件 应区分均布荷载和集中荷载 通常在应力分析中不考虑，必要时 设真空破坏器或安全阀防止管道破 坏 一般试验压力根据有关规范确定 按气象资料确定 一般根据气象资料按静力计算 一般根据有关资料按静力计算 在运行规程中设定机泵启动和关闭 的规定，蒸汽管暖管的规定，对大 口径的水泵出口设缓闭的逆止阀， 以减少冲击荷载 荷载特点 荷载来源 注
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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基本应力分类
• 轴向应力：F/A ,PD/4t ,M/Z（弯矩导致的最大轴向应力通常出现在管壁 外表面上）；
• 环向应力： PD/2t； • 径向应力：0（在外表面上不存在）； • 剪切应力：T/2Z（在主应力截面上，剪切应力为0）
2020/12/28 Monday
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应力状态的简化
应力计算---防止疲劳破坏； • 管道对机器、设备作用力的计算——防止作用力过大，保证
机器、设备正常运行； • 管道支吊架的受力计算——未支吊架设计提供依据； • 管道上法兰的受力计算——防止法兰泄漏； • 管系位移计算——防止管道碰撞和支吊点位移过大。
2020/12/28 Monday
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将切向应力称为剪应力；
2020/12/28 Monday
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3D梁单元的力学假设
• 梁单元上纯弯曲的概念： • 当梁发生纯弯曲时，各截面上的弯矩值唯一（整个截面的弯矩由唯一值
表示），且不存在剪力，截面发生转动，梁轴线变为弧线，但转动后各 截面仍为平面。在这种假设下，应力S=M/Z.（胡克定律） • 如果不使用纯弯曲假设，则上式不一定适用。
2020/12/28 Monday
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3D梁单元示例
• 这是一个简单的悬臂梁模型：当在自由端作用集中载荷P之后，其挠 度为：
P L3
3EI
2020/12/28 Monday
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如何评定管道的应力？
• 通过节点分析； • 管道截面上存在3向主应力： • 轴向 • 环向 • 径向
2020/12/28 Monday
• 当同时考虑轴向、径向、环向应力时，结构处于三向应力状态，根据前 面的叙述，我们略掉径向应力分量，则应力状态从三维变为二维（即忽 略下图中的σR）；
2020/12/28 Monday
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载荷的转化
• 应力乘以单位面积=载荷 • 静态下，任意截面上均应保持静力平衡； • 任意截面上均存在法向应力及切向应力，我们将法向应力称为正应力，
动态分析
• 动力分析则主要指往复压缩机和往复泵管道的振动分析、管道的 地震分析、水锤和冲击荷载作用下管道的振动分析。
• 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。
• 管道应力分析的任务，实际上是在满足标准规范的前提下对管 道进行包括应力计算在内的力学分析，从而保证管道自身和与 其相连的机器、设备以及土建结构的安全。
2020/12/28 Monday
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什么情况下需要对管道进行力学分析？
• 1.管径大于75mm的管道 • 2.与转动、往复设备连接的管道（泵、压缩机 等） • 3.与空冷器、汽轮机、换热器相连的管道 • 4.温度高于300°C的所有尺寸管线 • 5.管径大于150mm，设计温度高于175°C的焊接管线 • 6.高压管道（高于14MPa），10MPa以上压力的管线也会出现问题，多与支架的设置有关 • 7.大直径薄壁管（450mm以上），或直径与壁厚比超过90的管线 • 8.使用特殊补偿的管线（使用膨胀节） • 9.埋地管线 • 10.夹套管线 • 11.位于关键区域的管线 • 12.超压保护管线（安全阀） • 13.压力骤增管线（水锤、气锤） • 14.等等…
2020/12/28 Monday
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分析之前我们需要做什么？
• 1.确认需要计算的管线； • 2.选用正确的校核规范，确认校核工况（载荷）； • 3.确认计算管线的必须数据及边界条件（管线走向、管道直径
壁厚、长度、材料、操作压力&温度、支架位置及形式、管口 初始位移……等）。
2020/12/28 Monday
• 梁单元的使用将把管道模拟为刚性杆，其力学特性需要做以下假设： • 忽略局部变形（不考虑大直径管道的失稳）； • 假设管道任意截面不出现翘曲（即认为管道遵循纯弯曲变形）； • 假设不考虑管道之间的碰撞影响； • 剪切力不是分析的重点； • 支撑作用在单元中心线上；
2020/12/28 Monday
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应力的概念
• 取管道截面上一个无限小的微元，并对其进行研究。每个微元上均有 正应力和剪应力，所有微元上正应力、剪应力的合成即为截面应力。
2020/12/28 Monday
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力学模型——3D梁单元
• 管道模型最终能够简化为纯力学模型 • 主要的变形特征为弯曲
2020/12/28 Monday
2020/12/28 Monday
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管道应力分析的分类
• 一般来讲，管道应力分析可以分为静力分析和动力分析两部分。
2020/12/28 Monday
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静态分析
• 静力分析是指在静力载荷的作用下对管道进行力学分析 • 压力、重力等荷载作用下的管道一次应力计算——防止塑性
变形破坏； • 热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的管道二次
CAESAR II 管道应力分析理论
前言
• 我们为什么要进行管道应力分析? • 我们需要做什么？ • 我们如何模拟一个管道系统？ • 我们如何来分析计算的结果？
2020/12/28 Monday
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我在压力、重量、温度、风、海浪、土壤约束 以及地震、动设备的振动、阀门关闭、开启导致的水锤气锤等 外力载荷作用。载荷是管道产生应力问题的原因。
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力学模型——3D梁单元
• 主要的变形特征为弯曲 • 每一个单元的力学行为均通过端点来描述，包括推力、位移、应力 • 计算梁单元构造的管道分析模型所需要的材料基本参数包括：刚度、直
径、壁厚、长度、弹性模量、泊松比、线胀系数、密度等等…
2020/12/28 Monday
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3D梁单元的力学假设