管道应力分析孙学军

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与60年代相比 增加10倍
1960年与现在相比，一个化工厂和核电厂管道应力分析所需人工时。 数据来源：PIPE STRESS ENGINEERING（L.C. PENG）
为什么？
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管道应力分析基本理论
主要内容 一.管道应力分析基础知识介绍 二.应力分析标准详解 三.管道跨距计算 四.管道柔性分析 五.管道支吊架设计
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柔性系数：
表示管道元件在承受力矩时，相对于直管而言其柔 性增加的程度。即:在管道元件中由给定的力矩产生 的每单位长度元件的角变形与相同直径及厚度的直 管受同样力矩产生的角变形的比值。
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二.应力分析标准详解
ASME B31.1 ASME B31.3 ASME B31.4 ASME B31.8
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因此，合成轴向应力不大于内压环向应力。合成轴 向应力最大时与内压环向应力相等，此时再依据第 三强度理论有： 由于内压作用下直管壁厚计算公式是薄壁模型，基 于第三强度理论：
B31.1没有包含持续轴向外载产生的轴向应力SAX， 忽略内压径向应力SR，上式变为：
即：
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偶然应力：
许用应力放大系数K： 1.15--每次作用时间不超过8h,每年不超过800h; 1.20--每次作用时间不超过1h,每年不超过80h;
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ASME B31.1-2016
持续应力：
没有包含持续轴向外载产生的轴向应力Fax/A； 在计算持续外载弯扭合成力矩产生的持续应力时考 虑0.75i（且不小于1）的应力增大系数；
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解释： 管道在内压作用下，管壁将产生内压环向应力SHP、 内压轴向应力SLP和内压径向应力SR。由于内压径向 应力较小，通常忽略不计。 在持续外载作用下，将产生持续外载轴向应力SAX、 弯曲应力和扭转应力。由于外载产生的扭转应力较 小，可以认为外载弯曲应力和扭转应力组合的当量 应力方向基本沿管道轴向。 因此，管道在内压和持续外载作用下，管壁上的三 个主应力仍为环向应力、轴向应力（包括内压轴向 应力SLP 、持续外载轴向应力SAX 、当量应力SC）和 径向应力。
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ASME B31.3-2016
持续应力： ASME B 31.3要求由重量、内压和其它持续载荷所产 生的纵向应力之和SL不超过在操作温度下材料的基 本许用应力Sh，但ASME B 31.3 2010年以前的版本并 没有明确给出纵向应力的计算公式。ASME B31.3在 1985年5月8日的释义4-10中，要求计算纵向应力时考 虑轴向力的作用。因此，一般认为管道纵向应力由 附加轴向外力、弯矩和内压引起，计算公式为：
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二次应力：
二次应力是由于热胀、冷缩、端点位移等位移荷载 的作用所产生的应力。它不直接与外力相平衡。二 次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变 形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到 满足，从而变形不再继续增大。 一般在管系初次加载时，二次应力不会直接导致破 坏，只有当应变在多次重复交变的情况下，才会引 起管道疲劳破坏。但也应该注意，当位移荷载极大， 局部屈服或小量变形不足以满足位移约束条件或自 身变形连续要求时，管道也可能在一次加载过程中 就发生破坏。
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位移应力范围：
没有区分平面内 和平面外应力增 大系数; 采用最大剪应力 理论.
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结构安定性条件：
材料的弹塑性应变循环
结构安定性的定义:当荷载在一定范围内反复变化时，结构不
发生连续的塑性变形循环。也就是说，在初始几个循环之后，
结构内的应力应变都按线弹性变化，不再出现塑性变形。为防
止结构发生低周疲劳，结构必须具有安定性。
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一.管道应力分析基础知识介绍
管道应力分析的目的、范围、内容 管道受到的载荷、变形及失效形式 材料的物理性能及强度理论 基本概念
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管道应力分析的目的、范围、内容
目的：
✓ 保证管道结构的整体安全 各种设计载荷作用下管道的应力在规范的许用范围 内。
✓ 保证管道系统运行正常 动（静）设备管口载荷符合制造商或公认标准的要 求； 避免法兰等连接件泄露； 避免管道位移量过大，影响其它设备或管道的运行； 避免明显的管道振动。
压力管道设计审批人员培训班 管道应力分析
主 讲：孙学军 电 话: 13722622460 E-mail：281723654@
主办：石油天然气储运技术中心站
主要内容
管道应力分析基本理论 埋地管道应力分析 管道振动分析技术
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先看一组数据
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Man-hours
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最大切应力理论(Tresca准则)：
该理论认为：最大切应力是引起屈服的主要原因 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大切应力达到 单向拉伸屈服时所对应的最大切应力值，材料就会发生塑性 屈服。
屈服判据：
强度准则：
适用于塑性材料。形式简单，一般情况下与实验结果相比偏于
安全，工程中广泛应用。
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➢ 确定方法: 疲劳试验方法:
按照不同应力幅对直管进行一系列疲劳试验，根据
试验结果，拟合得到直管疲劳曲线表达式:
按照不同应力幅对管件进行一系列疲劳试验，根据
试验结果，拟合得到管件疲劳曲线表达式:
应力增大系数:
由以上两式得:
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ASME B31J
ASME B31J
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数值分析方法:
FE Pipe ANSYS
适用于铸铁等脆性材料。这一理论没有考虑其它两个主应力的 影响，且对没有拉应力的应力状态无法应用。
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最大伸长线应变理论：
该理论认为：最大伸长线应变是引起断裂的主要原因 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大伸长线应变 达到单向拉伸时的极限应变，材料就会发生脆性断裂。
屈服判据：
强度准则：
适用于铸铁等脆性材料。
SL=Fax/A+[(iiMi)2+(ioMo)2]1/2/Z+Pdo/4t<=Sh
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Hale Waihona Puke 自ASME B 31.3 2010版给出了纵向应力的计算公式：
步骤: 建立管件有限元分析模型; 提取峰值应力强度和基准应力; 计算应力集中系数SIF; 应力增大系数取应力集中系数的1/2.
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这是因为依据规范进行柔性分析计算的弯曲载荷引 起的应力范围约是峰值应力范围的一半。对于典型 的对焊管的焊接接头，其应力集中系数为2。由于应 力是与对焊管的疲劳曲线相比较，计算得到的是实 际峰值应力范围的一半。因此，理论应力，例如弯 头中由弯曲载荷产生的应力，是按规范进行管道柔 性分析计算的应力的2倍。
结构安定性条件:弹性应力范围不大于屈服极限的二倍（准确
地说是冷态屈服强度与热态屈服强度的和）。
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二次应力校核来源：
根据结构安定性条件，弹性许用应力范围是冷态屈服强度与热 态屈服强度的和，即：
一般许用应力取2/3屈服强度
Markl suggested
持续应力SPW最大为热态许用应力Sh
当循环次数低于7000时，许用应力范围减小系 数f不再增大，因为f =1时弹性许用应力范围已 经达到安定性条件界限。但当循环次数低于 7000时，实际的安全系数是增大的。
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一次应力：
一次应力是由压力、重力、和其它外力荷载所产生 的应力。它必须满足外部、内部力和力矩的平衡。 一次应力的基本特征是非自限性的，它始终随所加 荷载的增加而增加，超过屈服极限或持久强度将使 管道发生塑性破坏或者总体变形。 管道承受内压和持续外载而产生的应力属于一次应 力。管道承受风荷载、地震荷载、水击和安全阀泻 放荷载产生的应力也属于一次应力，但这些荷载属 于偶然荷载。
管道应力的校核主要是为了防止管壁内应力过大造 成管道自身的破坏。各种不同荷载引起不同类型的 应力，不同类型的应力对损伤破坏的影响各不相同， 如果根据综合应力进行应力校核可能导致过于保守 的结果，因此管道应力的校核采用了将应力分类校 核的方法。 应力分类校核遵循的是等安全裕度原则，也就是说， 对于危险性小的应力，许用值可以放宽;危险性大的 应力，许用值要严格控制。 应力分类是根据应力性质不同人为进行的，它并不 一定是能够实际测量的应力。
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应力增大系数：
当管道几何形状发生急剧变化时，位移应力范围的 计算值与直管相比有所增加。对于平滑过渡的弯头 和弯管，受弯后管道出现扁平化，抗弯刚度有所减 小,对于斜接弯管和支管连接，由于几何不连续产生 应力集中, 导致材料抗疲劳能力有所削弱。二次应力 校核主要是为了防止疲劳破坏，为了考虑这种效应， 在进行二次应力校核时引入了应力增大系数。 ➢ 定义: 受弯矩的作用，在非直管的组成件中，产 生疲劳损坏的最大弯曲应力与承受相同弯矩、相同 直径及厚度的直管产生疲劳损坏的最大弯曲应力的 比值，称为应力增大系数。因弯矩与管道组成件所 在平面不同，有平面内及平面外的应力增大系数。
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➢ 安全阀泻放、柱塞流、风、波浪、地震、水/ 汽锤等偶然荷载； ➢ 压力循环、温度循环、转动设备、涡激振动等 循环荷载 。
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管道变形的基本形式：
拉伸、压缩
剪切
扭转
弯曲
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管道的失效形式：
管道应力分析的主要目标是阻止管道失效，因此了 解管道的失效形式非常重要。常见的管道失效形式 如下： ➢ 静态断裂
✓ 优化设计
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范围：
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内容：
项 目
项目计划
PID
工 艺
工艺管线表
数据表
设 设备图纸 备 管口许用载荷
土 土建结构图纸 建 地质参数
布置图、3D
配 管
ISO图
管道等级
特殊件要求
应力分析规定 确定管道系统 生命周期内可 能遇到的载荷
设备管口载荷 结构所受载荷 特殊件要求 其它建议