压力管道局部应力分析[精]
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• 另外，当一次应力超过屈服点时将引起管道 总体范围内的显著变形或破坏，对管道的失 效及破坏影响最大。
• 一次应力还可分为以下三种 :
• a．一次总体薄膜应力 Pm
• 一次总体薄膜应力是指沿厚度方向均匀分布 的应力，等于沿厚度方向的应力平均值。
• 一次总体薄膜应力达到材料的屈服点就意味
• 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.精求品课件，. 因轴向应力复杂。30
• （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。
• 对这类应力限定，并不是限定一个时 期的应力水平，而是控制其交变循环次数
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• 强度条件为：
• 内压和持续外载荷产生的一次、二次应力 σe：
• σe 1.25 f ([σ] + [σ]t ) • 单独计算热胀二次应力σe ： • σe f (1.25[σ] + 0.25[σ]t ) • 考虑轴向载荷时，单独计算热胀二次应力
• 反之称为厚壁管，应力分布为三向应力状态 或平面应变状态。
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• （3）三向应力的计算公式（GB 50316)
•
σθ= PDn / 2te
•
σz= PDn2 / [4te (Dn+te)]
•
σr= - P / 2
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【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。
浅谈压力管道应力分析及计算
浅谈压力管道应力分析及计算摘要：压力管道在工业生产或社会建设中被越来越广泛的使用，以其自身的特殊性和有针对性的特点，成为工业社会的一个重要课题。
管道质量及应力的大小直接影响到工程的质量及安全事故的发生率，应力的分析与计算也显得十分重要。
压力管道应力可分为一次应力、二次应力及峰值应力，三种类型，各种类型应力的特点各有不同，可以通过科学的方法如CAESAR II分析系统及复杂的公式多次计算，得出准确数值。
关键词：压力管道应力分析计算随着我国现代化技术的革新，工业蓬勃发展，国家大力支持公共设施建设项目，油田建设、大兴水利、天然气工程、南水北调工程等，压力管道成为最常见设备之一，其承担着输送易燃易爆能源、放射性及高腐蚀性物资的重大任务。
压力管道的安全与质量问题也成为从设计、安装、维护到使用等各个环所有相关部门都关注的重点防范问题，但其生产和使用过受到各种荷载因素的影响，加之自身应力的原因，使得压力管道事故频频发生，成为重大公共安全隐患，其也是国家相关安全监督管理项目之一[1]。
压力管道的应力分析与计算成为各种建设项的必要课题。
现对当前常用的压力管道应力进行分析及计算，相关报告如下：一、压力管道的特点压力管道在工作过程中所承担的重任和性质的特殊性，使其呈现出与一般管道与压力容器完全不同的特性，按照使用领域来划分，压力管道了分为一般工业压力管道和大跨度的公用管道，具体分以下几点：①工业压力管道构建出现代工业化生产体系，其特点是连接点多，管道的弯曲较多，分布密度大。
各个车间职能不同，使用的压力管道材料、规格要求各不一样，降低了整个系统的均衡质量。
生产过程中影响荷载的因素众多，如温度、运送物资质量、密度、化学性质等[2]。
②大跨度公用管道该类工程均跨越地理、气候各不一样的省市，有以下几个特点即长度极大，压力荷载复杂，性质不稳定，且受自然条件影响较多，如地质压力、风雪天气、地震塌陷等。
各项安全指标的测量准确度不高，维护难度大。
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；管道系统固有频率，各个节点的振幅及动应力分析，通过设置管道防震支架和优化配管设计，避免产生共振。
压力管道的应力分析
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σⅡ≤σα＝f（1.25（[σ]L+0.25[σ]h） • 上式即为管道中二次应力(yìnglì)强度条件判定
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压力管道 的柔性分析 (guǎndào)
• 管道柔性是反映管道变形难易程度的一个 物理概念，表示管道通过自身变形来吸收 因热胀冷缩及其他位移变形的能力。
1、应力集中：当管道几何形状发生(fāshēng)突变 时，在外力的作业下管道中的局部应力急 剧增大的现象
2、应力集中系数：以同一弯矩值作用在管件 和直管后所产生的最大应力值之比；
补强圈与支管、主管相焊 ② 整体补强━━增加(zēngjiā)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
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• 采用补强圈补强时应遵守下列规定： ⑴ 采用的钢材标准抗拉强度бb≤540 MPa ⑵ 主管管壁(ɡuǎn bì)的名义厚度小于38 毫米 ⑶ 补强圈的厚度不应大于主管厚度的1.5倍 ⑷ 补强圈一般应与主管材料一致，如补强材
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• 除了上述介绍的载荷之外，管道中还常常存 在焊接残余应力、加工残余应力、铸造残余 应力、装配残余应力等
• 重力载荷和支架反力等合起来常称之为持续 外载荷。
• 风载荷、地震载荷、瞬变流冲击载荷等属于 (shǔyú)临时载荷。
• 两相流脉动载荷、压力脉动载荷、机械振动 等属于动载荷。
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• 内压力
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GB50316对允许跨距的规定：
管道应力分析主要内容及要点
管道应力分析的原则管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。
ASME B31《压力管道规范》由几个单独出版的卷所组成，每卷均为美国国家标准。
它们是子ASME B31 压力管道规范委员会领导下的编制的。
每一卷的规则表明了管道装置的类型，这些类型是在其发展过程中经考虑而确定下来的，如下所列：B31.1 压力管道：主要为发电站、工业设备和公共机构的电厂、地热系统以及集中和分区的供热和供冷系统中的管道。
B31.3 工艺管道：主要为炼油、化工、制药、纺织、造纸、半导体和制冷工厂，以及相关的工艺流程装置和终端设备中的管道。
B31.4 液态烃和其他液体的输送管线系统：工厂与终端设备剑以及终端设备、泵站、调节站和计量站内输送主要为液体产品的管道。
B31.5 冷冻管道：冷冻和二次冷却器的管道B31.8 气体输送和配气管道系统：生产厂与终端设备（包括压气机、调节站和计量器）间输送主要为气体产品的管道以及集汽管道。
B31.9 房屋建筑用户管道：主要为工业设备、公共结构、商业和市政建筑以及多单元住宅内的管道，但不包括B31.1 所覆盖的只寸、压力和温度范围。
B31.11 稀浆输送管道系统：工厂与终端设备间以及终端设备、泵站和调节站内输送含水稀浆的管道。
管道应力分析的主要内容一、管道应力分析分为静力分析析1.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一一防止疲劳破坏；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一防止法兰汇漏。
2.动力分析包括：1)管道自振频率分析一一防止管道系统共振：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）柱频率分析一一防止气柱共振；4)往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。
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DU
AU
BU
AL
CU BL
DL CL
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。
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
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。
应力增大系数
弯头的应力增大系数
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。
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。
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：
应力增大系数
规范对应力增大系数的考虑： B31.1
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）
S直管 /管N 件 nC
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。
AECsoft
2019/10/25
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：
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。
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
管和管件疲劳曲线表达式：
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。
概述
Part Ⅰ局部应力的应用 Part Ⅱ局部应力计算方法
一、局部应力的应用
管道专业的应用
设备专业的应用
S S U S 1 S 0 . 7 iA M 5 / Z P o / 4 t d S h
B31.3
S 1 F A / A m X i i M i 2 i o M o 2 1 / 2 / Z P o / 4 t S h d
AECsoft
2019/10/25
会生成局部弯曲应力； 介质压力对壳体产生一次总体膜应力
WRC107
仅由介质压力p所引起的薄膜应力为一次总体薄膜应力Pm； 由外加载荷所引起的薄膜应力的叠加为一次局部膜应力PL； 由外载荷所引起的弯曲应力为二次应力Q； 如果连接处存在过渡圆弧，可能引起附加应力（K-1）PRm/2t
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 保局部连接局部失效
压力容器接管处引发的局部失效
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
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