连续管受力分析起下能力及疲劳计算
材料力学管道分析知识点总结
材料力学管道分析知识点总结材料力学是工程力学的一个重要分支，研究材料在外力作用下的力学行为。
管道作为一种常见的工程结构，在各个领域都有广泛应用，了解材料力学管道分析的知识点，对于工程设计和施工具有重要意义。
本文将对材料力学管道分析的知识点进行总结，旨在帮助读者更好地理解和应用该领域的知识。
1. 弹性力学基本概念弹性力学是研究材料在小应变作用下的力学行为的分支。
在材料力学管道分析中，弹性力学的基本概念是必须要了解的。
弹性体的本构方程、应力-应变关系、应变能密度以及泊松比等概念是分析管道弹性行为的基础。
2. 管道的应力分析管道在使用过程中会承受外部载荷的作用，因此对管道的应力分析是非常重要的。
在材料力学管道分析中，应力的分布和大小对于设计管道的强度和稳定性具有重要意义。
应力分析会涉及到静力学平衡、材料的弹性性质以及管道的几何尺寸等因素。
3. 管道的变形分析管道在受到外部载荷作用下，会发生弯曲、拉伸和压缩等变形。
变形分析是了解管道结构受力情况以及变形形式和程度的手段。
在变形分析中，考虑到材料的弹性性质、几何尺寸的变化以及边界条件的影响。
4. 管道的稳定性分析管道的稳定性是指管道在受力作用下不产生破坏或失稳的能力。
稳定性分析是确保管道在使用过程中具有足够的强度和刚度以防止破坏的重要手段。
管道稳定性分析会考虑到材料的弹性性质、几何尺寸的变化、外界环境的影响以及边界条件等因素。
5. 管道的疲劳分析管道在长期使用过程中，会受到交变载荷的作用，从而引发疲劳破坏。
疲劳分析是为了评估管道在反复载荷下的寿命和安全性。
在疲劳分析中，需要考虑到材料的疲劳性能、载荷的频率和幅值、应力范围和设计寿命等因素。
6. 管道的裂纹扩展分析管道的裂纹扩展分析是为了评估管道在裂纹存在的情况下的寿命和安全性。
裂纹扩展分析需要考虑到材料的断裂韧性、裂纹形态和尺寸、应力场分布以及环境因素等因素。
7. 管道的振动分析管道在某些情况下会受到振动的激励，从而引发共振或者疲劳破坏。
疲劳分析的数值计算方法及实例-部分理论可打印
第十四章疲劳分析的数值计算方法及实例第一节引言零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。
这种现象称为疲劳破坏。
疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。
金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。
随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。
近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。
疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。
金属疲劳的研究已有近150年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。
但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。
据统计，至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。
因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。
疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。
这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。
因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。
一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。
管道受力分析(无背景)
管道受力分析管道受力分析目录：一、管道发展历史1、发展2、著名管道系统二、提出问题三、管道受力研究1、管道2、弯头3、三通四、小组分工五、总结六、参考文献管道受力分析关键字：管道受力一、管道发展历史管道是用管子、管子联接件和阀门等联接成的用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。
管道的用途很广泛，主要用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。
管道作为物料输送的一种特殊设备在现代化工业生产和人民生活中起着很重要的作用，它就像人体中的血管一样，没有它，人的生命就不复存在。
1、“油气集输和储运”技术随着油气的开发应运而生。
早在我国汉代，蜀中人民就采用当地盛产的竹子为原料，去节打通，外用麻布缠绕涂以桐油，连接成“笕”，就是我们现在铺设的输气管线。
最早的一条原油输送管道，是美国于1865年10月在宾夕法尼亚州修建的一条管径50毫米长9756米从油田输送原油到火车站的管道，从此开始了管道输油工业。
但油气管道运输是从1928年电弧焊技术问世，以及无缝钢管的应用而得到发展和初具规模的。
管道输送技术的第一次飞跃是在第二次世界大战期间。
第二次世界大战以后，管道运输有了较大的发展。
2、目前世界上比较著名的大型输油管道系统有：（1）前苏联的“友谊”输油管道。
它是世界上距离最长、管径最大的原油管道，其北、南线长度分别为4412千米和5500千米，管径为426~1220毫米，年输原油量超过1亿吨，管道工作压力4.9~6.28兆帕。
（2）美国阿拉斯加原油管道。
其全长1287千米，管径1220毫米，工作压力8.23兆帕，设计输油能力1 亿吨／年。
（3）沙特阿拉伯的东-西原油管道。
其管径1220毫米，全长1202千米，工作压力5.88兆帕，输油能力1.37亿立方米／年。
（4）美国科洛尼尔成品油管道系统。
该管道系统干线管径为750~1020毫米，总长4613千米，干线与支线总长8413千米，有10个供油点和281个出油点，主要输送汽油、柴油、燃料油等100多个品级和牌号的油品。
连接件受力经验计算公式
连接件受力经验计算公式
1. 螺栓连接受力计算公式
- 轴向受力: F = π/4 * d^2 * σb
- 剪切受力: F = π/4 * d^2 * τ
其中, d为螺栓直径, σb为螺栓材料的抗拉强度, τ为螺栓材料的剪切强度。
2. 焊缝受力计算公式
- 焊缝长度受力: F = a * l * σw
- 焊缝面积受力: F = a * σw
其中, a为焊缝面积或长度, l为焊缝长度, σw为焊缝材料的极限强度。
3. 键连接受力计算公式
- 剪切受力: F = π/4 * d^2 * τ
- 压力受力: F = d * l * p
其中, d为键直径, l为键长度, τ为键材料的剪切强度, p为键与轴承的接触压力。
4. 铰链连接受力计算公式
- 剪切受力: F = π/4 * d^2 * τ
- 压力受力: F = d * b * p
其中, d为铰链直径, b为铰链宽度, τ为铰链材料的剪切强度, p为铰链与轴承的接触压力。
以上公式是基于理想工况下的简化计算方法,实际应用中还需考虑安全系数、应力集中等影响因素进行修正。
此外,对于复杂的连接形式,可能需要采用有限元分析等数值计算方法。
连续油管作业遇卡原因分析及解卡方法
连续油管作业遇卡原因分析及解卡方法摘要：连续油管越来越多地用于油田和天然气田的开发，特别是在定向井中，例如高度偏转的井和水平井，从而极大地减少了缠绕管的好处。
但是，当连续油管用于洗沙、塞孔或作业时例如，与常规管道操作相比，可观察到的桥梁断裂和底部连接的砂钻断裂等，连续油管管道的粘结风险大大增加。
关键词：连续油管作业；遇卡原因分析；解卡方法；连续油管作业在油气田开发中得到广泛应用。
但在冲砂、塞钻、大直径工具过程中，连续油管卡钻风险较常规油管作业大大增加。
为尽可能避免连续油管施工过程中卡钻，或卡钻后及时正确解除卡钻，避免工程复杂化，介绍了连续油管作业过程中5种典型卡钻类型，包括砂屑卡钻、落物卡钻、换套管卡钻、水泥卡钻和封隔器卡钻。
针对不同卡钻类型，分析了相应的卡钻原因，主要包括操作人员经验不足、判断失误、规章制度执行不严、工具选择不当、工作液性能不理想、钻井过程中停泵等。
根据材料力学的胡克定律，分析了夹紧点位置的计算方法。
根据建立有效循环和未能建立循环两种情况，分析了解卡片处置方法，总体思路是尽量建立循环。
一、遇卡类型与原因1.砂屑卡。
连续油管作业中，粘砂屑是一种常见的粘砂方式，主要发生在连续油管冲砂作业和钻塞作业过程中。
采用连续油管水力冲砂时，由于操作人员经验不足或循环泵车故障停机，循环上升过程中固体杂质沉淀，造成连续油管砂埋砂堵塞。
此外，在使用连续油管进行钻塞施工过程中，由于工具选择不当、工作液性能不合格、钻井过程中停泵等原因，也会因碎屑沉降、工具埋设等原因造成堵塞。
2.落物卡。
如遇物体坠落，如手持工具、液压钳、橡胶等。
，需要使用带有大直径工具的连续油管进行钻孔和研磨。
连续油管在下入过程中，有时会突然遇阻，管柱被井内坠物挤向井壁，无法连续下放或提升。
特别是钢丝掉井的情况下，连续油管打捞时，由于判断不准确，打捞工具下得太深，超过鱼顶，导致钢丝缠绕打捞工具，被吊起时钢丝结块，造成卡钻。
3.套变卡。
由于腐蚀和压力，套管损坏、变形和断裂。
管道柔性分析与应力计算【范本模板】
今天借这个机会和大家共同学习和探讨一下管道柔性分析与应力计算以及应力计算软件CAESARⅡ。
我们作为管道工程师,配管是我们的主要工作，占据了我们大部分工作时间。
一般情况下，管道工程师在配管完成后,应将临界管系提给管道机械工程师进行管道柔性分析与应力计算，通常也简称为应力分析。
我们在配管完成后，为什么要进行管道应力分析呢?主要有以下几个原因：第一个原因是为了使管道应力在规范的许用范围内，保证所设计的管系及其连接部分的安全性。
第二个原因是为了使管口荷载符合标准规范的要求。
第三个原因是为了计算支撑和约束的设计荷载。
第四个原因是为了计算管道位移，从而选择合适的管架。
第五个原因是为了解决管道动力学问题，比如说：机械振动，声频振动，流体锤，压力脉动,安全阀的排放等等。
最后一个原因是为了帮助配管优化设计。
这些原因呢也构成了管机工程师需要完成的工作任务，对这些内容呢后面我们会作进一步学习。
今天我们学习的内容包括以下五个部分:1.管道应力分析的相关理论和基础知识。
我们简单的学习一下与管道应力分析相关的一些理论和基础知识。
2.管道应力分析的理解和工作任务。
3.实际工作中的管道应力分析的工作过程。
4.管道的柔性设计。
5。
CAESARⅡ管道应力计算程序。
我们首先一起学习一下应力分析的理论基础一管道应力分析的相关理论和基础知识。
应力分析的相关理论和基础知识涉及的内容是非常广泛的，象是材料力学，结构力学，有限元,弹塑性力学等等。
今天我们只学习和它关系最为密切的一些内容。
如果有兴趣的话，大家可以在以后时间里进一步学习其他相关知识。
我们学习的第一点是强度理论在管系上的任一受力点，往往受到多方向应力的作用，例如：轴向应力，环向应力，剪切应力的作用.这些应力会对管道材料的力学性能产生影响，严重时将使管道材料失效或产生破坏。
这种影响程度通常用“当量应力强度”来衡量，而定量求解应力强度则要依据相应的强度理论。
涉及的强度理论主要有四种：第一种是最大主应力理论。
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
管道应力分析和计算
管道应力分析和计算目次1 概述1.1 管道应力计算的主要工作1.2 管道应力计算常用的规范、标准1.3 管道应力分析方法1.4 管道荷载1.5 变形与应力1.6 强度指标与塑性指标1.7 强度理论1.8 蠕变与应力松弛1.9 应力分类1.10 应力分析2 管道的柔性分析与计算2.1 管道的柔性2.2 管道的热膨胀补偿2.3 管道柔性分析与计算的主要工作2.4 管道柔性分析与计算的基本假定2.5 补偿值的计算2.6 冷紧2.7 柔性系数与应力增加系数2.8 作用力和力矩计算的基本方法2.9 管道对设备的推力和力矩的计算3 管道的应力验算3.1 管道的设计参数3.2 钢材的许用应力3.3 管道在内压下的应力验算3.4 管道在持续荷载下的应力验算3.5 管道在有偶然荷载作用时的应力验算3.6 管系热胀应力范围的验算3.7 力矩和截面抗弯矩的计算3.8 应力增加系数3.9 应力分析和计算软件1 概述1.1 管道应力计算的主要工作火力发电厂管道（以下简称管道）应力计算的主要工作是验算管道在内压、自重和其他外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力；判断计算管道的安全性、经济性、合理性，以及管道对设备产生的推力和力矩应在设备所能安全承受的范围内。
管道的热胀应力应按冷、热态的应力范围验算。
管道对设备的推力和力矩应按冷状态下和工作状态下可能出现的最大值分别进行验算。
1.2 管道应力计算常用的规范、标准（1）DL/T 5366－2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规程（2）ASME B 31.1－2004动力管道在一般情况下，对国内工程采用DL/T 5366进行管道应力验算。
对涉外工程或顾客有要求时，采用B 31.1进行管道应力验算。
1.3 管道应力分析方法管道应力分析方法分为静力分析和动力分析。
对于静荷载，例如：管道内压、自重和其他外载以及热胀、冷缩和其他位移荷载作用的应力计算，采用静力分析法。
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N，a，循环硬化；反之，为循环软化。
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
• 应变疲劳性能
– 应变-寿命曲线
ea
f
E pa f (2 N )c
– 本构方程
剪切应力
K
剪切速率
稠度系数 n
流变指数
– 广义雷诺数为
Re G
v 2n d n
1 2 n 3 K 3 n
n
– fanning摩阻系数
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f ST
a b Re G
a
log n 3.93 50 1.75 log n b 7
2
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
1. 连续管概述
• 作用：洗井；酸化、压裂；气举； 磨铣；砾石充填；封层 (注水泥, 架桥塞)；排液/完井管柱；射孔, 测井；井下作业；定向钻井；打 捞。 • 优点：作业简单，作业人员少， 费用低。搬迁快，占地小，环保， 占地面积是常规钻井的1/3。 起下时间短、减少停产时间，常 规油管的11倍。 可选择不同尺寸的油管作水力 起下钻时可以循环，封闭油管 通道。 可带压作业，对地层伤害小。 施工安全，维护方便。 可以通过大斜度井
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
(SIGMAa-SIGMAr)/SIGMAy
H 0.0808 (%) 0.00114 e(%) 0.1412
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R Y
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
5.注入头起下能力分析
• 起升与注入
– 夹持块夹持连续管 – 液压马达提供动力 – 液压油缸提供夹持压力
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3
连续管受力分析起下能力及疲劳计算
1. 连续管概述
鹅颈导向 注入器 结构：注入器、卷筒、鹅颈导向 特点：塑性变形，存在残 余变形，椭圆度 卷筒
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4
连续管受力分析起下能力及疲劳计算
2. 连续管流体阻力分析-井中
• 流体流动状态
– 层流
– 过渡流 – 紊流
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– 软绳模型
dFa mg cos F1c ds
= 0.01 = 0.2 = 0.1 = 0.05
-25 -20 -15 -10
4
= 0.15
接触力
(m gsin F a )2 ( F sin a )2 Fa Ficr a i a F1c 2 F r Fa Ficr a 4 EI
连续管受力分析起下能力及疲劳计算
4. 连续管强度计算
• 连续管失效机理
– 爆裂，挤毁，褶皱和缩颈拉断
爆裂
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挤毁
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
• 多轴应力状态的强度
– 轴向、周向，径向应力，弯曲应力和扭转应力
e r 2 h 2 ( a b )2 - r h - r ( a b ) - h ( a b ) 3 ha 2
压力
a Fa / Ap
b M br / I Ecr
ha Tr / J p
最小屈服应力
e y
轴向力
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
塑性铰
• 外压挤毁
– Tamano公式
1 Pest PEO PGO 2
PEO 1.08
2 2 2 r ( pidwall po D2 ) ( pi po )dwall D2 /(4r 2 )/(D2 dwall ) 2 2 2 h ( pidwall po D2 ) ( pi po )d wall D2 /(4r 2 )/(D2 d wall )
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
– 卷绕半径减小，椭圆率增加
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
– 剪力增大，椭圆率增加
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
– 拉力增大，椭圆率增加
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
井斜角
井眼的井斜率变化率 井眼的方位角变化率
正弦屈曲时，b ＝4；螺旋屈曲时b ＝8。
– 螺旋屈曲的接触力
Fa2 r F1c 4 EI
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Fa为连续管的轴向力
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
• 连续管井中的轴向力
井深/m
1500 2000 2500 3000 3500 4000
连续管受力分析起下能力及疲劳计算
连续管受力分析起下能力及疲劳计算
周志宏 长江大学机械工程学院 2014年11月1日
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
内容
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 连续管概述 连续管流体阻力分析 连续管井中力学分析 连续管强度计算 注入头起下能力分析 连续管卷绕行为分析 连续管疲劳分析
l
0 均匀变形
应变
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
• 工程应力、应变与真应力、真应变间关系
=P/A=Pl/A0l0=(P/A0)[(l0+l)/l0]=S(1+e) =ln(1+e)=ln(l /l0)=ln(A0/A）
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
7
连续管受力分析起下能力及疲劳计算
2. 连续管流体阻力分析-滚筒
• 非牛顿流体
– Dean数
r N Deg ReG R – 紊流fanning系数用下式求 b f a N Deg
0.5
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
2. 连续管流体阻力分析-滚筒
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• 油井井眼轨迹
– 垂直井 – 定向井，增斜、降斜 – 水平井 增斜
0 -500 -1000 -1500 -2000 -2500 -3000 -3500 -4000 0
稳斜
50
100
150
200
250
0
200
400
600
800
1000
降斜
11
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
3. 连续管井中力学分析
PEO PGO 2 / 4 PEO PGO H
(SIGMAq-SIGMAr)/SIGMAy
0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
2E 1 1 2 D D 2 1 t t
PGO
D 1 1 . 47 2 Y t 2 1 D D 1 t t
• 降低每次椭圆率等变形量的措施
– 减小连续管轴向拉力波动（卷绕与注入同步） – 减小剪力
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
7. 连续管疲劳分析
• 高载荷水平
– 应力超过屈服应力
high load level low load level
0
• 低周疲劳
– 循环小于1000次 – 应变起主要作用
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
• 注入头结构与原理
– 摩擦力~正压力 – 夹持块，两块，四 块。 – 链条的张紧
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
• 起升与注入力
– 取决于摩擦力的大小 – 摩擦力为摩擦系数与正压力的乘积 – 接触面积大，接触应力小。
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
6.连续管卷绕行为分析
• 卷绕有塑性变形
– 残余应力和不可恢复的变形
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
• 卷绕有残余变形
– 壁变薄， – 椭圆率增加 – 平均直径增加
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
– 椭圆率增加，抗外挤能力降低
为井眼的井斜角
r为连续管与井眼的间隙
正弦屈曲理论 = 2；螺旋屈曲 = 5.55
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
– 实际井眼中螺旋屈曲的临界轴向力
2 ( b EI ) 2 2 4 Ficr m g sin F a F sin a icr i icr 2 r
-5
0
管柱轴向载荷/10 N
0
1000
= 0.1 = 0.2 = 0.05
井深/m
2000
3000
4000 -20
-15
-10
4
-5
0
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管柱轴向载荷/10 N
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
• 水平井
– 最大下深，钻头无 法加载
50000 40000 30000 20000
1n
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连续管受力分析起下能力及疲劳计算
a
• 循环应力-应变响应
– 滞后环 hysteresis loops 在a=const的对称循环下， 应力、应变的连续变化。 N=2 100