管罐结构设计复习资料

管道部分

第一章地下管道一、概述

埋地管道的敷设程序

①开挖管沟②管段组焊③试压检验④管沟回填

二、管道载荷及受力分析

1、载荷分类

永久载荷、可变载荷、偶然载荷

2、薄壁环向应力和轴向应力

σ?=pD

2δ σa=pD

4δ

3、厚壁管道的应力分析

从图中的应力分布曲线可看出，内压引起厚壁圆筒的径向应力和环向

应力沿壁厚均是变化的，且两向应力的最大值均在内壁面处，而轴向

应力在横截面上则为一个常数

三、许用应力与壁厚设计

1、管道许用应力计算公式

[σ]=Kφσ

s

K——强度设计系数

Ф——焊缝系数

σs——钢管的最低屈服强度

2、管道壁厚设计

◆输油管道直管段壁厚设计公式

◆输气管道直管段壁厚设计公式

t——温度折减系数

注:实际使用壁厚需要加上腐蚀余量

3、管材选择

目前用于长输管道的钢管主要有无缝钢管和焊缝钢管两种。(焊缝钢管是发展的主要趋势)

焊缝钢管主要有直缝埋弧焊钢管和螺旋缝埋弧焊钢管两大类型:

◆直缝埋弧焊钢管与螺旋缝埋弧焊钢管相比具有焊缝短、成型

精度高、残余应力小、错边量小等特点,但受力状况不如螺旋

缝埋弧焊钢管好

四、地下管道轴向应力与变形

1、轴向应力-热应力

热应力：与A、L无关，仅与管材、温度、约束条件相关。

2、环向应力的泊松效应

注：注意正负号（受拉为正，受压为负）

3、埋地管道不同约束情况下的应力分析

三种不同的热变形：嵌固段、过渡段、自由段

过渡段

管道单位长度上的摩擦阻力：

平衡条件：fl=σa A

∵

∴

即出/入土段伸缩变形量为同样长度管段自由伸缩量的一半。

注：自由段长度较短，产生的热变形量可以由垫片等一些设施吸收，而过渡段较长，产生的热变形量则需要固定支墩来吸收。五、固定支墩的设计计算

1、作用和位置

把过渡段长度缩减为0的措施。

2、固定支墩的受力平衡

推力P与摩擦力f（土壤对支墩抗力T）平衡。

注：上式用于支墩和土壤无相对滑移的情况

支墩抗滑移校核条件：T>KΦP

3、土压力

种类：

注：上式用于支墩和土壤有相对滑移的情况4、支墩的倾覆校核

5、地耐压校核

支墩前边缘对地基的压力最大，以

σmax 表示，后边缘压力最小，以σmin 表示

校核条件：

六、 管道弯曲应力

1、简单弯曲情况下的管道弯曲应力计算（嵌固）

管壁外层纤维引起的轴向拉力：

2、存在相对位移时的弯曲应力计算

如果管道曲率很大（

f l

>

1

25

），那么σb =

pd 4δ

，

这时弯曲管道由于内压和温差引起的轴向应力恰

好与直线管道相同。

此外，弯曲管段在内压作用下有一个不平衡

的作用力T。

为了保持弯曲管段的稳定，根据需要应设置

固定墩块或其它锚固装置来维持其平衡，才

不致使管道因过大的侧向位移而遭破坏。

3、管道发生下沉情况下的弯曲应力

管道的下沉会使管道上产生两种新的应力：一是由于管道偏离原来的直线位置产生弯曲，从而产生的新的弯曲应力，二是由于管道弯曲而使管道的长度有所增加而产生的拉伸应力。

七、曲管的强度和柔性计算

1、曲管在内压作用下的应力

特点：内侧环向应力最大，外侧最小，上下顶相等

(如右图)

对于在内压下的轴向应力与直管段相同

2、弯管内弧环向应力比直管环向应力增大的倍数称为

应力增强系数m1, 弯管外弧环向应力比直管环向应力

减小的倍数称为应力缩减系数m2，比值R

愈大，应力增强系数m1愈小。

r

3、弯管壁厚设计

由此可见，弯管在相同内压作用下所需的壁厚一般比直管段要大一些。

4、曲管柔性计算

弯管柔性产生的原因：扁率

扁率产生的原因：制造过程中热弯——管壁厚度和弯曲半径越小，管子

直径越大，扁率越大

热膨胀产生的弯矩

八、三通强度计算

1、补强方式

内补强、插入式补强;

外补强：把补强板或补强绕筋焊在主支管道外壁

2、补强结构形式

补强圈补强：结构简单，易于制造

接管补强：结构简单，焊缝较少，焊接质量易于检验

整体锻件补强：应力集中系数最小

3、补强面积计算

补强结果应满足：

4、三通补强基本原则

（1）在主管上直接开孔焊接支管：当支管外径小于0.5倍主管外径时，可采用补强圈进行局部补强，也可增加主管和支管壁厚进行整体补

强。支管和补强圈的材料，宜与主管材料相同或相近。

（2）当相邻两支管中心线的间距小于两支管开孔直径之和，但大于或等于两支管直径之和的2/3时，应进行联合补强或增大主管管壁厚度。

当进行联合补强时，支管中心线之间的补强面积不得小于两开孔所

需总补强面积的1/2。当相邻两支管中心线的间距小于两支管开孔

直径之和的2/3时，不得开孔。

（3）当支管直径小于或等于50mm时，可不补强。

（4）当支管外径等于或大于1/2倍主管外径时，应采用三通或全包型补强。

（5）开孔边缘距主管焊缝宜大于主管壁厚的5倍。

九、管道强度校核

1、第三强度理论

即

由此得

2、第四强度理论

对于管道σ3=0

对于受约束的管道,当为压应力时,应满足第三强度准则:

对于轴向不受约束的管道,热胀当量应力按下式计算:

十、基于可靠性的设计方法

1、可靠性基本理论

结构可靠性的定义：结构在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的

能力。

极限状态函数：Z=R-S（R：广义抗力；S：广义荷载）

假设

易知P r+P f=1

由S与R分别写成概率密度函数

得失效概率Z<0的表达式

2、分项安全系数法

十一、穿越公路及铁路管道应力的计算

穿越管道收到内部压力引起的环向应力和由外部静态荷载及动态荷载所引发的环向弯曲应力的作用，两种应力相互叠加对管道强度产生影响。

第二章地上管道

材料力学基础

弯曲正应力公式：

∴

∴

∴

截面系数：

一、地上管道的支承形式

1、按支架高低分类

①低支架敷设②中、高支架敷设③沿墙敷设

2、按管架结构形式分类

独立式管架：

组合式管架：

二、架空管道的荷载计算

1、垂直荷载

液体管道：

气体管道：

2、横向水平载荷

主要是风载荷

3、轴向水平载荷

内压引起的不平衡轴向力：

补偿器的反弹力

三、管架受力计算分析

1、按力学特征划分管架

刚性管架——管架顶端的位移量小于管道热变形量。

柔性管架——管架顶端的位移量大于或等于管道的热变形量。

半铰管架——管架顶端的位移量等于管道的热变形量。

注：在实际工程中，管架上往往可能支承有多根管道，这些管道由于输送介质不同，就有可能存在不同的热胀冷缩变形。这时管道对活动

管架的水平推力就会产生牵制作用。

四、管道跨度计算

跨度：取决于管材的强度、管材截面刚度、外载荷的大小、管道敷设的坡度、管道最大允许挠度。

1、按强度条件确定管道跨度

应力按三角形分布：

应力按矩形分布：

校核：按第四强度理论校核——

2、按刚度条件确定管道跨度

有反坡仍能工作的限制条件：

对于严格不允许出现反坡的管道，其最变形角度应满足：

五、管道热应力计算（弹性中心法）

1、热应力的产生

自由伸缩：

两端固定：

2、热应力计算的基本理论－力法方程

对（a）：

对（b）和（c）：ab段——

bc段——

∴

∴

由上得：

由于是假想的弹性中心，令端点O引向管系的形心，此时

得：

若经过形心的x,y轴其中之一为管系的对称轴时，线惯性积为0，得

六、常用补偿器及其设计计算

1、常用补偿器类型

对π型补偿器：

七、跨越管桥的结构形式及适用范围

1、拱式跨越

矢跨比：u=f

L

矢跨比对结构性能的影响：（1）矢跨比越大，拱越陡，拱脚处水平推

力小，侧向承载力低，用钢量大。

（2）矢跨比越小，拱越坦，拱脚处水平推

力大，侧向承载力高，用钢量小。

选择矢跨比的原理：拱支墩地基条件较差，宜选较大的矢跨比；风

压较高地带宜选较小的矢跨比。

第三章海底管道

一、海底管道的稳定性及其设计

1、海底管道的稳定性条件

垂直方向的力：管道重量、浮力、升力和海平面对管道的支承力；

水平方向的力：阻力、惯性力和海床对管子的摩擦阻力。

要使管道在海床上保持稳定，上述作用在管子上的力必须满足下列方

程：

2、保持海底管道的稳定性的措施

保持海底管道稳定性的措施主要有：增加管道配重、稳定压块、埋设和

机械锚固。

二、管道悬空段的涡激振动

悬空的管段，在波浪、潮流以及水面以上部分在风的作用下，或者河流穿越管道在洪水季节，水流经过管道时，由于压差的变化，引起边界层剥离，造成尾流涡旋分离，并以一定频率释放涡旋。如果尾流涡旋释放频率与管道自振频率一致或相近时，将可能引起管道谐振。

第四章管道的屈曲分析

一、地下管道的轴向屈曲

1、地下管道轴向失稳临界力

在地下管道的土壤嵌固段，温差使直线管段所受的大轴向压力P0

为：

稳定性验算的条件：

地下管道屈曲形式：

挠曲线方程：

挠曲线方程：

对两种屈曲形式临界轴向应力Pcr都为：

注：上式只适用于直线管道（或曲率半径R>1000D）的弯曲管道）。弯曲管道的Pcr值要比计算结果小。尤其是向上弯曲

的埋地管道，更容易发生轴向失稳，要特别注意予以验算。

二、海底管道的上浮屈曲

1、屈曲形式：

2、温度变化对上浮屈曲的影响

三、集中荷载引起管道局部失稳

集中力的作用会导致管道上相当大的局

部应力，导致局部失稳，而留下永久塑

性变形。

被压下位移，压头作用处的圆周由于受压

而变成由一段直线和几段圆弧组成，直线

段是由于和压头接触而形成的，在几个线段

之间形成了塑性铰。

四、海底管道的屈曲传播

1、防止屈曲和屈曲传播的措施

（1）加大全线管壁厚度，减小D/δ比值来提高管子承受屈曲起始压力

和屈曲传播压力的能力。这虽是一种可行的方法，但是很不经

济。因为屈曲传播深度的水深范围内沿着管长方向将是很长，要

把这部分管道的管壁全部加厚，用钢量显著增加，投资加大。

（2）在管道上定点局部加厚，或采用屈曲限制器后，在与临近屈曲限

制器之间仍然有出现局部屈曲的危险，但其传播却只限于两屈曲

限制器之间的区段范围内。

油罐部分

第一章钢油罐设计的基本知识

一、金属油罐的发展趋势

1、大型油罐的优点

◆节省钢材（罐容积越大，单位体积的耗钢量减少）

◆节省投资

◆占地面积小

◆便于操作管理

◆节省配件和罐区管网

◆便于实现自动控制

二、钢油罐的基本要求

1、强度要求：卸载后不应留下塑性变形。

2、有抵抗断裂的能力。（水压试验和正常操作）

3、有抵抗风载荷的能力。（建造和使用期间）

4、有抗地震的能力。（使用期间能抵御最大地震烈度，7-9级）

5、油罐要坐落在稳固的基础上。（控制不均匀沉陷）

三、钢油罐的种类

1、卧式圆柱形油罐

结构特点：罐体一般由钢板搭接而成，罐圈交互式排列，并取单数，使两个封头直径相同。

适用范围：一般用于高架罐、放空罐、计量罐或用于储存品种多、输量少的油

品，也可用于储存液化石油气。

2、立式圆柱形油罐

结构特点：平底由钢板搭接而成；管壁由薄钢板对接或搭接而成；灌顶由薄钢板搭接而成

注：①对于立式油罐而言，最重要的部位也是受力状况最严重、消耗金属最多的部位—罐壁和罐底的边板。

②设计油罐时，靠下部几圈壁板的厚度应根据强度条件确定，而上部几圈壁

板的厚度则按刚度条件确定。

分类：①拱顶罐——优点：能承受一定压力，结构简单，施工方便，造价低

缺点：蒸发损耗打；罐容有一定限制

②浮顶罐——优点：油品呼吸损耗小；受力状况好，结构设计容易；环境

污染小

缺点：顶在浮力下的稳定性方面欠佳，且易被雨水腐蚀或积

水，而双盘式造价较高

③内浮顶④锥顶⑤悬链式

第二章轴对称回转薄壳的内力及位移分析

一、回转薄壳基本概念和几何特征

1、回转薄壳的基本概念

中面：壳体厚度的中点所构成的面

母线：构成回转薄壳中面的原始平面曲线为母线。