管道与储罐强度 1地下管道ppt课件.ppt

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1、第1章 地下管道,干线（长输）管道中98%是地下；管道地下敷设的好处施工简单、占地面积小，节省投资，容易受到保护，不影响交通和农业耕作管道过沼泽、高地下水位和重盐碱土地区时，经技术经济比较后，可采用土堤敷设。,1-1 荷载和作用力,荷载是管道及其附件强度设计的依据。实际中存在多种载荷，各具不同特征，造成的材料破坏形式和机理也存在差异。 荷载分类：永久荷载可变荷载偶然荷载设计时组合。,永久荷载（恒荷载）,输送介质的内压力；钢管及其附件、绝缘层、保温层、结构附件等的自重；输送介质的重量；横向和竖向的土压力；静水压力和水浮力；温度应力以及静止流体由于受热膨胀而增加的力；由于连接构件相对位移而产生的作

2、用力。,可变荷载（活荷载）,试运行时的水重量；附在管道上的冰雪荷载；由于内部高落差或风、波浪、水流等外部因素产生的冲击力；车辆荷载及行人；清管荷载；检修荷载。,偶然荷载,位于地震基本烈度七度及七度以上地区的管道，由地震引起的活动断层位移、沙土液化、地基滑坡施加在管道上的力；由于振动和共振所引起的应力；冻土或膨胀土中的膨胀压力；沙漠中沙丘移动的影响；地基沉降附加在管道的荷载。,1-2 环向应力,内压是影响管道强度的最主要荷载，因而环向应力是管道上最重要的应力；内压产生环向应力和轴向应力；由环向应力（内压）确定壁厚。,轴向应力,精确解：,近似解,例1-1：管道外径273mm，壁厚9mm，内压10M

3、pa，分别按精确值和薄壁近似公式计算管道的轴向应力和管道横截面的截面系数，并比较两种计算方法的差别。,解：已知：,轴向应力,精确值：,近似值（薄壁）：,两者的相对误差为10.8。,管道横截面系数,相对误差3.3。,精确值：,近似值：,管道轴向应力和截面系数的近似值的保守性随比值Dt增大而增大。,厚壁圆筒某些高压管道,厚壁圆筒中有径向应力,Lamei公式,弹性力学的经典公式,仅有内压,环向应力的最大值在内壁,例1-2：管道外径273mm，壁厚9mm，内压10Mpa，分别按薄壁和厚壁管道计算管道的环向应力，并比较两者的差别。,解：已知,薄壁和厚壁管道公式计算如下：,两者的误差为3.3%。,薄壁：,

4、厚壁：,一般而言，如果Dt比值小于20，则应按厚壁管考虑,1-3 许用应力与壁厚设计,1、许用应力,式中,许用应力,设计系数，按标准取值。,焊缝系数,钢管的最低屈服强度 (SMYS),钢管的最低屈服强度和焊缝系数（一）,钢管的最低屈服强度和焊缝系数（二）,NB为无缝钢管和焊接钢管用钢，QB为无缝钢管用钢，MB为焊接钢管用钢；带*数值为0.5%应变的应力值。,2、输油管道的壁厚设计公式,式中,壁厚，mm。,设计压力，MPa。,管道直径，mm。,钢管的许用应力，MPa。,3、输气管道壁厚设计公式,式中,壁厚，mm。,设计压力，MPa。,管道直径，mm。,钢管的许用应力，MPa。,焊缝系数。,设计系

5、数。,温度折减系数，当温度低于120C时，取t=1.0。,输气管道的强度设计系数,地区等级（沿管道中心线两侧各200m范围内，任意划分成长度为2km并能包括最大聚居户数的若干地段 ）一级地区：户数在15户或以下的区段；二级地区：户数在15户以上、100户以下的区段；三级地区：户数在100户或以上的区段，包括市郊居住区、商业区、工业区、发展区以及不够四级地区条件的人口稠密区 四级地区：系指四层及四层以上楼房（不计地下室层数）普通集中、交通频繁、地下设施多的地区。,穿越铁路、公路和及输气站内管道的强度设计系数,管道跨越强度设计系数,管道跨越工程等级,关于地区类别的说明,管道安全性的两种观点：强度控

6、制距离控制本质安全是管道对周围建筑物安全的重要保障设计系数降低应力水平，提高安全度地区类别划分：国内外略有差别截断阀设置等安全管理的重要依据。,1-4 轴向应力与变形,产生轴向应力的原因：温度变化内压泊松效应内压轴向作用（局部）,1、热应力两端固定管道,在静不定结构中，温度变化将引起应力。,热伸长,变形协调条件,求出,热应力,2、泊松效应,泊松效应在管道中产生拉应力,轴向应力和变形的两个分量：,压力分量（拉）泊松效应；温度分量（通常为压）；,总的轴向应变（如果可以自由伸缩）：,总的轴向应力（如果受到约束）：,例1-3：直径762mm管道，壁厚22.2mm，内压15MPa，温度变化90。管材的弹

7、性模量E=210Gpa，泊松系数=0.3，线膨胀系数。试按上述公式计算轴向应力的泊松效应分量、温度分量以及总的轴向应力。,解：泊松效应的应力分量为,温度应力分量,总的轴向应力为,出（入）土段的管道应力与变形,过渡段摩擦阻力与热伸缩力相平衡,摩擦力,1-5 固定支墩的设计计算,固定支墩的作用是防止管线的轴向运动。,在地下管道出土进入泵房或阀室的地方和某些地下管道弯头的两侧，常需设置固定支墩来加以保护。,固定支墩设计上的考虑,支墩受力平衡；支墩不倾覆；支墩下面的土壤有足够的耐压。,一、固定支墩的受力平衡计算,管道作用在固定支墩上的推力,推力折减系数,考虑到固定支墩不能绝对固定，稍有位移将使推力大大

8、减小。工程上使用折减系数。折减系数取1/31/2。视具体情况而定：重要出土处，取1/21/3；跨越或架空管出土处，取1/2；水下穿越两端的弯头处，取1/3；地下埋土弯头（拐角15），取1/31/2。,支墩的阻力,在支墩的四个面上存在土壤的摩擦力：上部的的垂直压力为墩顶土重；底部的垂直反力为墩顶土重和墩本身的重量；左右面上的土压力。支墩前后面上的土压力：支墩后面受主动土压力；支墩前面受被动土压力。,支墩阻力的计算公式,支墩平衡的校核的条件为,K为安全系数，一般取K1.2。为折减系数,二、支墩的倾覆校核,要求支墩在水平推力作用下不沿支墩的前边缘倾覆。,支墩倾覆的校核条件为,三、地耐压校核,在推力和

9、土重以及支墩自重的联合作用下，相当于偏心受压载荷，给地基的压力是不均匀的。,偏心距为,列平衡方程并求解,校核的条件为,1-6 弯曲,弹性敷设改变方向不平地面改线下沉其他吊装施工悬空（水下、地质灾害）弯曲应力可以和管道的轴向应力迭加。,1、简单弯曲,弹性阶段,塑性阶段,2、管道能作横向自由移动时的情况,弯曲管道的轴向应力,3、管道下沉,一些情况下，如严重冲蚀段或新建公路、铁路处，管子需要从原来的直线位置下沉。管道下沉将使管子弯曲并同时使轴线拉长。,弯曲半径方程,弯曲段的曲率半径与轴向伸长组合变形,第二项可忽略,弯曲段的弯曲应力和拉伸应力,组合应力,1-7 弯管,在管道转角处，采用了具有一定曲率的

10、曲管；油气管道的建设中，需要在现场制作弯管。,现场冷弯弯管的最小弯管半径（mm）,1、曲管在内压作用下的应力,弯管是一双重曲率面所限制的壳体，所以弯管在内压作用下的应力状态与直管有本质的不同曲管的轴向应力和直管相等,曲管的环向应力分布,2、曲管的柔性计算,在管道系统的应力和应变分析时，必须考虑曲管的柔性。曲管产生柔性的原因扁率,计算公式冯卡曼（Von-Karman）的级数解,弯管的特征系数,克拉克（Clark）和雷斯聂尔（Reissner）的简化解,3、应力加强系数,有关弯曲的基础理论不足以解释弯管的工作的独特性。工程上定义应力增强系数纵向弯曲应力系数环向弯曲应力系数,工程上常用的,1-8 三

11、通,主管与支管的连接。两个圆柱壳体呈直角（也可以是斜角）的组合件。制造方法热冲压法 焊接 专门的补强圈和无补强圈的焊接三通,由于三通处曲率半径发生突然变化以及方向的改变，导致在主支管接管处出现相当大的应力集中现象，常可比完整管道的应力高出57倍。,等面积补强法输气管道工程设计规范（GB 50251-94）,A3在有效补强区内，另加的补强元件的面积，包括这个区内的焊缝截面积。,管道或管道附件的开孔补强应符合下列规定：,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。当相邻两支管中

12、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。,当支管直径小于或等于50mm时，可不补强。 当支管外径等于或大于1/2倍主管外径时，应采用三通或采用全包型补强 。开孔边缘距主管焊缝宜大于主管壁厚的5倍。,1-9 管道的强度校核,由环向应力确定管道的壁厚；管道上一点的应力状态,环向应力：内、外压产生； 轴向应力：内压、外压、热膨胀以及其它力和弯矩等； 根据不同的强度理论，对上述应力进行综合,

13、常用的强度理论,Tresca屈服条件，也称为最大剪应力条件,Mises屈服条件，也称为最大应变能条件,管道的工程设计规范常采用Tresca屈服条件,对于受约束的管道,对于轴向不受约束的管道,1-10 基于可靠性的设计方法,传统的设计方法是安全（设计）系数法，它的不足之处：各种参数都当作定值，而实际的工程设计变量均有不确定性；由于把设计参数视为定值，没有分析参数散布情况对可靠度的影响，因而使结构的安全程度具有不确定性，所以安全系数并不一定能代表结构的可靠程度；安全系数只根据经验确定，难免有较大的主观随意性。,现代设计方法基于可靠性的设计方法,概率性的方法不确定性存在于各种因素之中载荷条件（内压、

14、外压）、强度判据、材料参数、尺寸等；采用基于可靠性设计方法的理由理性考虑各种因素的不确定性。,1、可靠性的基本理论,结构极限状态的定义为：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足结构的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态。,可靠性的计算原理,正态分布情况下,失效概率,讨论：R- L0，失效概率低于0.5R- L =0，失效概率等于0.5；R- L 0，失效概率大于0.5；方差越大，失效概率越大；,例题,某管道，经分析强度R（907.2kN，136kN）,应力S（544.3kN，113.4kN）,试求可靠性指标和失效概率。,解：可靠性指标,查标准正态分布表,失效概率,如果将强度的标

15、准差从136.0kN降到90.70kN，则失效概率将降到0.0062,可靠性指标,在结构可靠性问题中，通常定义,2、分项安全系数法,单一安全系数不能对一切偶然事故均提供合理的保护；对于不同的设计参数，采用不同的安全系数，称为分项安全系数；例如，对载荷等设计变量分别乘以一个系数，对阻力等设计变量除以一个系数。,一个有代表性的LRFD公式：,其中Sc和Rc是特征载荷和特征阻力，下标E和F分别表示环境载荷和功能载荷，E ，F和R分别是环境载荷、功能载荷和特征阻力的分项安全系数；该公式隐含了多个极限状态。,CSA Z662中采用的公式,抗力（强度）分项安全系数（0.9）；G，Q，E，A分别是永久的、运

16、行的、环境的以及偶然的载荷。,公式中反映的设计理念,分项安全系数的取值,3、管道极限状态,三个特定的设计要求定义管道的极限状态： 最终极限状态指管道不能容纳其所输送的流体的状态。这一极限状态具有明显安全和环境影响意义，例如管道的泄漏和破裂。最终极限状态通常与含有缺陷的断裂模式有关。 ；输送能力极限状态已不能达到服役要求，但还能容纳流体的状态。简而言之，管道已不适合使用。比如，管道已不能顺利通过流体或在线维护检测工具。这一极限状态对于安全或环境没有直接的影响。例如撞损或屈服造成的永久变形。运行极限状态指在该管道结构运行寿命期间出现缓慢衰变形成的极限状态，如疲劳、腐蚀。,管道设计考虑的极限状态,最

17、终极限状态或强度极限状态环向压力屈服破裂、断裂和疲劳轴向载荷塑性垮塌、断裂、屈曲挠曲载荷屈服、断裂、局部屈曲、起皱在超载或热力作用下上述的载荷的组合输送能力极限状态或变形极限状态过度的横断面变形成椭圆形过度的梁柱变形弯曲共振运行极限状态或逐渐退化降级的极限状态由于波动的内部压力引发的疲劳断裂由于外部压力（超载荷）引发的疲劳断裂由于腐蚀疲劳引起的断裂由于裂缝扩展引起的断裂由于腐蚀引起的损坏（泄漏）,本章小节,管道载荷是管道强度及其附件设计的依据，分永久载荷、可变载荷和偶然载荷三类，内压是主要载荷；计算,大作业计算报告,内容:壁厚设计组合应力（考虑温度变化、弯曲）稳定性校核地震应力计算要求：自选设计参数（管道、运行）及其它设计条件合理确定设计系数公式引用正确结论书写工整、条理清晰独立完成,