《管道强度计算》PPT课件.ppt

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1、,管道及储罐强度设计,主讲:彭俊岭,课程主要内容及参考资料,一、主要内容：,本课程系统介绍了立式钢油罐强度和稳定计算的理论和设计方法，以及地,上管道、地下管道、海底管道的结构知识和强度设计方法。,二、教材及参考资料：,教材：帅健 于桂杰管道及储罐强度设计石油工业出版社2006，6,参考资料：,1、潘家华等油罐及管道强度设计石油工业出版社2004，82、GB503412003立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范3、化工设备委员会球罐和大型储罐设计2005，6,4、期刊：油气储运、石油化工设备技术、中国油脂、天然气与,石油、石油规划设计、石油工程建设、炼油技术与工程、石油工程建设,5、API650美国石

2、油学会标准6、BS2654英国油罐规范7、JIS B8501日本工业标准,考核成绩评定,一、总成绩=考试成绩（90%）+平时成绩（10%）二、考试形式：闭卷三、试题类型：1、填空题（1*15=15分）2、选择题（2*20=40分）3、论述题（7*3=21分）4、计算题（12*2=24分）总复习,教材目录,第一章 地下管道第二章 地上管道第三章 海底管道第四章 管道的曲屈分析第五章 管道抗震设计计算第六章 含缺陷管道的剩余强度评价第七章 立式储罐的基本尺寸和壁厚设计第八章 立式油罐固定顶的设计第九章 浮顶的设计计算第十章 罐底和基础设计第十一章 立式钢油罐的抗风设计第十二章 立式钢油罐的抗震设计

3、,第一章 地下管道,第一节第二节第三节第四节第五节第六节第七节第八节,概述地下管道的强度计算曲管的强度和柔性计算三通强度计算地下管道稳定性分析地下曲管道热胀弯矩和位移计算固定支墩的设计计算地下管道的抗震计算,第一节 概述,长距离油气管道和矿场集输管道一般都敷设在地下（占总长度的98%左,右），油库管道有时也采用地下敷设。当通过沼泽、高地下水位和重盐碱土地区时，可采用土堤敷设。,特点：不影响交通，环境美观，施工简单，节省投资，但不易检测、维修。,结构和材料：无缝管；有缝管（直缝管，螺旋管）。Q235AF，16Mn,管道的埋深规定：管道的埋深要考虑农田耕作深度、地面负荷对管道强度及稳定性的要求、热

4、油管道对土壤保温要求、土壤对管道的约束、管道防腐等,因素综合考虑后决定。一般规定为：管顶覆土厚度1-1.2m，且不应小于0.6-0.8m和管直径D；穿越铁路和公路时管道顶部距轨底应不小于1.3m，距公路路面应不小于1m；热油管道埋地越深，管道热损失越小，一般情况下管顶埋深取1.2m。,施工作业：挖掘管沟；焊接管路；试压；绝源；下沟；管沟回填,第一节 概述管沟底宽度规定：当管沟深度小于等于3米时，管沟底宽度b为：,式中：K-沟底加宽系数，1P284表11-1,当管沟深度大于3米且小于5米时，管沟底宽度b按上式求得值再加宽0.2米。管沟的边坡规定：根据土壤类别和土壤的物理力学性能确定。1P285表

5、11-2强度试验规定：管道在沟上或沟下焊接组装后，应进行分段试压。干线试压管段长度10-15公里，自然高差不超过30米，以1.25倍的管道工作压力作为强度试压压力。当管道最大操作压力大于8kgf/cm2时，应以水作为试压介质，小于8kgf/cm2时，允许采用空气或其它气体作为试压介质。分段接通焊接焊缝的检验：进行X射线照相或超声波检测。敷设工艺：管道下沟之前，应进行绝缘层的检查；管道下沟之时，应很好地与沟底相接触，管底与沟底之间不应存在间隙，通常在沟底回填细砂或软土；管道下沟之后应及时覆盖20cm左右的细土，以免热胀变形和大量土方回填时砸坏绝缘层；回填后的沟顶应形成30-40cm高的土堆，以防

6、积水。,b Dg K,第二节 地下管道强度计算,一、载荷和作用力：永久载荷；可变载荷；偶然载荷1、永久载荷：,输送介质的内压力；,钢管及其附件、绝缘层、保温层、结构附件的自重；输送介质的重量；土壤的压力；,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；由于连接构建相对位移而产生的作用力。,第二节 地下管道强度计算,2、可变载荷：,试运行时的水重量；,附在管道上的冰雪载荷；,由于内部高落差或风、波浪、水流等外部因素产生的冲击力；,车辆载荷及行人；,清管载荷；,检修载荷。,第二节 地下管道强度计算,3、偶然载荷,地震载荷；,振动和共振引起的载荷；,冻土或膨胀土中的膨胀压力；,沙漠

7、中沙丘移动的影响；,地基沉降附加在管道上的载荷。,第二节 地下管道强度计算二、截面应力：受内压作用的圆柱壳内应力有环向应力和轴向应力,P Rt,环向应力：2,P R2t,轴向应力：1,s,第二节 地下管道强度计算三、许用应力与管道壁厚设计,管材许用应力为：,K：强度设计系数。P7，表1-3：焊缝系数，无缝管=1，直缝管=0.8，双面焊螺旋管=0.9，单面焊螺旋管=0.7,K s,：管材的屈服强度，P5，表1-1,P D2,t 0,第二节 地下管道强度计算根据管道的环向应力计算壁厚，由薄壳应力公式得出：,1、液体管道直管段计算壁厚：,式中：P-管道的工作压力D-管道的外直径-管材许用应力，,2、

8、气体管道直管段计算壁厚：,t0,P D2 t,式中：t-温度折减系数，当温度低于120度时，取t=1,第二节 地下管道强度计算,其值向上圆整至公称,3、实际壁厚为：壁厚。,式中：C-壁厚附加量，即腐蚀裕量，由输送介质的腐蚀性能取0-1mm,t t0 C,ET,PD2,1,第二节 地下管道强度计算地下管道的壁厚一般按环向应力设计，与地上管道的壁厚设计方法相同。再用轴向应力或环向应力与轴向应力的合成应力进行强度校核。一、管道所受轴向应力由不同情况确定：1、直线埋土管段：完全嵌固段,2、靠近出土处的管截面：自由段,PDi4,1,3、过渡管段：与自由端相距一段距离的埋土管段，管道所受轴向应力随土壤对管

9、道的约束程度的不同而逐渐改变，介于1、2情况之间。,1 2 s,第二节 地下管道强度计算,ED2,1 s,ED2,PDi2,ET,1,4、埋土弹性敷设弯曲管段：完全嵌固,式中弯曲应力,对与管道外侧为拉应力，取+号，管道内侧为压应力，,取-号。弯曲应力公式推导见 P16,二、强度校核：一般管道：,2 21 2,管道节点处或接近重要建筑物处：,道的水平走向或高程的变化。最小弯曲半径满足 minR,第三节 曲管的强度和柔性计算,当管道敷设方向发生变化时，可采用弹性敷设或具有一定曲,率半径的弯管。,弹性敷设：利用管道在外力或自重作用下产生弹性变形来改变管,弯管制作方式有直管冷、热弯，和由扇形短管焊接的

10、虾米弯头。一、曲管在内压作用下的应力计算：在内压作用下，直管的环向应力沿圆周是均匀分布的，而曲管内侧环向应力最大，外侧最小，中心线处与直管环向应力相等。,E D2,F A 2 2(R r sin)d,第三节 曲管的强度和柔性计算在x轴到任意夹角的A处截取一小段管壁的面积为:A(R r sin)d,该截面上的环向内力为:,在内压P作用下，作用于微段上的力为：p r d(R r sin)d,中心线处 0 和 180,2R r sin 2(R r sin),P rt,整理得曲管在内压作用下的环向应力：2,第三节 曲管的强度和柔性计算二力在X轴方向平衡得：2(R r sin)d sin 0 p r(R

11、 r sin)d cos d,0,0,P D2t,P rt,2,0,0,2R r2(R r),P rt,2,2R r2(R r),P rt,2,曲管内侧 270,曲管外侧 90,1,1,2 rR,2 rR,)(21 rRm增强系数,2 m缩减系数,)(2 rR,)1,)1,(2,r,第三节 曲管的强度和柔性计算,2(,r,R R2 2r rR R,增强系数是曲管曲率半径和曲管管子半径之比的函数。计算结果列表如下：,R/r比值越大，增强系数越小。当R=8 r时，曲管内侧环向应力比直管仅大7%，再增大曲,管曲率半径时，增强系数减小量已不明显。,第三节 曲管的强度和柔性计算,由一个扇形短管组成的虾米

12、弯头强度为同径同壁厚圆管弯,头强度的50%，由两个扇形短管组成的虾米弯头强度为同径同壁厚圆管弯头强度的70%，由三个以上的扇形短管组成的虾米弯头强度为同径同壁厚圆管弯头强度的90%,第三节 曲管的强度和柔性计算,P D4t,P r2t,曲管在内压作用下的轴向应力：1,推导过程见P21。可见，曲管在内压作用下的轴向应力与直管相等。曲管的壁厚一般按最大环向应力设计，因此它的壁厚比直管段要厚些。,C,t,m1 P D2,1 12210 122,K,第三节 曲管的强度和柔性计算二、曲管的柔性计算：曲管由于制造和热胀时受到纵向弯矩作用，在管子截面上出现扁率（椭圆形），因此截面抗弯刚度降低。,减刚系数,t

13、 Rr 2,式中：-曲管特征系数，,q max s,13,m1 p D2t,第三节 曲管的强度和柔性计算三、曲管的强度校核：曲管由于热胀时受到纵向弯矩作用，环向应力出现增强问题。所以应校核由内压产生的环向应力和由纵向弯矩引起的环向应力之和是否在允许范围内，要求满足下式：,式中：q max-热胀时受到纵向弯矩引起的最大环向应力若不满足要求时，可增大曲管曲率半径R或设法减小作用于曲管上的弯矩（改进补偿器、增大管路系统的柔性）。,第四节 三通强度计算三通用于管线分支，其结构形式有预制三通和割孔焊接三通。一、预制三通：一般采用增加三通壁厚的方法来保证强度。,tT B,t,tT,完整干管的壁厚,B 爆破

14、压力折减系数，它是三通的爆破压力与干管的爆破压力之比。与管径、壁厚、管径比、径厚比有关。随径厚比增大而减小，支管壁厚增大而增大，支管管径增大而减小。,形成的面积。,A2-在补强区内，支管富裕壁厚,第四节 三通强度计算二、割孔焊制三通：采用等截面积补强的办法。A1 A2 A3 AR式中：A1-在补强区内，主管富裕壁厚,AR d h,形成的面积。A2,2(B b)L,A1 d(H h),L 2.5 H 或L 2.5 B M的值小者A3-补强元件的面积。,AR-主管开孔面积。例题：P27例1-4,8.8mm,10 0.4 1032 0.72 317,t0 h,P D2K s,支管的计算壁厚：,主管的

15、计算壁厚：,6.3mm,10 0.219 1032 0.72 241,t0b,P D2K s,第四节 三通强度计算P27例1-4例题：一支管直径为0.219m壁厚8.2mm接在直径0.400m壁厚10mm主管上。支管材料的屈服极限 s 241MPa，主管材料的屈服极限 s 317MPa。该管线的工作压力为10MPa，工作温度52，运行地区为一级地区。试设计补强圈的厚度。解：强度设计系数查表得：K=0.72,第四节 三通强度计算,AR d toh(219 2 8.2)8.8 1786.4mm2,需要补强的面积：,主管富裕壁厚形成的面积：,A1(tH t0 h)d(10 8.8)203 243.6

16、mm2,支管富裕壁厚形成的面积：,A2 2(tB t0b)L 2(8.2 6.3)25 95mm2,式中：L 2.5tH 或L 2.5tB M的值小者暂取：L 2.5tH 2.5 10 25mm,7.76mm,1447.8203 2 8.2,A3d 2tB,M,第四节 三通强度计算补强元件的面积：A3 AR(A1 A2)1786.4(243.6 95)1447.8mm2d2补强元件的厚度：,P so h,2K 0 EIR,Pcr,Pcr,13,P,第五节 地下管道稳定性校核一、管道径向稳定性校核：当壁厚与外径之比小于1/110，埋地管道应进行径向稳定性校核。当壁厚与外径之比大于1/110时，具

17、有足够的径向稳,定性。,管道所受径向外载荷,管道受外压失稳的临界压力,式中：K0-土壤压缩抗力系数，又称基础系数。P123表4-1 so-土壤的比重。,EIK 0 D,1 4,Pcr 2 K 0 DEI,4,21,2 2,EIK 0 D,第五节 地下管道稳定性校核二、管道轴向稳定性校核：地下管道受轴向压力达到或超过临界值时，将发生轴向失稳，管道将发生波浪形或凸起弯曲而拱出地面造成管道破坏事故。,1、埋地直管发生失稳的临界压力为：产生波浪形弯曲的波长为：,产生凸起弯曲的波长为：,式中：K0-土壤压缩抗力系数，又称基础系数。P123表4-1,第五节 地下管道稳定性校核,2、向上弯曲的埋地管道的失稳

18、临界压力为：式中:0-计算曲率半径,q-管道向上作横向位移时的极限阻力，P124,Pcr 0.375q 0,轴向稳定性校核：,P L A Pcr,第六节 地下曲管道热胀弯矩和位移计算,埋地管道中的曲管在温度变化时和地上曲管,一样受到热胀弯矩的作用，而且发生横向位移。有可能造成弯头的破裂或者发生严重的变形而影响清管器的通过。,但是，埋地管道中的曲管在温度变化时受到热胀弯矩不仅与曲管的材料、结构尺寸、温度变化等因素有关，而且和周围土壤的性质、施工情况等因素有关。尚无精确的计算方法。简化计算方法是将埋地曲管的水平弯头当作一个点看待，弯头相当于弹性抗弯铰。有如下结论：,1、埋地弯头的热胀弯矩与拐角有关

19、，拐角在15-35时，热胀弯矩较大；,2、回填土夯实，有利于降低弯头的热胀弯矩；3、距弯头两端一定距离设置固定支墩。,第七节 固定支墩的设计计算为了防止管道热胀推挤设备，在地下管道出土前和某些地下管道弯头的两侧常设置固定支墩加以保护。下面介绍上托式固定支墩的计算方法。一、固定支墩的受力计算：管道作用在支墩上的推力P靠支墩与土壤间的摩擦力来平衡。管道作用在支墩上的推力为：,ET,PD2,ET A0.2,PD2,PD4,P A L A,由于固定支墩不能绝对固定，稍有位移将使推力减小，因此由上式求得的推力值应乘一个折减系数来确定。,)45()2(2 02000 btgHHHHababHT soso,

20、式中：-支墩与土壤间的摩擦系数,第七节 固定支墩的设计计算,2,支墩与土壤间的摩擦力：支墩的上下左右四个面上的摩擦力之和,0-支墩材料的比重,-土壤的内摩擦角,二、力平衡校核：,T K P,式中：K-安全系数，取1/2-1/3,-推力折减系数,(t),(t),t,2 2,(t),xv,2T,第八节 地下管道的抗震计算地震对埋地管道的危害有三种情况。一是由于地震对土壤严重破坏使土壤失去整体连续性（断层错动），二是土壤液化使管道缺乏支承产生过大变形而破坏（砂土液化），三是地震波作用下地基土的变形。下面讨论地震波,作用下管道的应力与应变。沿横波方向的土壤位移可用波动方程表示为：y(x,t)a0 si

21、n,)sin,xv,T,a0(,2 y2,y,2T,式中：a0-横波振幅；T-横波周期，P153，表5-13；v-横波波速则地基土体的应变为：x Tv T v则地基土体运动的速度和加速度为：,cos,xv,a0,yt,y,2T,2T,2 2,第八节 地下管道的抗震计算,2Tv,max,a0,),T,amax a0(,则地基土体运动的最大加速度为：,则地基土体的最大应变为：amax已知地震系数 K g,则：,max,K g T2v,amax K g,1.2,E,max,K g T2v,max E,K g T2v,考虑管道与土壤间有相对变形和管道本身刚性的作用，管道位移幅值要比同方向土壤的自由变位

22、位移小些，因此引入传递系数，又引入安全系数得,第八节 地下管道的抗震计算地震时若管道具有同周围土体同样的变形，从而求得地震时的附加应力：,管道最大的轴向应变：max则地震时管道的附加应力：,E,K g T2v,max max E 1.2,管道地震强度校核：,a s,第一章复习题,1、管道的强度设计和强度校核的方法？2、管道受内压作用时截面应力的计算？3、管材的许用应力如何确定？,4、曲管受内压作用时截面应力的计算？,5、割孔三通的补强原则？补强区域如何确定？6、管道的稳定性校核的内容？,7、地震对埋地管道的危害有几种情况？,复习题解答,第二章 地上管道,第一节第二节第三节第四节第五节第六节,概

23、述管道壁厚设计管架受力计算管道跨度设计管道热应力计算常用补偿器的设计,第一节 概述,一、特点和应用：检修方便，发现和清除事故容易；但占空间位置，限制了通道的高度，不美观。应用于油库和炼厂以及跨越山谷、河流，通过沼泽、沙漠、永久冻土地区。二、结构：无缝管；有缝管（直缝管，螺旋管）,三、材料：Q235AF，16Mn,四、受力分析：介质内压，自重，风雪载荷，温度应力。五、设计内容：管道壁厚设计，跨度设计，热应力计算，热补,偿方法选择，管架受力计算。,第二节 管道壁厚设计,地上管道的壁厚一般按环向应力设计，与地下管道的壁厚设计方法相同。,第三节 管架受力计算,一、管架的分类：地上管道是由管架或支架支承

24、，下面介绍管架的分类。,1、按支架高低分类：低支架和管枕；中、高支架；悬臂托架2、按支架的结构形式分类：独立式支架；组合式支架3、按支架对管道的约束形式分类：固定支架；活动支架4、按管道的跨越形式分类：梁式管道跨越；“”刚架管道跨,越；桁架式管道跨越；轻型托架式管道跨越；单管拱跨越；组合管拱跨越；悬缆式管道跨越；悬垂式管道跨越；悬索式管道,跨越；斜拉索式管道跨越。P50图2-7,第三节 管架受力计算二、管架的受力分析：根据载荷的作用方向不同，分为三种载荷：1、垂直载荷：,液体管道作用于支架上的总垂直载荷：q气体管道作用于支架上的总垂直载荷：,1.2(qz qw)l qv lq 1.2(qz q

25、w ql)l,式中：qZ-管道单位长度自重qw-管道单位长度上保温层重量qv-管道单位长度内输送的液体重量ql-管道单位长度内冷凝液体的重量L-管架间距,第三节 管架受力计算,2、横向水平载荷：管道受风载荷传递给管架，特别高大的管架也要考虑风载荷。,Tw 1.3K K z 0 D l,式中：K-管道风载体型系数，P52表2-2,Kz-风压高度变化系数，P248表11-2,0-标准风压，P248表11-1,D-管道外径L-管架间距,Pn,d 2 P,4,第三节 管架受力计算3、轴向水平载荷：管道受轴向推力，可能有下列三项，根据具体情况计算。1）管道的轴向摩擦力：对于活动支架。冷缩时取正，热胀时,

26、取负。,2）管道内压引起的不平衡轴向力：对于固定支架。,3）补偿器的反弹力：对于固定支架。,Pm q Ls Cos,第四节 管道跨度设计,管道的两支承之间的距离称为跨度。它的大小取决于管材的强度、管子截面刚度、外载荷、管道敷设的坡度以及管道允许的最大挠度。通常可按管子的强度和刚度来确定。一、按强度条件来确定管道跨度,1、受力分析：等跨度连续梁，受重力作用，在中间支承处有最大弯矩M,2、最大弯曲应力 w,q L,(D d),第四节 管道跨度设计,MW12,2,4 4,tD 2,2ID,4,32D,式中：最大弯矩 M,q L212Wq-管道单位长度重量，L-中间跨度,考虑应力过大会造成支承处塑性变

27、形，以及焊缝影响，最大弯曲应力修正为/16-焊缝系数，取值按P56表2-5,管道弹性截面系数 W,P D 2,第四节 管道跨度设计,15 w W q,L中跨,),(,2,2t,w 1.21,3、等跨度连续梁的中间跨度,式中：w-许用外载综合应力，考虑内压作用下有环向应力和可能出现轴向应力，则有：,W,第四节 管道跨度设计,q L28,q L210W,M/,L边跨,0.82L中跨,10 w W q,L弯跨 0.667L中跨,4、连续梁的两边跨度：连续梁的边跨支座上的弯矩为 M,最大弯曲应力 w,5、连续梁的水平弯跨：对于水平弯管，还存在扭矩作用，最大允许跨度,可按下式计算：,得：,x,24E I

28、 i x,1 24E I Dg,L 2 x x 2 2 q 2,24E I Dg,x 3,q 10,4x q 10 L 式中：x-管道低支座到管子最大挠度处的距离i-管道的敷设坡度,用不同的x值试算上两式，直到求出的L值相同为止。这时求得的L值就是允许跨度。,第四节 管道跨度设计二、按刚度条件确定管道跨度：根据对挠度的限制来确定管道跨度1、允许有反坡，限制管道的最大挠度 max 0.1Dg由连续梁的挠度方程和最大挠度限制条件求得：y ix,第四节 管道跨度设计2、严格不允许出现反坡，管道的最大转角变形 max i由连续梁的转角方程和最大转角限制条件,求得：,尽端直管的跨度为,管道通常按强度条件

29、确定跨度，对于蒸气管道或对其挠度有特殊需要的管道，应按刚度条件计算跨度，再校核强度，最后选用两者中数值较小者。P228-229表列出气体和液体管道的最大允许跨度。,E I iq,L 53,3,48E I iq,L,PA,E t,第五节 管道热应力计算一、直管热应力管道热应力：受约束的管道在温度变化时不能自由膨胀或收缩而产生的内应力。,式中：-管材的线膨胀系数E-管材的弹性模量,-管道的工作温度与安装温度之差 t t1 t0,t,直管热应力的大小与管道的截面积和长度无关，而与材料的性质和温度的变化有关。,P,L,L,PE A,自由伸长量 L(t1 t0)L L t,受约束P压缩量 L,约束力 P

30、 E A t,管子截面积计算得：A 2.17 10 m,1.22 105/0 CE 1.975 105 MPa,2,3,例题如图所示，设油罐的进出油管线为159*4.5钢管，管材为Q235A钢，工作温度为100C，安装温度为0C，当管线在1点处固定时，求管线的热应力和对油罐的推力。,解：查Q235A性质参数：,P A 522.86kN,管线热应力：E t 1.22 105 197.5109 100 240.95MPa,对油罐的推力：,第五节 管道热应力计算,c,ba,Py,MxyPx,二、平面管系的热应力计算（弹性中心法）：弹性管道热胀时引起支座对管系的反力称弹性力，包括力和力矩。通过求解弹性

31、力，就可求得管系任意截面上的热应力。现以角形管道为例，如图所示，暂不考虑曲管柔性，计算弹性力。力法方程如下：Px xx Py xy M xy xM xPx yx Py yy M xy yM yPx Mx Py My M xy MM 0,式中：,-柔性系数，j方向的单位力在i方向产生的位移,ij,x,y-平面管系在X、Y方向上的热伸长量,第五节 管道热应力计算,J xE I,xx,J yE I,yy,S xE I,xM Mx,管子的柔性系数如下：,S yE I,yM My,LE I,MM,J xyE I,xy yx,式中：Jx-管系对X轴的线惯性矩Jy-管系对Y轴的线惯性矩Jxy-管系对X、Y轴

32、的线惯性积Sx-管系对X轴的静矩Sy-管系对Y轴的静矩L-管系的总长,第五节 管道热应力计算,柔性系数的符号按位移和作用力的方向来确定。二者方向一致为正，反之为负。,所以，力法方程可写为：,为简化求解，设一刚臂由管系C端连接管系形心，则管系C端受力可移至管系形心O点，通过形心O建立坐标系，管系对X、Y轴的静矩均为零。上式可简化为：,Px J x Py J xy M xy S x x E I Px J xy Py J y M xy S y y E I Px S x Py S y M xy L 0,Px J x Py J xy x E I Px J xy Py J y y E I,第五节 管道热应

33、力计算解方程组，可得形心处作用于刚臂端点O的弹性力为：,J y xEI J xy yEIJ x J y J xy2J x yEI J xy xEIJ x J y J xy2,Px Py,将弹性力Px和Py合成得到一个通过形心的推力P，推力P的作用线称为推力线。推力线到管线上任意点的法向距离与推力P的乘积就是该点所受的热胀力矩,M maxW,max,第五节 管道热应力计算计算各点弯矩，求出管系最大弯矩：将弹性力Px和Py合成得到一个通过形心的推力P，推力P的作用线称为推力线。推力线到管线上任意点的法向距离与推力P的乘积就是该点所受的热胀力矩。由图知弯矩最大值在端点或拐点处。计算最大热应力：热胀在

34、管路中不仅引起弯曲应力，还产生轴向压应力和管截面上的剪应力，但以弯曲应力为主。,x0,L,L,L,y0,第五节 管道热应力计算平面管线的形心坐标、线静距、线惯性矩、线惯性积的计算,22,S y bL,L22,A水平管道AB S x aL,AS y bL,1、求解平面管线的形心坐标 S yB B2、线静距：S x ydl(a l sin)dl,A A垂直管道AB S x aL,S xB BS y xdl(b l cos)dl,J xbc b L,J xybc,d L dL,bL22,abL,2 2,L33,J xab,水平管道BC（起点座标a,b）,2垂直管道AB（起点座标c,d）,cL22,J

35、 xyab cdL,L33,J ybc,a 2 L aL2,J yab c 2 L,管系ABC：,J x J xab J xbc,J y J yab J ybc,J xy J xyab J xybc,A,A,第五节 管道热应力计算3、建立以形心为原点的坐标系，求管系对此座标轴的线惯性矩和线惯性积：B B B BJ x y 2 dl(a l sin)2 dl J y x 2 dl(b l cos)2 dlA AB BJ xy xydl(b l cos)(a l sin)dl,第五节 管道热应力计算,弹性中心法计算平面管系热应力的步骤：,1、计算管系自由伸长量2、求管系的形心座标,3、建立以形心为

36、原点的坐标系，求管系对此座标轴的线惯性,矩和线惯性积：,4、求通过形心处作用于刚臂端点O的弹性力5、求管系端点的热胀力矩,6、求管系中的最大热应力：某端点热胀力矩最大，则该点处,有最大热应力。,1、计算管系自由伸长量 mLttx bc 0122.0101001022.1)(12,例题,如图所示，设油罐的进出油管线为159*4.5钢管，B2管长为5m，BC管长为,10m，管材为Q235AF钢，工作温度温度为100C，安装温度为0C，当管线固定点由1移至2处时，求管系的最大热应力和对油罐的推力。,解：查有关表格得，1.22 105/0 C,E 1.975 105 MPaA 2.17 103 m2W

37、 8.2 105 m3I 6.52 106 m4,5,y(t2 t1)Lab 1.22 105 100 5 0.0061m,0,0,例题2、求管系的形心座标,S yL,10 22 3.33m5 10,S yab S ybcLab Lbc,x0,S xL,0.83m,52 25 10,S xab S xbcLab Lbc,y0,Y,O(3.33,0.83),C,A,B,X,例题3、建立以形心为原点的坐标系，求管系对此座标轴的线惯性矩和线惯性积：,OY,C(-6.67,-0.83),A,B(3.33,-0.83),X,J xbc b 2 L(0.83)2 10 6.89,533,24.42,(0.

38、83)2 5(0.83)52,L33,d 2 L dL2,J xab,J x J xab J xbc 24.42 6.89 31.3式中：,1033,111.2,(6.67)2 10(6.67)10 2,L33,a 2 L aL2,J ybc,J yab c 2 L 3.332 5 55.45,例题J y J yab J ybc 55.45 111.2 166.7,式中：,J xy J xyab J xybc 27.61 13.86 41.5式中：J2 22J xybc abL(0.83)(6.67)10 13.862 2,J x J y J,J x J y J,例题4、求通过形心处作用于刚臂

39、端点O的弹性力,843.8N,J y xEI J xy yEI2xy,Px,256.9 N,J x yEI J xy xEI2xy,Py,c,b,a,P,O,82 10,例题,5、求管系端点的热胀力矩M a Py X 0 Px(Lab Y0)2663.2NmM b Py X 0 PxY0 1555.8NmM c Py(Lab X 0)PxY0 1013.2Nm,6、求管系中的最大热应力：A点热胀力矩最大，则A点处有最大热应力。,M aW,PyA,0.118 32.478 32.6MPa,256.921.7 10,2663.25,3,max,与前例题中直管热应力240.95MPa对比，角形平面管

40、系的热应力大大降低。,c,ba,P,O,第五节 管道热应力计算三、考虑弯管柔性的平面管系热应力计算：,，换算成计算长度，然后按直管的计算,将弯管的长度乘以方法计算。,1K,式中：K-弯管的减刚系数。,第六节 常用补偿器的设计及应用,一、常见的补偿器：,补偿器：能增大管道弹性，减小管道热应力的弯曲管段或伸缩装置。,自然补偿器：在布置管道时自然形成的弯曲管段。如L型、Z型、型补偿器。它不多费管材，不增加介质的流动阻力。在自然补,偿器不能满足要求时，才采用人工补偿器。,人工补偿器：专门设置的用来吸收管道热胀的弯曲管段和伸缩装,置。如 型、型补偿器，波纹补偿器，填料函式补偿器。,第六节 常用补偿器的设

41、计及应用,型补偿器：由钢管弯制而成。工作温度和压力与原管道相同，补偿能力大（400mm)；尺寸大，占位大，增加了介质的流动阻力。,波纹补偿器：由钢板、红铜、铝板薄片制成。结构尺寸小，占位小，不增加介质的流动阻力；补偿能力不大（90mm），工作压力有限制。,填料函式补偿器：由套筒伸缩装置构成。结构尺寸小，补偿能力大不增加介质的流动阻力。易卡住、泄露。,t 1.5,第六节 常用补偿器的设计及应用二、补偿器的设计计算：1、弹性中心法：分析计算管道的热应力P74表2-9，2-10，2-11，与管材的许用热应力作比较：t,在常温和工作循环次数较低时：,在高温和工作循环次数较高时：t f(1.25 c 0

42、.25 h)式中：f-由循环次数确定的应力降低系数，P72表2-8,2,208.3,Dg(L u),第六节 常用补偿器的设计及应用2、简化计算方法：判断管道有无足够的补偿能力。,式中：Dg-管子的公称直径，mm。,-管道在温度变化时的自由伸长量，mm。,L-两个固定支架间的管路实际总长，m。u-两个固定支架间的直线长度，m。,2,208.3,406 43.68(60 2h 60),h 4.6(m),60m,第六节 常用补偿器的设计及应用例：如图所示，在相距60m的两个固定支架之间的管道中，设计膨胀弯的尺寸h。已知管子直径D=406mm，管道的安装温度为15，运行温度为80，管材的线膨胀系数 1

43、.12 105/0C解：管道在温度变化时的自由伸长量：h,L u t 1.12 105 60(80 15)43.68mm由简易校核公式得：,解得：,数 1.12 10/C,第二章复习题1、管道跨度可按什么条件来确定？2、解释管道热应力、补偿器？3、试述补偿器的类型及其应用？4、如图所示，设油罐的进出油管线为159*4.5钢管，B2管长为5m，BC管长为10m，管材为Q235C钢，工作温度温度为100C，安装温度为0C，当管线固定点由1移至2处时，求管系的最大热应力和对油罐的推力。,5、在相距60m的两个固定支架之间的管道中，设计型补偿器的尺寸h。已知管子直径D=300mm，管道的安装温度为20

44、，运行温度为80，管材的线膨胀系5 0复习题解答,60m,h,第三章 海底管道,第一节 波浪、海流对管道的作用第二节 稳定性及其设计第三节 埋设,第四节 海底管道的锚固,第五节 管道土壤稳定性分析,第六节 管道悬空段的涡流振动第七节 双层管的结构与强度,第八节 铺管船法铺管的应力分析,第九节 海底挖沟敷设管线的应力分析,第四章 管道的曲屈分析,第一节地下管道的轴向曲屈第二节海底管道的上浮曲屈,第三节集中载荷作用下的管道局部失稳第四节外压作用管道的曲屈第五节海底管道的曲屈传播,第五章 管道抗震设计计算,第一节 地震波、震级、烈度,第二节 场地及地基土类别的划分第三节 跨越断层管道的抗震设计第四节

45、 砂土的地震液化,第五节 地震波作用下管道的应力与应变,第一节 地震波、震级、烈度,一、概念：,1、震级：在一次地震中地壳所释放的能量。常用里氏震级表示。,2、烈度：地震对某一地区影响的强烈程度。它与震级、震源深度、震中距、土壤情况等因素有关，根据破坏程度和人们的感觉划分为12度。P141表5-1.工程抗震设防范围为7、8、9度，9度以上地区不宜建设油罐和其它工业设,施。,二、地震波的形式：,1、纵波：又称为压缩波或疏密波，速度为横波的1.8倍，振动周期短，振幅,小，传播不远，向地面传播时产生上下振动，破坏性小。,2、横波：又称为剪切波或等容波，振动周期长，振幅大，传播距离远，向,地面传播时产生水平摇晃，破坏性大。,ag,W k,F m a W,第一节 地震波、震级、烈度三、抗震设计方法1、静力法：假定物体上各点的加速度与地面加速度完全一致，即嵌在地表,2、动力法：高大结构不符合假设条件。从结构本身的动力学特性（振型、振动周期、阻尼等）出发，研究地震引起结构的反应，从而进行设计计算和抗震校核。,上的刚体。则有地震力-地震系数k式中：,第六章 含缺陷管道的剩余强度评价,第一节含缺陷管道剩余强度评价的断裂力学基础第一节含裂纹缺陷管道的剩余强度评价第一节含体积型缺陷管道的剩余强度评价第一节管道缺陷的修理,