压力管道的强度计算教案Word下载.docx
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2．管子壁厚计算
ﻫ承受内压管子理论壁厚公式,按管子外径确定时为
ﻫﻫ
按管子内径确定时为
式中：
——管子理论壁厚，；
Ｐ——管子的设计压力,;
——管子外径，；
——管子内径,；
ﻫ φ——焊缝系数；
[σ]ｔ——管子材料在设计温度下的基本许用应力，。
管子理论壁厚,仅是按照强度条件确定的承受内压所需的最小管子壁厚。
它只考虑了内压这个基本载荷，而没有考虑管子由于制造工艺等方面造成其强度削弱的因素，因此它只反映管道正常部位强度没有削弱时的情况。
作为工程上使用的管道壁厚计算公式，还需考虑强度削弱因素。
因此,工程上采用的管子壁厚计算公式为
（2-3）
——管子计算壁厚，；
C——管子壁厚附加值，。
ﻫ
（1）焊缝系数（φ）ﻫ 焊缝系数φ,是考虑了确定基本许用应力安全系数时未能考虑到的因素。
焊缝系数与管子的结构、焊接工艺、焊缝的检验方法等有关。
ﻫ根据我国管子制造的现实情况,焊缝系数按下列规定选取：
［1]ﻫ 对无缝钢管,φ=1.0；
对单面焊接的螺旋线钢管,φ=0．6；
对于纵缝焊接钢管，参照《钢制压力容器》的有关标准选取:
ﻫ①双面焊的全焊透对接焊缝:
1００％无损检测 φ＝1．０;
ﻫ局部无损检测φ=0.S5。
ﻫ ②单面焊的对接焊缝，沿焊缝根部全长具有垫板:
ﻫ100%无损检测 φ＝0．9;
局部无损检测 φ=0．8；
ﻫ
（2）壁厚附加量（C）ﻫ 壁厚附加量C,是补偿钢管制造：
工艺负偏差、弯管减薄、腐蚀、磨损等的减薄量，以保证管子有足够的强度。
它按下列方法计算：
1２
（２-４）
C1——管子壁厚负偏差、弯管减薄量的附加值，;
C2——管子腐蚀、磨损减薄量的附加值，。
①管子壁厚负偏差和弯管减薄量的附加值:
ﻫ 在管子制造标准中，允许有一定的壁厚负偏差,为了使管子在有壁厚负偏差时的最小壁厚不小于理论计算壁厚,管子计算壁厚中必须计人管子壁厚负偏差的附加值。
ﻫ 在管子标准中,壁厚允许负偏差一般用壁厚的百分数表示，令α为管子壁厚负偏差百分数,则得
热轧无缝钢管。
值的规定值见表２.1。
表2．１普通钢管厚度负偏差α值[2]
钢管种类
壁厚（）
负偏差α%
普通
高级
碳素钢和低合金钢
≤２0ﻫ>
２0
１5
1２．5
12．5ﻫ１０
不锈钢
≤10
＞１0-20
20
12.5
1５
如果需要同时计及弯管减薄量的补偿,则壁厚附加值可按下列方法考虑:
[３]
在弯制管予时，弯管的外侧壁厚将减薄，内侧壁厚将加厚。
目前一般采用的热弯工艺,弯管减薄量约为8%~１０％,但弯管在内压作用下的应力分布与直管有区别,在弯管弯曲半径大于管子外径４倍，弯管减薄量为8％~10%时,内压引起的环向应力比直管约大５%。
在此情况下,工程上一般将弯管与直管取相同的理论壁厚，而在壁厚附加值中计人一定的裕量。
作为对弯管减薄量的补偿。
壁厚附加值由下式计算:
以上为无缝钢管管子壁厚附加值C1的计算方法。
对于采用钢板或钢带卷制的焊接钢管,其壁厚负偏差就是钢板、钢带的允许负偏差。
这时的C1值可按下列数据采用：
ﻫ 壁厚为5.5及以下时，C１=0.５;
壁厚为7及以下时, C1＝０.６；
壁厚为25及以下时, C1=０．８;
ﻫ②管子腐蚀和磨损减薄量的附加值ﻫ 当介质对管子的腐蚀并不严重，即腐蚀速度小于0．０5／a（年）时,单面腐蚀取C2＝1～１.5,双面腐蚀取C２=２~2．5。
ﻫ 当管子外面涂防腐油漆时,可认为是单面腐蚀,当管子内外壁均有较严重腐蚀时,则认为是双面腐蚀。
当介质对管子材料腐蚀速率大于0.0５/a时,则应根据腐蚀速度和使用年限决定Ｃ2值。
ﻫ
3.弯管壁厚计算
弯管在承受内压时，若弯管各点壁厚相同，且无椭圆效应,则弯管内侧应力最大，外侧最小，弯管破坏应发生在内侧。
但采用直管弯制成弯管后，壁厚是有变化的。
如图2.２，外侧壁厚减薄，内侧壁厚5ｅ增厚；
横截面产生一定的椭圆度对应力的影响，致使应力分布也发生变化，外侧由于壁厚减薄而使应力增加，内侧则由壁厚增加而使应力降低。
综合起来，弯管外侧壁的实际环向应力仍比直管大,内侧壁的环向应力则比直管小。
且应力值与弯管的弯曲半径及有关。
而弯管的径向应力与直管相同，没有变化。
因此，计算弯制弯管的管子理论壁厚公式为
ﻫﻫﻫﻫ
ﻫ图2.2弯管
—平均直径;
—外侧壁薄;
—内侧壁厚；
R—弯曲半径。
——弯管理论计算壁厚，；
R——弯管弯曲半径,。
ﻫ 将直管理论壁厚的表达式（2—１）代人式（2—７）,则可得
目前,工程上一般都采用式（2—8）来计算弯制弯管的理论壁厚。
ﻫ弯制弯管时，弯管处横截面变得不圆,它对应力有影响，可用最大外径与最小外径之差表示。
——弯管最大外径与最小外径之差（%）;
——弯管横截面最大外径,;
——弯管横截面最小外径,。
ﻫ 在内压作用下,不圆的横截面将趋于圆形，短轴伸长,长轴缩短,f点和ａ点处产生较大的拉应力，易形成纵向裂纹（见图2．3）。
越大，产生的局部应力也越大。
达到一定值后,将使弯管承载能力降低而导致破坏。
因此，在各国的技术规范中,对最大外径与最小外径之差都有一定的规定。
我国的502３5—97《工业金属管道工程施工及验收规范》对弯制弯管规定为：
对输送剧毒流体的钢管或设计压力P≥10的钢管不超过５％，输送剧毒流体以外的钢管或设计压力P小于10的钢管不超过8％。
[4］
４.焊制三通壁厚计算ﻫ
在管道工程中，常要用到大小不等的各种三通。
如图2．4。
由于三通处曲率半径发生突然变化以及方向的改变，导致主支管接管处出现相当大的应力集中,可比管道正常部位的应力高出6—7倍。
但这种应力集中现象只发生在局部区域,离接管处稍远就很快衰减。
只要将接管处的主管或支管加厚（或主、支管同时加厚），或采用补强的方法,便可降低峰值应力，满足强度要求。
ﻫ三通主管理论壁厚公式为[5]
ﻫﻫﻫ
ﻫﻫﻫﻫﻫ
图２．３ 弯管处不圆情况ﻫ
图2.4 三通
式中:
——主管理论计算壁厚，；
φ——强度削弱系数,对于单筋、蝶式等局部补强的三通,φ＝0.9。
ﻫ式（２—10）适用于≤660，支管内径与主管内径之比/≥0.8,主管外径与内径之比
的取值范围在１．０5≤β≤1．５的焊制三通。
焊制三通所用管子为无缝钢管（否则应考虑焊缝系数）。
ﻫ 三通支管的理论壁厚：
c:
\iknow\docshare\data\cur_work\ｔ
——支管理论壁厚，;
——支管外径，。
焊制三通长度一般取为3．５，高度一般取为1.7。
ﻫﻫ
５.异径管壁厚计算
对图２．5所示大小头，可采用下式计算（日本宇部公司所采用的计算方法）理论壁厚:
[6］
——异径管理论最小壁厚,；
——最小壁厚处内径,;
θ———圆锥顶角的1/2。
ﻫ 采用图2.５所示结构时,θ不得大于3０°
设θ1=θ,则θ1与P／（[σ]t·
φ）相对应的值不得超过表２．2所列数值,中间值可用插值法求取。
表２.2
[σ]t·
φ
0.2
0.5
1
２
4
8
10
θ1
6
9
１2．５
1７.5
24
27
３0
图2．5异径管
6．焊接弯头的强度计算
焊接弯头也称斜接弯头或虾米腰弯头。
这里介绍美国国家标准压力管道规范B31.３和我国化工行业标准所规定的计算方法。
［5]［７]
1）多节斜接弯头ﻫ 对图2．6所示多节斜接弯头，当θ角小于或等于22.5°
时，其最大容许内压可用以下两公式计算,并取两公式计算结果中较小者：
ﻫﻫﻫﻫﻫﻫﻫ
ﻫ图2．６多节斜接弯头
Ｒ1——弯曲半径,；
——管子平均半径，;
ﻫ θ——弯头切割角度,°
；
应用此规定时，弯曲半径只:
值必须满足下列条件：
式中A值由管子壁厚决定,见表2.3。
表2.３
ﻫﻫﻫ2）单节斜接弯头
θ角小于或等于22.５°
时的单节斜接弯头与多节斜接弯头相同。
当θ角大于２2.5°
时,单节斜接弯头的最大容许压力可按下式计算：
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