管道及儲(chǔ)罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)嶺2021/12/21管道強(qiáng)度計(jì)算課程主要內(nèi)容及參考資料一、主要內(nèi)容：本課程系統(tǒng)介紹了立式鋼油罐強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算的理論和設(shè)計(jì)方法，以及地上管道、地下管道、海底管道的結(jié)構(gòu)知識(shí)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。二、教材及參考資料：教材：帥健于桂杰《管道及儲(chǔ)罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)》石油工業(yè)出版社2006，6參考資料：1、潘家華等《油罐及管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)》石油工業(yè)出版社2004，82、GB50341—2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》3、化工設(shè)備委員會(huì)《球罐和大型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)》2005，64、期刊：油氣儲(chǔ)運(yùn)、石油化工設(shè)備技術(shù)、中國油脂、天然氣與石油、石油規(guī)劃設(shè)計(jì)、石油工程建設(shè)、煉油技術(shù)與工程、石油工程建設(shè)5、API650美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)6、BS2654英國油罐規(guī)范7、JISB8501日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2021/12/22管道強(qiáng)度計(jì)算考核成績?cè)u(píng)定

一、總成績=考試成績（90%）+平時(shí)成績（10%）二、考試形式：閉卷三、試題類型：1、填空題（1*15=15分）

2、選擇題（2*20=40分）

3、論述題（7*3=21分）

4、計(jì)算題（12*2=24分）

總復(fù)習(xí)2021/12/23管道強(qiáng)度計(jì)算教材目錄

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設(shè)計(jì)計(jì)算第六章含缺陷管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)第七章立式儲(chǔ)罐的基本尺寸和壁厚設(shè)計(jì)第八章立式油罐固定頂?shù)脑O(shè)計(jì)第九章浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)計(jì)算第十章罐底和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)第十一章立式鋼油罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì)第十二章立式鋼油罐的抗震設(shè)計(jì)2021/12/24管道強(qiáng)度計(jì)算第一章地下管道

第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)第五節(jié)第六節(jié)第七節(jié)第八節(jié)概述地下管道的強(qiáng)度計(jì)算曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算三通強(qiáng)度計(jì)算地下管道穩(wěn)定性分析地下曲管道熱脹彎矩和位移計(jì)算固定支墩的設(shè)計(jì)計(jì)算地下管道的抗震計(jì)算2021/12/25管道強(qiáng)度計(jì)算第一節(jié)概述長距離油氣管道和礦場集輸管道一般都敷設(shè)在地下（占總長度的98%左右），油庫管道有時(shí)也采用地下敷設(shè)。當(dāng)通過沼澤、高地下水位和重鹽堿土地區(qū)時(shí)，可采用土堤敷設(shè)。特點(diǎn)：不影響交通，環(huán)境美觀，施工簡單，節(jié)省投資，但不易檢測、維修。結(jié)構(gòu)和材料：無縫管；有縫管（直縫管，螺旋管）。Q235AF，16Mn管道的埋深規(guī)定：管道的埋深要考慮農(nóng)田耕作深度、地面負(fù)荷對(duì)管道強(qiáng)度及穩(wěn)定性的要求、熱油管道對(duì)土壤保溫要求、土壤對(duì)管道的約束、管道防腐等因素綜合考慮后決定。一般規(guī)定為：管頂覆土厚度1-1.2m，且不應(yīng)小于0.6-0.8m和管直徑D；穿越鐵路和公路時(shí)管道頂部距軌底應(yīng)不小于1.3m，距公路路面應(yīng)不小于1m；熱油管道埋地越深，管道熱損失越小，一般情況下管頂埋深取1.2m。施工作業(yè)：挖掘管溝；焊接管路；試壓；絕源；下溝；管溝回填2021/12/26管道強(qiáng)度計(jì)算

第一節(jié)概述管溝底寬度規(guī)定：當(dāng)管溝深度小于等于3米時(shí)，管溝底寬度b為：式中：K-------溝底加寬系數(shù)，[1]P284表11-1

當(dāng)管溝深度大于3米且小于5米時(shí)，管溝底寬度b按上式求得值再加寬0.2米。管溝的邊坡規(guī)定：根據(jù)土壤類別和土壤的物理力學(xué)性能確定。[1]P285表11-2強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)定：管道在溝上或溝下焊接組裝后，應(yīng)進(jìn)行分段試壓。干線試壓管段長度10-15公里，自然高差不超過30米，以1.25倍的管道工作壓力作為強(qiáng)度試壓壓力。當(dāng)管道最大操作壓力大于8kgf/cm2時(shí)，應(yīng)以水作為試壓介質(zhì)，小于8kgf/cm2時(shí)，允許采用空氣或其它氣體作為試壓介質(zhì)。分段接通焊接焊縫的檢驗(yàn)：進(jìn)行X射線照相或超聲波檢測。敷設(shè)工藝：管道下溝之前，應(yīng)進(jìn)行絕緣層的檢查；管道下溝之時(shí)，應(yīng)很好地與溝底相接觸，管底與溝底之間不應(yīng)存在間隙，通常在溝底回填細(xì)砂或軟土；管道下溝之后應(yīng)及時(shí)覆蓋20cm左右的細(xì)土，以免熱脹變形和大量土方回填時(shí)砸壞絕緣層；回填后的溝頂應(yīng)形成30-40cm高的土堆，以防積水。b

Dg

K2021/12/27管道強(qiáng)度計(jì)算第二節(jié)地下管道強(qiáng)度計(jì)算一、載荷和作用力：永久載荷；可變載荷；偶然載荷1、永久載荷：輸送介質(zhì)的內(nèi)壓力；鋼管及其附件、絕緣層、保溫層、結(jié)構(gòu)附件的自重；輸送介質(zhì)的重量；土壤的壓力；靜水壓力和水浮力；溫度應(yīng)力以及靜止流體由于受熱膨脹而增加的力；由于連接構(gòu)建相對(duì)位移而產(chǎn)生的作用力。2021/12/28管道強(qiáng)度計(jì)算第二節(jié)地下管道強(qiáng)度計(jì)算2、可變載荷：試運(yùn)行時(shí)的水重量；附在管道上的冰雪載荷；由于內(nèi)部高落差或風(fēng)、波浪、水流等外部因素產(chǎn)生的沖擊力；車輛載荷及行人；清管載荷；檢修載荷。2021/12/29管道強(qiáng)度計(jì)算第二節(jié)地下管道強(qiáng)度計(jì)算3、偶然載荷地震載荷；振動(dòng)和共振引起的載荷；凍土或膨脹土中的膨脹壓力；沙漠中沙丘移動(dòng)的影響；地基沉降附加在管道上的載荷。2021/12/210管道強(qiáng)度計(jì)算

第二節(jié)地下管道強(qiáng)度計(jì)算二、截面應(yīng)力：受內(nèi)壓作用的圓柱殼內(nèi)應(yīng)力有環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力P

R t環(huán)向應(yīng)力：

2

P

R

2t軸向應(yīng)力：

1

2021/12/211管道強(qiáng)度計(jì)算

s

第二節(jié)地下管道強(qiáng)度計(jì)算三、許用應(yīng)力與管道壁厚設(shè)計(jì)管材許用應(yīng)力為：

K：強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)0.4---0.72。P7，表1-3η：焊縫系數(shù)，無縫管η=1，直縫管η=0.8，雙面焊螺旋管

η=0.9，單面焊螺旋管η=0.7[

]

K

s：管材的屈服強(qiáng)度，P5，表1-12021/12/212管道強(qiáng)度計(jì)算P

D

2[

]t0

第二節(jié)地下管道強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)管道的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算壁厚，由薄殼應(yīng)力公式得出：1、液體管道直管段計(jì)算壁厚：式中：P------管道的工作壓力

D------管道的外直徑

[σ]------管材許用應(yīng)力，2、氣體管道直管段計(jì)算壁厚：t0

P

D2[

]

t式中：t-------溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度低于120度時(shí)，取t=12021/12/213管道強(qiáng)度計(jì)算第二節(jié)地下管道強(qiáng)度計(jì)算其值向上圓整至公稱3、實(shí)際壁厚為：壁厚。式中：C------壁厚附加量，即腐蝕裕量，由輸送介質(zhì)的腐蝕性能取0-1mmt

t0

C2021/12/214管道強(qiáng)度計(jì)算

E

TPD

2

1

第二節(jié)地下管道強(qiáng)度計(jì)算

地下管道的壁厚一般按環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)，與地上管道的壁厚設(shè)計(jì)方法相同。再用軸向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力的合成應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核。一、管道所受軸向應(yīng)力由不同情況確定：1、直線埋土管段：完全嵌固段2、靠近出土處的管截面：自由段PDi

4

1

3、過渡管段：與自由端相距一段距離的埋土管段，管道所受軸向應(yīng)力隨土壤對(duì)管道的約束程度的不同而逐漸改變，介于1、2情況之間。2021/12/215管道強(qiáng)度計(jì)算

1

2

s第二節(jié)地下管道強(qiáng)度計(jì)算ED2

1

sED2

PDi

2

E

T

1

4、埋土彈性敷設(shè)彎曲管段：完全嵌固式中彎曲應(yīng)力對(duì)與管道外側(cè)為拉應(yīng)力，取+號(hào)，管道內(nèi)側(cè)為壓應(yīng)力，取-號(hào)。彎曲應(yīng)力公式推導(dǎo)見P16二、強(qiáng)度校核：一般管道：

2212管道節(jié)點(diǎn)處或接近重要建筑物處：2021/12/216管道強(qiáng)度計(jì)算道的水平走向或高程的變化。最小彎曲半徑滿足minR

第三節(jié)曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算當(dāng)管道敷設(shè)方向發(fā)生變化時(shí)，可采用彈性敷設(shè)或具有一定曲率半徑的彎管。彈性敷設(shè)：利用管道在外力或自重作用下產(chǎn)生彈性變形來改變管彎管制作方式有直管冷、熱彎，和由扇形短管焊接的蝦米彎頭。一、曲管在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力計(jì)算：在內(nèi)壓作用下，直管的環(huán)向應(yīng)力沿圓周是均勻分布的，而曲管內(nèi)側(cè)環(huán)向應(yīng)力最大，外側(cè)最小，中心線處與直管環(huán)向應(yīng)力相等。E

D

2[

]2021/12/217管道強(qiáng)度計(jì)算F

A

2

2

(R

rsin

)d

第三節(jié)曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算在x軸到任意夾角的A處截取一小段管壁的面積為:

A

(R

rsin

)d

該截面上的環(huán)向內(nèi)力為:在內(nèi)壓P作用下，作用于微段上的力為：p

r

d

(R

rsin

)d

2021/12/218管道強(qiáng)度計(jì)算中心線處

0和

180

2R

rsin

2(R

rsin

)

P

r t整理得曲管在內(nèi)壓作用下的環(huán)向應(yīng)力：

2

第三節(jié)曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算二力在X軸方向平衡得：

2

(R

rsin

)d

sin

0p

r(R

rsin

)d

cos

d

00P

D

2t

P

r t

2

00

2Rr2(Rr)

Pr t

2

2Rr2(Rr)

Pr t

2

曲管內(nèi)側(cè)

270曲管外側(cè)

902021/12/219管道強(qiáng)度計(jì)算R/rm1m221.50.8331.250.8841.170.9061.100.9381.070.94101.060.95121.050.961

1

2

rR2

rR)(21

rRm增強(qiáng)系數(shù)2

m縮減系數(shù)

)(2

rR)1

)1

(2r第三節(jié)曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算2(r

RR22

rr

RR增強(qiáng)系數(shù)是曲管曲率半徑和曲管管子半徑之比的函數(shù)。計(jì)算結(jié)果列表如下：R/r比值越大，增強(qiáng)系數(shù)越小。當(dāng)R=8r時(shí)，曲管內(nèi)側(cè)環(huán)向應(yīng)力比直管僅大7%，再增大曲管曲率半徑時(shí)，增強(qiáng)系數(shù)減小量已不明顯。2021/12/220管道強(qiáng)度計(jì)算第三節(jié)曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算由一個(gè)扇形短管組成的蝦米彎頭強(qiáng)度為同徑同壁厚圓管彎頭強(qiáng)度的50%，由兩個(gè)扇形短管組成的蝦米彎頭強(qiáng)度為同徑同壁厚圓管彎頭強(qiáng)度的70%，由三個(gè)以上的扇形短管組成的蝦米彎頭強(qiáng)度為同徑同壁厚圓管彎頭強(qiáng)度的90%2021/12/221管道強(qiáng)度計(jì)算第三節(jié)曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算P

D

4t

P

r

2t曲管在內(nèi)壓作用下的軸向應(yīng)力：

1

推導(dǎo)過程見P21?？梢?，曲管在內(nèi)壓作用下的軸向應(yīng)力與直管相等。 曲管的壁厚一般按最大環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)，因此它的壁厚比直管段要厚些。

Ct

m1

P

D

2[

]2021/12/222管道強(qiáng)度計(jì)算

1

12

210

12

2K

第三節(jié)曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算二、曲管的柔性計(jì)算：曲管由于制造和熱脹時(shí)受到縱向彎矩作用，在管子截面上出現(xiàn)扁率（橢圓形），因此截面抗彎剛度降低。減剛系數(shù)t

R r2式中：λ------曲管特征系數(shù)，

2021/12/223管道強(qiáng)度計(jì)算

qmax

s13m1

p

D

2t

第三節(jié)曲管的強(qiáng)度和柔性計(jì)算三、曲管的強(qiáng)度校核：曲管由于熱脹時(shí)受到縱向彎矩作用，環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)增強(qiáng)問題。所以應(yīng)校核由內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力和由縱向彎矩引起的環(huán)向應(yīng)力之和是否在允許范圍內(nèi)，要求滿足下式：

式中：

qmax------熱脹時(shí)受到縱向彎矩引起的最大環(huán)向應(yīng)力 若不滿足要求時(shí)，可增大曲管曲率半徑R或設(shè)法減小作用于曲管上的彎矩（改進(jìn)補(bǔ)償器、增大管路系統(tǒng)的柔性）。2021/12/224管道強(qiáng)度計(jì)算

第四節(jié)三通強(qiáng)度計(jì)算

三通用于管線分支，其結(jié)構(gòu)形式有預(yù)制三通和割孔焊接三通。一、預(yù)制三通：一般采用增加三通壁厚的方法來保證強(qiáng)度。

tT

Bt

tT

完整干管的壁厚

B

爆破壓力折減系數(shù)，它是三通的爆破壓力與干管 的爆破壓力之比。與管徑、壁厚、管徑比、徑厚 比有關(guān)。隨徑厚比增大而減小，支管壁厚增大而 增大，支管管徑增大而減小。0.67---0.952021/12/225管道強(qiáng)度計(jì)算形成的面積。A2------在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)，支管富裕壁厚

第四節(jié)三通強(qiáng)度計(jì)算

二、割孔焊制三通：采用等截面積補(bǔ)強(qiáng)的辦法。

A1

A2

A3

AR式中：A1------在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)，主管富裕壁厚AR

d

h形成的面積。A2

2(

B

b)LA1

d(

H

h)L

2.5

H或L

2.5

B

M的值小者A3------補(bǔ)強(qiáng)元件的面積。

AR------主管開孔面積。例題：P27例1-42021/12/226管道強(qiáng)度計(jì)算

8.8mm10

0.4

1032

0.72

317

t0h

P

D2K

s支管的計(jì)算壁厚：主管的計(jì)算壁厚：

6.3mm10

0.219

103

2

0.72

241

t0b

P

D2K

s

第四節(jié)三通強(qiáng)度計(jì)算P27例1-4例題：一支管直徑為0.219m壁厚8.2mm接在直徑0.400m壁厚10mm主管上。支管材料的屈服極限

s

241MPa，主管材料的屈服極限

s

317MPa。該管線的工作壓力為10MPa，工作溫度52℃，運(yùn)行地區(qū)為一級(jí)地區(qū)。試設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度。解：強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)查表得：K=0.722021/12/227管道強(qiáng)度計(jì)算第四節(jié)三通強(qiáng)度計(jì)算AR

d

toh

(219

2

8.2)

8.8

1786.4mm2需要補(bǔ)強(qiáng)的面積：主管富裕壁厚形成的面積：A1

(tH

t0h)

d

(10

8.8)

203

243.6mm2支管富裕壁厚形成的面積：A2

2(tB

t0b)

L

2

(8.2

6.3)

25

95mm2式中：L

2.5tH或L

2.5tB

M的值小者暫?。篖

2.5tH

2.5

10

25mm2021/12/228管道強(qiáng)度計(jì)算

7.76mm

1447.8203

2

8.2

A3d

2tBM

第四節(jié)三通強(qiáng)度計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)元件的面積：

A3

AR

(A1

A2)

1786.4

(243.6

95)

1447.8mm2

d

2補(bǔ)強(qiáng)元件的厚度：2021/12/229管道強(qiáng)度計(jì)算P

soh2K0EI RPcr

Pcr13P

第五節(jié)地下管道穩(wěn)定性校核一、管道徑向穩(wěn)定性校核：當(dāng)壁厚與外徑之比小于1/110，埋地管道應(yīng)進(jìn)行徑向穩(wěn)定性校核。當(dāng)壁厚與外徑之比大于1/110時(shí)，具有足夠的徑向穩(wěn)定性。管道所受徑向外載荷管道受外壓失穩(wěn)的臨界壓力式中：K0------土壤壓縮抗力系數(shù)，又稱基礎(chǔ)系數(shù)。P123表4-1

so------土壤的比重。2021/12/230管道強(qiáng)度計(jì)算

EIK0D

1

4Pcr

2K0DEI4

2

1

2

2

EIK0D

第五節(jié)地下管道穩(wěn)定性校核

二、管道軸向穩(wěn)定性校核：地下管道受軸向壓力達(dá)到或超過臨界值時(shí)，將發(fā)生軸向失穩(wěn)，管道將發(fā)生波浪形或凸起彎曲而拱出地面造成管道破壞事故。1、埋地直管發(fā)生失穩(wěn)的臨界壓力為： 產(chǎn)生波浪形彎曲的波長為：產(chǎn)生凸起彎曲的波長為：式中：K0------土壤壓縮抗力系數(shù)，又稱基礎(chǔ)系數(shù)。P123表4-12021/12/231管道強(qiáng)度計(jì)算第五節(jié)地下管道穩(wěn)定性校核2、向上彎曲的埋地管道的失穩(wěn)臨界壓力為：式中:

0------計(jì)算曲率半徑q------管道向上作橫向位移時(shí)的極限阻力，P124Pcr

0.375q

0軸向穩(wěn)定性校核：P

L

A

Pcr2021/12/232管道強(qiáng)度計(jì)算第六節(jié)地下曲管道熱脹彎矩和位移計(jì)算埋地管道中的曲管在溫度變化時(shí)和地上曲管一樣受到熱脹彎矩的作用，而且發(fā)生橫向位移。有可能造成彎頭的破裂或者發(fā)生嚴(yán)重的變形而影響清管器的通過。

但是，埋地管道中的曲管在溫度變化時(shí)受到熱脹彎矩不僅與曲管的材料、結(jié)構(gòu)尺寸、溫度變化等因素有關(guān)，而且和周圍土壤的性質(zhì)、施工情況等因素有關(guān)。尚無精確的計(jì)算方法。簡化計(jì)算方法是將埋地曲管的水平彎頭當(dāng)作一個(gè)點(diǎn)看待，彎頭相當(dāng)于彈性抗彎鉸。有如下結(jié)論：1、埋地彎頭的熱脹彎矩與拐角有關(guān)，拐角在15°---35°時(shí)，熱脹彎矩較大；2、回填土夯實(shí)，有利于降低彎頭的熱脹彎矩；3、距彎頭兩端一定距離設(shè)置固定支墩。2021/12/233管道強(qiáng)度計(jì)算

第七節(jié)固定支墩的設(shè)計(jì)計(jì)算

為了防止管道熱脹推擠設(shè)備，在地下管道出土前和某些地下管道彎頭的兩側(cè)常設(shè)置固定支墩加以保護(hù)。下面介紹上托式固定支墩的計(jì)算方法。一、固定支墩的受力計(jì)算：管道作用在支墩上的推力P靠支墩與土壤間的摩擦力來平衡。管道作用在支墩上的推力為：

E

T]PD

2

E

T]

A[0.2PD

2

PD

4

P

A

L

A[

由于固定支墩不能絕對(duì)固定，稍有位移將使推力減小，因此由上式求得的推力值應(yīng)乘一個(gè)折減系數(shù)來確定。2021/12/234管道強(qiáng)度計(jì)算])45()2(2[02000btgHHHHababHTsoso

式中：------支墩與土壤間的摩擦系數(shù)

第七節(jié)固定支墩的設(shè)計(jì)計(jì)算2

支墩與土壤間的摩擦力：支墩的上下左右四個(gè)面上的摩擦力之和

0------支墩材料的比重

------土壤的內(nèi)摩擦角二、力平衡校核：T

K

P式中：K-------安全系數(shù)，取1/2---1/3

-------推力折減系數(shù)2021/12/235管道強(qiáng)度計(jì)算(t

)(t

)

t2

2(t

)xv2

T

第八節(jié)地下管道的抗震計(jì)算

地震對(duì)埋地管道的危害有三種情況。一是由于地震對(duì)土壤嚴(yán)重破壞使土壤失去整體連續(xù)性（斷層錯(cuò)動(dòng)），二是土壤液化使管道缺乏支承產(chǎn)生過大變形而破壞（砂土液化），三是地震波作用下地基土的變形。下面討論地震波作用下管道的應(yīng)力與應(yīng)變。 沿橫波方向的土壤位移可用波動(dòng)方程表示為：y(x,t)

a0sin)sinxvT

a0(

2y

2

y

2

T式中：a0------橫波振幅；T------橫波周期，P153，表5-13；v------橫波波速則地基土體的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

xTvTv

則地基土體運(yùn)動(dòng)的速度和加速度為：cosxv

a0

y

t

y

2

T2

T2021/12/236管道強(qiáng)度計(jì)算2

2第八節(jié)地下管道的抗震計(jì)算2

Tv

max

a0)Tamax

a0(則地基土體運(yùn)動(dòng)的最大加速度為：則地基土體的最大應(yīng)變?yōu)椋?/p>

amax已知地震系數(shù)K

g則：

maxK

g

T

2

v

amax

K

g2021/12/237管道強(qiáng)度計(jì)算

1.2

E

maxK

g

T

2

v

max

E

K

g

T

2

v

考慮管道與土壤間有相對(duì)變形和管道本身剛性的作用，管道位移幅值要比同方向土壤的自由變位位移小些，因此引入傳遞系數(shù)，又引入安全系數(shù)得

第八節(jié)地下管道的抗震計(jì)算地震時(shí)若管道具有同周圍土體同樣的變形，從而求得地震時(shí)的附加應(yīng)力：管道最大的軸向應(yīng)變：

max

則地震時(shí)管道的附加應(yīng)力：EK

g

T

2

v

max

max

E

1.2

管道地震強(qiáng)度校核：

a

s2021/12/238管道強(qiáng)度計(jì)算第一章復(fù)習(xí)題1、管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核的方法？2、管道受內(nèi)壓作用時(shí)截面應(yīng)力的計(jì)算？3、管材的許用應(yīng)力如何確定？4、曲管受內(nèi)壓作用時(shí)截面應(yīng)力的計(jì)算？5、割孔三通的補(bǔ)強(qiáng)原則？補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域如何確定？6、管道的穩(wěn)定性校核的內(nèi)容？7、地震對(duì)埋地管道的危害有幾種情況？復(fù)習(xí)題解答2021/12/239管道強(qiáng)度計(jì)算第二章地上管道

第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)第五節(jié)第六節(jié)

概述 管道壁厚設(shè)計(jì) 管架受力計(jì)算 管道跨度設(shè)計(jì)管道熱應(yīng)力計(jì)算常用補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)2021/12/240管道強(qiáng)度計(jì)算第一節(jié)概述一、特點(diǎn)和應(yīng)用：檢修方便，發(fā)現(xiàn)和清除事故容易；但占空間位置，限制了通道的高度，不美觀。應(yīng)用于油庫和煉廠以及跨越山谷、河流，通過沼澤、沙漠、永久凍土地區(qū)。二、結(jié)構(gòu)：無縫管；有縫管（直縫管，螺旋管）三、材料：Q235AF，16Mn四、受力分析：介質(zhì)內(nèi)壓，自重，風(fēng)雪載荷，溫度應(yīng)力。五、設(shè)計(jì)內(nèi)容：管道壁厚設(shè)計(jì)，跨度設(shè)計(jì)，熱應(yīng)力計(jì)算，熱補(bǔ)償方法選擇，管架受力計(jì)算。2021/12/241管道強(qiáng)度計(jì)算第二節(jié)管道壁厚設(shè)計(jì)地上管道的壁厚一般按環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)，與地下管道的壁厚設(shè)計(jì)方法相同。2021/12/242管道強(qiáng)度計(jì)算第三節(jié)管架受力計(jì)算一、管架的分類：地上管道是由管架或支架支承，下面介紹管架的分類。1、按支架高低分類：低支架和管枕；中、高支架；懸臂托架2、按支架的結(jié)構(gòu)形式分類：獨(dú)立式支架；組合式支架3、按支架對(duì)管道的約束形式分類：固定支架；活動(dòng)支架4、按管道的跨越形式分類：梁式管道跨越；“Π”剛架管道跨越；桁架式管道跨越；輕型托架式管道跨越；單管拱跨越；組合管拱跨越；懸纜式管道跨越；懸垂式管道跨越；懸索式管道跨越；斜拉索式管道跨越。P50圖2-72021/12/243管道強(qiáng)度計(jì)算

第三節(jié)管架受力計(jì)算二、管架的受力分析：根據(jù)載荷的作用方向不同，分為三種載荷：1、垂直載荷：液體管道作用于支架上的總垂直載荷：q氣體管道作用于支架上的總垂直載荷：

1.2(qz

qw)l

qvlq

1.2(qz

qw

ql)l式中：qZ------管道單位長度自重

qw------管道單位長度上保溫層重量

qv------管道單位長度內(nèi)輸送的液體重量

ql------管道單位長度內(nèi)冷凝液體的重量

L------管架間距2021/12/244管道強(qiáng)度計(jì)算第三節(jié)管架受力計(jì)算2、橫向水平載荷：管道受風(fēng)載荷傳遞給管架，特別高大的管架也要考慮風(fēng)載荷。Tw

1.3K

Kz

0

D

l式中：K------管道風(fēng)載體型系數(shù)，P52表2-2Kz------風(fēng)壓高度變化系數(shù)，P248表11-2ω0------標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓，P248表11-1D------管道外徑

L------管架間距2021/12/245管道強(qiáng)度計(jì)算Pn

d2

P

4

第三節(jié)管架受力計(jì)算3、軸向水平載荷：管道受軸向推力，可能有下列三項(xiàng)，根據(jù)具體情況計(jì)算。

1）管道的軸向摩擦力：對(duì)于活動(dòng)支架。冷縮時(shí)取正，熱脹時(shí)取負(fù)。2）管道內(nèi)壓引起的不平衡軸向力：對(duì)于固定支架。3）補(bǔ)償器的反彈力：對(duì)于固定支架。Pm

q

Ls

Cos

2021/12/246管道強(qiáng)度計(jì)算第四節(jié)管道跨度設(shè)計(jì)

管道的兩支承之間的距離稱為跨度。它的大小取決于管材的強(qiáng)度、管子截面剛度、外載荷、管道敷設(shè)的坡度以及管道允許的最大撓度。通?？砂垂茏拥膹?qiáng)度和剛度來確定。 一、按強(qiáng)度條件來確定管道跨度1、受力分析：等跨度連續(xù)梁，受重力作用，在中間支承處有最大彎矩M2021/12/247管道強(qiáng)度計(jì)算2、最大彎曲應(yīng)力

w

q

L(D

d)

第四節(jié)管道跨度設(shè)計(jì)

MW12244tD22I D

4

32D

式中：最大彎矩M

q

L212W

q---管道單位長度重量，L-----中間跨度考慮應(yīng)力過大會(huì)造成支承處塑性變形，以及焊縫影響，最大彎曲應(yīng)力修正為

/

1 6

------焊縫系數(shù)，取值按P56表2-5管道彈性截面系數(shù)W

2021/12/248管道強(qiáng)度計(jì)算PD2[

]第四節(jié)管道跨度設(shè)計(jì)

15[

]w

W

qL中跨)(2

[

]2t[

]w

1.21

3、等跨度連續(xù)梁的中間跨度式中：[

]w-----許用外載綜合應(yīng)力，考慮內(nèi)壓作用下有環(huán)向應(yīng)力和 可能出現(xiàn)軸向應(yīng)力，則有：2021/12/249管道強(qiáng)度計(jì)算W

第四節(jié)管道跨度設(shè)計(jì)q

L2

8

q

L210W

M

/L邊跨

0.82L中跨

10[

]w

W

qL彎跨

0.667L中跨4、連續(xù)梁的兩邊跨度：連續(xù)梁的邊跨支座上的彎矩為M

最大彎曲應(yīng)力

w

5、連續(xù)梁的水平彎跨：對(duì)于水平彎管，還存在扭矩作用，最大允許跨度可按下式計(jì)算：得：2021/12/250管道強(qiáng)度計(jì)算x

24E

Ii

x124E

IDg

L

2x

x2

2

q224E

IDgx3q10

4

xq10L

式中：x-------管道低支座到管子最大撓度處的距離

i-------管道的敷設(shè)坡度用不同的x值試算上兩式，直到求出的L值相同為止。這時(shí)求得的L值就是允許跨度。

第四節(jié)管道跨度設(shè)計(jì)二、按剛度條件確定管道跨度：根據(jù)對(duì)撓度的限制來確定管道跨度1、允許有反坡，限制管道的最大撓度

max

0.1Dg由連續(xù)梁的撓度方程和最大撓度限制條件求得：

y

ix2021/12/251管道強(qiáng)度計(jì)算

第四節(jié)管道跨度設(shè)計(jì)2、嚴(yán)格不允許出現(xiàn)反坡，管道的最大轉(zhuǎn)角變形

max

i由連續(xù)梁的轉(zhuǎn)角方程和最大轉(zhuǎn)角限制條件求得：盡端直管的跨度為

管道通常按強(qiáng)度條件確定跨度，對(duì)于蒸氣管道或?qū)ζ鋼隙扔刑厥庑枰墓艿?，?yīng)按剛度條件計(jì)算跨度，再校核強(qiáng)度，最后選用兩者中數(shù)值較小者。P228-229表列出氣體和液體管道的最大允許跨度。E

I

i qL

53348E

I

i qL

2021/12/252管道強(qiáng)度計(jì)算PA

E

t

第五節(jié)管道熱應(yīng)力計(jì)算一、直管熱應(yīng)力管道熱應(yīng)力：受約束的管道在溫度變化時(shí)不能自由膨脹或收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。式中：

------管材的線膨脹系數(shù)

E------管材的彈性模量------管道的工作溫度與安裝溫度之差

t

t1

t0

t直管熱應(yīng)力的大小與管道的截面積和長度無關(guān)，而與材料的性質(zhì)和溫度的變化有關(guān)。PL

L

PE

A自由伸長量

L

(t1

t0)

L

L

t受約束P壓縮量

L

約束力P

E

A

t2021/12/253管道強(qiáng)度計(jì)算管子截面積計(jì)算得：A

2.17

10m

1.22

10

5/0C E

1.975

105MPa2

3

例題如圖所示，設(shè)油罐的進(jìn)出油管線為Ф159*4.5鋼管，管材為Q235A鋼，工作溫度為100°C，安裝溫度為0°C，當(dāng)管線在1點(diǎn)處固定時(shí)，求管線的熱應(yīng)力和對(duì)油罐的推力。解：查Q235A性質(zhì)參數(shù)：P

A

522.86kN管線熱應(yīng)力：

E

t

1.22

10

5

197.5

109

100

240.95MPa對(duì)油罐的推力：2021/12/254管道強(qiáng)度計(jì)算第五節(jié)管道熱應(yīng)力計(jì)算cbaPyMxy Px

二、平面管系的熱應(yīng)力計(jì)算（彈性中心法）： 彈性管道熱脹時(shí)引起支座對(duì)管系的反力稱彈性力，包括力和力矩。通過求解彈性力，就可求得管系任意截面上的熱應(yīng)力?，F(xiàn)以角形管道為例，如圖所示，暫不考慮曲管柔性，計(jì)算彈性力。力法方程如下：Px

xx

Py

xy

Mxy

xM

x Px

yx

Py

yy

Mxy

yM

y Px

Mx

Py

My

Mxy

MM

0式中：------柔性系數(shù)，j方向的單位力在i方向產(chǎn)生的位移

ij

x,

y------平面管系在X、Y方向上的熱伸長量2021/12/255管道強(qiáng)度計(jì)算第五節(jié)管道熱應(yīng)力計(jì)算

JxE

I

xx

JyE

I

yy

SxE

I

xM

Mx

管子的柔性系數(shù)如下：

SyE

I

yM

My

LE

I

MM

JxyE

I

xy

yx

式中：Jx------管系對(duì)X軸的線慣性矩

Jy------管系對(duì)Y軸的線慣性矩

Jxy------管系對(duì)X、Y軸的線慣性積

Sx------管系對(duì)X軸的靜矩

Sy------管系對(duì)Y軸的靜矩

L------管系的總長2021/12/256管道強(qiáng)度計(jì)算第五節(jié)管道熱應(yīng)力計(jì)算柔性系數(shù)的符號(hào)按位移和作用力的方向來確定。二者方向一致為正，反之為負(fù)。所以，力法方程可寫為：

為簡化求解，設(shè)一剛臂由管系C端連接管系形心，則管系C端受力可移至管系形心O點(diǎn)，通過形心O建立坐標(biāo)系，管系對(duì)X、Y軸的靜矩均為零。上式可簡化為：Px

Jx

Py

Jxy

Mxy

Sx

x

E

I

Px

Jxy

Py

Jy

Mxy

Sy

y

E

I

Px

Sx

Py

Sy

Mxy

L

0Px

Jx

Py

Jxy

x

E

I

Px

Jxy

Py

Jy

y

E

I2021/12/257管道強(qiáng)度計(jì)算

第五節(jié)管道熱應(yīng)力計(jì)算解方程組，可得形心處作用于剛臂端點(diǎn)O的彈性力為：Jy

xEI

Jxy

yEI JxJy

Jxy2

Jx

yEI

Jxy

xEI JxJy

Jxy2Px

Py

將彈性力Px和Py合成得到一個(gè)通過形心的推力P，推力P的作用線稱為推力線。推力線到管線上任意點(diǎn)的法向距離與推力P的乘積就是該點(diǎn)所受的熱脹力矩2021/12/258管道強(qiáng)度計(jì)算Mmax

W

max

第五節(jié)管道熱應(yīng)力計(jì)算

計(jì)算各點(diǎn)彎矩，求出管系最大彎矩：將彈性力Px和Py合成得到一個(gè)通過形心的 推力P，推力P的作用線稱為推力線。推力線到管線上任意點(diǎn)的法向距離與推力P的乘 積就是該點(diǎn)所受的熱脹力矩。由圖知彎矩最大值在端點(diǎn)或拐點(diǎn)處。 計(jì)算最大熱應(yīng)力：熱脹在管路中不僅引起彎曲應(yīng)力，還產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力和管截面上的剪應(yīng)力，但以彎曲應(yīng)力為主。2021/12/259管道強(qiáng)度計(jì)算x0

LLLy0

第五節(jié)管道熱應(yīng)力計(jì)算平面管線的形心坐標(biāo)、線靜距、線慣性矩、線慣性積的計(jì)算

22Sy

bLL2

2

A水平管道ABSx

aL

ASy

bL

1、求解平面管線的形心坐標(biāo)Sy BB2、線靜距：Sx

ydl

(a

lsin

)dl

AA垂直管道ABSx

aL

Sx BBSy

xdl

(b

lcos

)dl2021/12/260管道強(qiáng)度計(jì)算Jxbc

bLJxybc

dL

dL

bL2

2

abL

22L3

3Jxab水平管道BC（起點(diǎn)座標(biāo)a,b）

2垂直管道AB（起點(diǎn)座標(biāo)c,d）cL2

2Jxyab

cdL

L3

3Jybc

a2L

aL2

Jyab

c2L管系A(chǔ)BC：Jx

Jxab

JxbcJy

Jyab

JybcJxy

Jxyab

JxybcAA

第五節(jié)管道熱應(yīng)力計(jì)算

3、建立以形心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，求管系對(duì)此座標(biāo)軸的線慣性矩和線慣性積：

BBBBJx

y2dl

(a

lsin

)2dlJy

x2dl

(b

lcos

)2dl

AA BB

Jxy

xydl

(b

lcos

)(a

lsin

)dl2021/12/261管道強(qiáng)度計(jì)算第五節(jié)管道熱應(yīng)力計(jì)算彈性中心法計(jì)算平面管系熱應(yīng)力的步驟：1、計(jì)算管系自由伸長量2、求管系的形心座標(biāo)3、建立以形心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，求管系對(duì)此座標(biāo)軸的線慣性矩和線慣性積：4、求通過形心處作用于剛臂端點(diǎn)O的彈性力5、求管系端點(diǎn)的熱脹力矩6、求管系中的最大熱應(yīng)力：某端點(diǎn)熱脹力矩最大，則該點(diǎn)處有最大熱應(yīng)力。2021/12/262管道強(qiáng)度計(jì)算1、計(jì)算管系自由伸長量mLttxbc0122.0101001022.1)(12

例題如圖所示，設(shè)油罐的進(jìn)出油管線為Ф159*4.5鋼管，B2管長為5m，BC管長為10m，管材為Q235AF鋼，工作溫度溫度為100°C，安裝溫度為0°C，當(dāng)管線固定點(diǎn)由1移至2處時(shí)，求管系的最大熱應(yīng)力和對(duì)油罐的推力。解：查有關(guān)表格得，

1.22

10

5/0C

E

1.975

105MPa

A

2.17

10

3m2W

8.2

10

5m3

I

6.52

10

6m4

5

y

(t2

t1)Lab

1.22

10

5

100

5

0.0061m2021/12/263管道強(qiáng)度計(jì)算0

0

例題2、求管系的形心座標(biāo)Sy

L

102

2

3.33m5

10

Syab

Sybc

Lab

Lbc

x0

Sx

L

0.83m

52

2 5

10Sxab

Sxbc

Lab

Lbc

y0

YO(3.33,0.83)CABX2021/12/264管道強(qiáng)度計(jì)算

例題3、建立以形心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，求管系對(duì)此座標(biāo)軸的線慣性矩和線慣性積：OYC(-6.67,-0.83)AB(3.33,-0.83)XJxbc

b2L

(

0.83)2

10

6.8953

3

24.42

(

0.83)2

5

(

0.83)

52

L3

3

d2L

dL2

JxabJx

Jxab

Jxbc

24.42

6.89

31.3

式中：2021/12/265管道強(qiáng)度計(jì)算103

3

111.2

(

6.67)2

10

(

6.67)

102

L3

3

a2L

aL2

JybcJyab

c2L

3.332

5

55.45

例題Jy

Jyab

Jybc

55.45

111.2

166.7式中：

Jxy

Jxyab

Jxybc

27.61

13.86

41.5

式中：J

22

2Jxybc

abL

(

0.83)

(

6.67)

10

13.86 222021/12/266管道強(qiáng)度計(jì)算JxJy

JJxJy

J

例題4、求通過形心處作用于剛臂端點(diǎn)O的彈性力

843.8NJy

xEI

Jxy

yEI

2

xyPx

256.9NJx

yEI

Jxy

xEI

2

xyPy

cbaPO2021/12/267管道強(qiáng)度計(jì)算82

10例題5、求管系端點(diǎn)的熱脹力矩

Ma

PyX0

Px(Lab

Y0)

2663.2Nm

Mb

PyX0

PxY0

1555.8Nm

Mc

Py(Lab

X0)

PxY0

1013.2Nm6、求管系中的最大熱應(yīng)力：A點(diǎn)熱脹力矩最大，則A點(diǎn)處有最大熱應(yīng)力。Ma

WPy

A

0.118

32.478

32.6MPa

256.921.7

10

2663.2

5

3

max

與前例題中直管熱應(yīng)力240.95MPa對(duì)比，角形平面管系的熱應(yīng)力大大降低。cbaPO2021/12/268管道強(qiáng)度計(jì)算

第五節(jié)管道熱應(yīng)力計(jì)算三、考慮彎管柔性的平面管系熱應(yīng)力計(jì)算：，換算成計(jì)算長度，然后按直管的計(jì)算

將彎管的長度乘以方法計(jì)算。

1K式中：K------彎管的減剛系數(shù)。2021/12/269管道強(qiáng)度計(jì)算第六節(jié)常用補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用一、常見的補(bǔ)償器：補(bǔ)償器：能增大管道彈性，減小管道熱應(yīng)力的彎曲管段或伸縮裝置。自然補(bǔ)償器：在布置管道時(shí)自然形成的彎曲管段。如L型、Z型、П型補(bǔ)償器。它不多費(fèi)管材，不增加介質(zhì)的流動(dòng)阻力。在自然補(bǔ)償器不能滿足要求時(shí)，才采用人工補(bǔ)償器。人工補(bǔ)償器：專門設(shè)置的用來吸收管道熱脹的彎曲管段和伸縮裝置。如Π型、Ω型補(bǔ)償器，波紋補(bǔ)償器，填料函式補(bǔ)償器。2021/12/270管道強(qiáng)度計(jì)算第六節(jié)常用補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用Π型補(bǔ)償器：由鋼管彎制而成。工作溫度和壓力與原管道相同，補(bǔ)償能力大（400mm)；尺寸大，占位大，增加了介質(zhì)的流動(dòng)阻力。波紋補(bǔ)償器：由鋼板、紅銅、鋁板薄片制成。結(jié)構(gòu)尺寸小，占位小，不增加介質(zhì)的流動(dòng)阻力；補(bǔ)償能力不大（90mm），工作壓力有限制。填料函式補(bǔ)償器：由套筒伸縮裝置構(gòu)成。結(jié)構(gòu)尺寸小，補(bǔ)償能力大不增加介質(zhì)的流動(dòng)阻力。易卡住、泄露。2021/12/271管道強(qiáng)度計(jì)算[

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