【正文】 1 2 管徑的確定 及壓力降計(jì)算 3 一般要求 ： ? 管徑應(yīng)根據(jù)流體的流量、性質(zhì)、流速以及管道允許的壓力損失等確定。 ? 對(duì)于大直徑、厚壁、合金鋼等管道，應(yīng)進(jìn)行建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用方面的經(jīng)濟(jì)比較，取最佳值。 ? 操作情況不同的流體，應(yīng)按其性質(zhì)、狀態(tài)、和操作要求的不同，選用不同的流速。 黏度較高的液體，摩擦阻力較大，應(yīng)選較低流速，允許壓力降較小的管道。 ? 為了防止因介質(zhì)流速過高而引起管道沖蝕、磨損、振動(dòng)和噪音等現(xiàn)象 : 液體流速一般不宜超過 4m/s 氣體流速一般不超過其臨界流速的 85% 真空下氣體流速最大不超過 100m/s； 含有固體物質(zhì)的流體，其流速不應(yīng)過低，以免流體沉積。 也不宜太高，以免加速管道磨損和沖蝕。 管徑的確定 4 ?同一介質(zhì)在不同管徑情況下，雖然流速和管長(zhǎng)相同，但是管道的壓力降卻可能相差較大。 在設(shè)計(jì)管道時(shí)，如允許壓力降相同，小流率介質(zhì) 應(yīng)選用較小流速，大流率介質(zhì)可選用較高流速。 ?確定管徑后，應(yīng)選用符合管材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格 。 ? 對(duì)工藝用管道，不推薦選用 DN32/DN125的管道。除另有規(guī)定或采用有效措施外，容易堵塞的流體不宜采用公稱直徑小于 25mm的管道。 5 確定管徑方法： （ 1）首先設(shè)定平均流速 ,按下式初算內(nèi)徑： 式中 Di—— 管子內(nèi)徑（ m）； W0—— 質(zhì)量流量（ kg/h）； ν—— 平均流速（ m/s）； ρ—— 流體密度（ kg/m3）。 （ 2）根據(jù)工程設(shè)計(jì)規(guī)定的管子系列調(diào)整為實(shí)際內(nèi)徑。 （ 3）復(fù)核實(shí)際平均流速。 （ 4）以實(shí)際的管子內(nèi)徑 Di與平均流速 v核算管道壓力損失，確認(rèn)選用管徑。 如果壓力損失不滿足要求時(shí)，應(yīng)重新計(jì)算。 i0D = 0 . 0 1 8 8 W / v ρ6 例：如果有現(xiàn)成的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行 優(yōu)化計(jì)算 得到經(jīng)濟(jì)流速： 輸送流體的年生產(chǎn)費(fèi)用 C=固定費(fèi)用 Cinv+操作費(fèi)用 Cop.。 固定費(fèi)用等于管道的投資費(fèi)用乘以折舊率 操作費(fèi)用為運(yùn)轉(zhuǎn)泵 (壓縮機(jī) )的費(fèi)用。 7 8 單相流壓力損失計(jì)算 適用于輸送牛頓性流體的管道壓力損失的計(jì)算，包括直管的摩擦壓力損失和局部（閥門和管件）的摩擦壓力損失計(jì)算。不包括加速度損失及靜壓差等的計(jì)算。 a\管道摩擦損失 的計(jì)算 if DLgP ??? ?21025 ? ? ?式中 △ Pf—— 直管的摩擦壓力損失（ MPa）； L—— 管道長(zhǎng)度（ m）； g—— 重力加速度（ m/s2）； Di—— 管子內(nèi)徑（ mm）； ν—— 平均流速（ m/s）； ρ —— 流體密度（ kg/m3）； λ—— 流體摩擦系數(shù)。 9 b\局部摩擦壓力損失 : 可按當(dāng)量長(zhǎng)度法或阻力系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算： \\當(dāng)量長(zhǎng)度法： iek DLgP ??? ?21025 ? ? ? △ Pk—— 局部摩擦壓力損失（ MPa）； Le—— 閥門及管件的當(dāng)量長(zhǎng)度（ m）。 \\阻力系數(shù)法： gkP k21025 ????? k—— 阻力系數(shù) 10 管路熱膨脹與熱補(bǔ)償 11 實(shí)際的管系中，管道的轉(zhuǎn)彎處均采用煨制彎管或焊接彎頭，而不采用直角彎。這些彎管或彎頭與直管相比較，其剛度降低，柔度增高。從而管系的熱應(yīng)力由于柔度的增高而降低。 而彎管或焊接彎頭在彎矩的作用下，其 局部應(yīng)力卻有所增加 。 管道熱膨脹與柔性 12 管系的幾何形狀： 直線管道、平面管系和立體管系 。 平面管系和立體管系，即便兩端固定，當(dāng)溫度變化時(shí)，整個(gè)管系還是可以發(fā)生變形的。這時(shí)管系兩端支座處將受到支座反力和力矩的作用，但管系中的熱應(yīng)力將比相似條件下直線管道中的熱應(yīng)力小得多。 —— 平面管系和立體管系由于幾何形狀的原因比直線管系有更大的柔性。立體管系有更大的柔性，比相似條件下的平面管系中的熱應(yīng)力更小。 因此在管道工程中，均避免采用直線管路，而采用有多處轉(zhuǎn)角的立體管系或平面管系。 13 管道所受載荷 風(fēng)載荷和地震載荷 熱載荷 安裝殘余應(yīng)力 管道相對(duì)移位造成的位移載荷 集中載荷 支架反力 Rx,Ry,Rz Ry Rx 管件質(zhì)量 meg 均布載荷 p 管內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的壓力 p 管子質(zhì)量 mg mg 管道振動(dòng)載荷或液擊產(chǎn)生的沖擊載荷 一、管道應(yīng)力分析 14 載荷分類 靜載荷 動(dòng)載荷 隨時(shí)間不變或變化緩慢 隨時(shí)間迅速變化 振動(dòng)載荷 液擊產(chǎn)生的沖擊載荷 地震載荷 自限性載荷 非自限性載荷 由于結(jié)構(gòu)變形受約束而產(chǎn)生的載荷 。 塑性良好時(shí) ， 初次施加自限性載荷不會(huì)直接導(dǎo)致破壞 。 即外力載荷 ， 超過一定的限度會(huì)直接導(dǎo)致破壞 。 介質(zhì)內(nèi)壓 管道自重 支吊架反力 熱載荷 位移載荷 15 管道應(yīng)力分類 管道在壓力 、 持續(xù)外載及熱載荷等作用下 ， 在整個(gè)管路或局部區(qū)域產(chǎn)生不同性質(zhì)的應(yīng)力 。 根據(jù)破壞作用不同 ， 管道應(yīng)力可分為： ?一次應(yīng)力 ?二次應(yīng)力 ?峰值應(yīng)力 16 ?一次總體薄膜應(yīng)力 ?一次彎曲應(yīng)力 ?一次局部薄膜應(yīng)力 一次應(yīng)力 外載荷作用在管道內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力 ,滿足力與力矩平衡。 基本特征 : 非自限性 隨載荷增加而增加，超過屈服極限將發(fā)生過度變形而破壞。 17 一次總體薄膜應(yīng)力 ? 遍布于整個(gè)管道的基本應(yīng)力 。 ? 在管道截面上是均勻分布的 ? 這種應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí) ， 將引起管道截面整體屈服 ， 不出現(xiàn)載荷的再分配 。 例如： ? 由于內(nèi)壓引起的管道環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力 ? 管道受拉伸 (壓縮 )所產(chǎn)生的應(yīng)力 18 一次彎曲應(yīng)力 ? 也分布在管道的很大區(qū)域內(nèi) ? 在管道截面上沿厚度變化 ， 呈線性分布 。 ? 這種應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí) ， 只局部屈服 ， 如果繼續(xù)增加載荷 ， 應(yīng)力在管道截面的分布將重新調(diào)整 。 ? 因此一次彎曲應(yīng)力允許比總體薄膜應(yīng)力具有較高的許用應(yīng)力 。 ? 一般是由機(jī)械載荷或壓力載荷引起的 。 19 一次局部薄膜應(yīng)力 ? 在局部范圍內(nèi) ， 由于壓力或機(jī)械載荷引起的薄膜應(yīng)力 。 ? 這種應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí) ， 也只引起局部屈服 ，塑性應(yīng)變?nèi)匀皇艿街車鷱椥圆牧系募s束 ， 所以部分屈服是允許的 。 例如 ? 在管道支架處或管道接管連接處由于外載產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力 。 20 ?由于熱脹冷縮和其他位移受約束而產(chǎn)生的應(yīng)力 ?由于溫度不均勻的軸向溫度梯度或內(nèi)外壁徑向溫度梯度所產(chǎn)生的溫差應(yīng)力 ?大小頭，不同直徑 /不同壁厚管子連接處由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)而產(chǎn)生的應(yīng)力 二次應(yīng)力 由于變形受約束而產(chǎn)生。不直接與外力平衡。 特點(diǎn) :自限性，當(dāng)局部范圍材料屈服或小變形時(shí)，相鄰部分的約束便得到緩和，變形趨向協(xié)調(diào) ,不再繼續(xù)發(fā)展，應(yīng)力自動(dòng)地限制在一定的范圍內(nèi)。 例如： 管道二次應(yīng)力驗(yàn)算，主要考慮由于熱脹冷縮及其他位移受約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，常稱為熱脹二次應(yīng)力。 21 峰值應(yīng)力 如，小的彎曲半徑處，焊縫咬邊處等的應(yīng)力 ? 由于載荷或結(jié)構(gòu)局部突變而引起的局部應(yīng)力集中的最高應(yīng)力值 ? 特征是結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生顯著變形，它是疲勞破壞和脆性斷裂的根源。 22 管道應(yīng)力安全性判據(jù) 理論 一次應(yīng)力 根據(jù) 極限載荷準(zhǔn)則 規(guī)定許用應(yīng)力值。 極限載荷法認(rèn)為：在某結(jié)構(gòu)截面上一旦發(fā)生屈服，該結(jié)構(gòu)便達(dá)到極限狀態(tài)，不能再承受任何附加載荷，結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下承受的外載荷稱之為極限載荷。這是一個(gè)防止結(jié)構(gòu)過度變形的準(zhǔn)則。 一次彎曲應(yīng)力和一次局部薄膜應(yīng)力可以比一次總體薄膜應(yīng)力有較高的許用應(yīng)力值。 ? ? / 1 . 5 }ζ/ 3 ,m i n { ζζ tstbt ?設(shè)計(jì)溫度下基本許用應(yīng)力 一次應(yīng)力安全性判據(jù)是： [ ] [ ] tL???23 安定性 結(jié)構(gòu)在載荷 (包括熱載荷 )反復(fù)變化的過程中，不發(fā)生塑性變形的連續(xù)循環(huán)。 對(duì)管道二次應(yīng)力的限定，是控制 冷、熱態(tài) 的應(yīng)變?cè)谝欢ǖ膽?yīng)力范圍和控制一定交變次數(shù)，以保證管道安全運(yùn)行而不產(chǎn)生疲勞破壞。 二次應(yīng)力采用 安定性準(zhǔn)則 來限定其許用范圍。 ? ? b s hh ?ζ m i n { ζ / 3 , ζ / 1 . 5 }? ? cc ? bsζ m i n { ζ / 3 , ζ / 1 . 5 }安定性判據(jù) [ ] ( 1. 25 [ ] 0. 25 [ ] )tch f? ? ???（冷態(tài)） （熱態(tài)） [ ] ( [ ] [ ] [ ] )tc h L f? ? ? ?? ? ?僅二次應(yīng)力 一次應(yīng)力 +二次應(yīng)力 24 f 交變次數(shù) N對(duì)許用應(yīng)力范圍的修正系數(shù) 7 0 0 0?N1 4 0 0 07 0 0 0 ?? N2202214000 ?? N4 5 0 0 02 2 0 0 0 ?? N1 0 0 0 0 045000 ?? N2 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 ?? N7 0 0 0 0 02 0 0 0 0 0 ?? N2 0 0 0 0 0 07 0 0 0 0 0 ?? N循環(huán)當(dāng)量數(shù) 系數(shù) 25 p 管道常見應(yīng)力計(jì)算 1承受內(nèi)壓 p r?2/pr ??????? ? 2ipD?z?)(42?????iiz DpD管道承受內(nèi)壓 p產(chǎn)生的應(yīng)力，是一次薄膜應(yīng)力。圖中單元體各面外法線方向是主應(yīng)力方向（無剪切力 ）。 按 強(qiáng)度理論 轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力： zr?? ? ???第一強(qiáng)度理論： []e ?? ?? ??第二強(qiáng)度理論： () []e z r?? ? ? ? ???? ??第三強(qiáng)度理論： []er?? ? ? ????第四強(qiáng)度理論： 2 2 212 [ ( ) [( ) ( ])]e z z r r??? ? ? ? ? ???? ? ? ? ???26 強(qiáng)度理論 第一強(qiáng)度理論（最大拉應(yīng)力理論）： 認(rèn)為最大拉應(yīng)力是引起破裂的主要原因 第二強(qiáng)度理論（最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論）： 認(rèn)為最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變是引起破裂的主要原因 第三強(qiáng)度理論（最大剪應(yīng)力理論）： 認(rèn)為最大剪應(yīng)力是引起屈服的主要原因 第四強(qiáng)度理論（形狀改變比能理論）： 認(rèn)為形狀改變比能是引起屈服的主要原因 ][ζζ1 ?][)( 321 ζζζζ ??? ?][31 ζζζ ??][])()()[( 21323222121 ζζζζζζζ ??????2xy2yx21 η)ζ[( ζR ???)ζ(ζ yx21 ??Cxζ?3ζ 1ζR)y,(x CC27 管道常見應(yīng)力計(jì)算 2彎曲 抗彎截面模量 3o ioπd d43 2 dW = ( 1 α ),α =m a x,zMMW? ?,maxz?M M O ,maxz?28 管道常見應(yīng)力計(jì)算 3彎曲 +軸向拉壓 +內(nèi)壓 p M M N N 2iax is z , p z , M z , NipD MNζ = ζ + ζ + ζ = + +4 δ (D + δ ) W Aa x i sζ [ζ ]29 管道系統(tǒng)強(qiáng)度除考慮內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力外，還必須考慮持續(xù)外載荷及熱載荷所應(yīng)起的應(yīng)力，以便對(duì)管系進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算。 ?若管道能自由伸縮，伸長(zhǎng)量為： △ L=α（ t1t0） L=α〃 △ t〃L ?直管兩端固定?？衫斫鉃楣茏酉茸杂缮扉L(zhǎng)，然后在其一端加上壓力 P將管子壓縮到原來長(zhǎng)度，即壓縮了△ L。 由胡克定律： P=(△ L/L)EA=α〃 △ t〃EA ?管壁內(nèi)的熱應(yīng)力為 σ=P/A=αE△ t 二次應(yīng)力 管道常見應(yīng)力計(jì)算 管系的熱應(yīng)力概念 30 溫差應(yīng)力的靜不定問題 溫差應(yīng)力在直線管系中表現(xiàn)為拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。 在平面管系中表現(xiàn)為彎曲應(yīng)力 在立體管系中表現(xiàn)為彎曲應(yīng)力和扭曲切應(yīng)力