【正文】 1 2 管徑的確定 及壓力降計算 3 一般要求 ： ? 管徑應根據(jù)流體的流量、性質、流速以及管道允許的壓力損失等確定。 ? 對于大直徑、厚壁、合金鋼等管道，應進行建設費用和運行費用方面的經(jīng)濟比較，取最佳值。 ? 操作情況不同的流體，應按其性質、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，應選較低流速，允許壓力降較小的管道。 ? 為了防止因介質流速過高而引起管道沖蝕、磨損、振動和噪音等現(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； 含有固體物質的流體，其流速不應過低，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 ?同一介質在不同管徑情況下，雖然流速和管長相同，但是管道的壓力降卻可能相差較大。 在設計管道時，如允許壓力降相同，小流率介質 應選用較小流速，大流率介質可選用較高流速。 ?確定管徑后，應選用符合管材的標準規(guī)格 。 ? 對工藝用管道，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）首先設定平均流速 ,按下式初算內徑： 式中 Di—— 管子內徑（ m）； W0—— 質量流量（ kg/h）； ν—— 平均流速（ m/s）； ρ—— 流體密度（ kg/m3）。 （ 2）根據(jù)工程設計規(guī)定的管子系列調整為實際內徑。 （ 3）復核實際平均流速。 （ 4）以實際的管子內徑 Di與平均流速 v核算管道壓力損失，確認選用管徑。 如果壓力損失不滿足要求時，應重新計算。 i0D = 0 . 0 1 8 8 W / v ρ6 例：如果有現(xiàn)成的經(jīng)濟數(shù)據(jù)，進行 優(yōu)化計算 得到經(jīng)濟流速： 輸送流體的年生產(chǎn)費用 C=固定費用 Cinv+操作費用 Cop.。 固定費用等于管道的投資費用乘以折舊率 操作費用為運轉泵 (壓縮機 )的費用。 7 8 單相流壓力損失計算 適用于輸送牛頓性流體的管道壓力損失的計算，包括直管的摩擦壓力損失和局部（閥門和管件）的摩擦壓力損失計算。不包括加速度損失及靜壓差等的計算。 a\管道摩擦損失 的計算 if DLgP ??? ?21025 ? ? ?式中 △ Pf—— 直管的摩擦壓力損失（ MPa）； L—— 管道長度（ m）； g—— 重力加速度（ m/s2）； Di—— 管子內徑（ 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 : 可按當量長度法或阻力系數(shù)法進行計算： \\當量長度法： iek DLgP ??? ?21025 ? ? ? △ Pk—— 局部摩擦壓力損失（ MPa）； Le—— 閥門及管件的當量長度（ m）。 \\阻力系數(shù)法： gkP k21025 ????? k—— 阻力系數(shù) 10 管路熱膨脹與熱補償 11 實際的管系中，管道的轉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，當溫度變化時，整個管系還是可以發(fā)生變形的。這時管系兩端支座處將受到支座反力和力矩的作用，但管系中的熱應力將比相似條件下直線管道中的熱應力小得多。 —— 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，而采用有多處轉角的立體管系或平面管系。 13 管道所受載荷 風載荷和地震載荷 熱載荷 安裝殘余應力 管道相對移位造成的位移載荷 集中載荷 支架反力 Rx,Ry,Rz Ry Rx 管件質量 meg 均布載荷 p 管內介質產(chǎn)生的壓力 p 管子質量 mg mg 管道振動載荷或液擊產(chǎn)生的沖擊載荷 一、管道應力分析 14 載荷分類 靜載荷 動載荷 隨時間不變或變化緩慢 隨時間迅速變化 振動載荷 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 由于結構變形受約束而產(chǎn)生的載荷 。 塑性良好時 ， 初次施加自限性載荷不會直接導致破壞 。 即外力載荷 ， 超過一定的限度會直接導致破壞 。 介質內壓 管道自重 支吊架反力 熱載荷 位移載荷 15 管道應力分類 管道在壓力 、 持續(xù)外載及熱載荷等作用下 ， 在整個管路或局部區(qū)域產(chǎn)生不同性質的應力 。 根據(jù)破壞作用不同 ， 管道應力可分為： ?一次應力 ?二次應力 ?峰值應力 16 ?一次總體薄膜應力 ?一次彎曲應力 ?一次局部薄膜應力 一次應力 外載荷作用在管道內部產(chǎn)生的應力 ,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 一次總體薄膜應力 ? 遍布于整個管道的基本應力 。 ? 在管道截面上是均勻分布的 ? 這種應力達到屈服極限時 ， 將引起管道截面整體屈服 ， 不出現(xiàn)載荷的再分配 。 例如： ? 由于內壓引起的管道環(huán)向應力和軸向應力 ? 管道受拉伸 (壓縮 )所產(chǎn)生的應力 18 一次彎曲應力 ? 也分布在管道的很大區(qū)域內 ? 在管道截面上沿厚度變化 ， 呈線性分布 。 ? 這種應力達到屈服極限時 ， 只局部屈服 ， 如果繼續(xù)增加載荷 ， 應力在管道截面的分布將重新調整 。 ? 因此一次彎曲應力允許比總體薄膜應力具有較高的許用應力 。 ? 一般是由機械載荷或壓力載荷引起的 。 19 一次局部薄膜應力 ? 在局部范圍內 ， 由于壓力或機械載荷引起的薄膜應力 。 ? 這種應力達到屈服極限時 ， 也只引起局部屈服 ，塑性應變仍然受到周圍彈性材料的約束 ， 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)生的薄膜應力 。 20 ?由于熱脹冷縮和其他位移受約束而產(chǎn)生的應力 ?由于溫度不均勻的軸向溫度梯度或內外壁徑向溫度梯度所產(chǎn)生的溫差應力 ?大小頭，不同直徑 /不同壁厚管子連接處由于結構不連續(xù)而產(chǎn)生的應力 二次應力 由于變形受約束而產(chǎn)生。不直接與外力平衡。 特點 :自限性，當局部范圍材料屈服或小變形時，相鄰部分的約束便得到緩和，變形趨向協(xié)調 ,不再繼續(xù)發(fā)展，應力自動地限制在一定的范圍內。 例如： 管道二次應力驗算，主要考慮由于熱脹冷縮及其他位移受約束而產(chǎn)生的應力，常稱為熱脹二次應力。 21 峰值應力 如，小的彎曲半徑處，焊縫咬邊處等的應力 ? 由于載荷或結構局部突變而引起的局部應力集中的最高應力值 ? 特征是結構不產(chǎn)生顯著變形，它是疲勞破壞和脆性斷裂的根源。 22 管道應力安全性判據(jù) 理論 一次應力 根據(jù) 極限載荷準則 規(guī)定許用應力值。 極限載荷法認為：在某結構截面上一旦發(fā)生屈服，該結構便達到極限狀態(tài)，不能再承受任何附加載荷，結構在極限狀態(tài)下承受的外載荷稱之為極限載荷。這是一個防止結構過度變形的準則。 一次彎曲應力和一次局部薄膜應力可以比一次總體薄膜應力有較高的許用應力值。 ? ? / 1 . 5 }ζ/ 3 ,m i n { ζζ tstbt ?設計溫度下基本許用應力 一次應力安全性判據(jù)是： [ ] [ ] tL???23 安定性 結構在載荷 (包括熱載荷 )反復變化的過程中，不發(fā)生塑性變形的連續(xù)循環(huán)。 對管道二次應力的限定，是控制 冷、熱態(tài) 的應變在一定的應力范圍和控制一定交變次數(shù)，以保證管道安全運行而不產(chǎn)生疲勞破壞。 二次應力采用 安定性準則 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? ? ? ?? ? ?僅二次應力 一次應力 +二次應力 24 f 交變次數(shù) N對許用應力范圍的修正系數(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)當量數(shù) 系數(shù) 25 p 管道常見應力計算 1承受內壓 p r?2/pr ??????? ? 2ipD?z?)(42?????iiz DpD管道承受內壓 p產(chǎn)生的應力，是一次薄膜應力。圖中單元體各面外法線方向是主應力方向（無剪切力 ）。 按 強度理論 轉化成有效應力： zr?? ? ???第一強度理論： []e ?? ?? ??第二強度理論： () []e z r?? ? ? ? ???? ??第三強度理論： []er?? ? ? ????第四強度理論： 2 2 212 [ ( ) [( ) ( ])]e z z r r??? ? ? ? ? ???? ? ? ? ???26 強度理論 第一強度理論（最大拉應力理論）： 認為最大拉應力是引起破裂的主要原因 第二強度理論（最大伸長線應變理論）： 認為最大伸長線應變是引起破裂的主要原因 第三強度理論（最大剪應力理論）： 認為最大剪應力是引起屈服的主要原因 第四強度理論（形狀改變比能理論）： 認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 管道常見應力計算 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 管道常見應力計算 3彎曲 +軸向拉壓 +內壓 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)強度除考慮內壓引起的薄膜應力外，還必須考慮持續(xù)外載荷及熱載荷所應起的應力，以便對管系進行應力驗算。 ?若管道能自由伸縮，伸長量為： △ L=α（ t1t0） L=α〃 △ t〃L ?直管兩端固定?？衫斫鉃楣茏酉茸杂缮扉L，然后在其一端加上壓力 P將管子壓縮到原來長度，即壓縮了△ L。 由胡克定律： P=(△ L/L)EA=α〃 △ t〃EA ?管壁內的熱應力為 σ=P/A=αE△ t 二次應力 管道常見應力計算 管系的熱應力概念 30 溫差應力的靜不定問題 溫差應力在直線管系中表現(xiàn)為拉應力或壓應力。 在平面管系中表現(xiàn)為彎曲應力 在立體管系中表現(xiàn)為彎曲應力和扭曲切應力