1、1 997年第1期 化I设计 27 。 摘要 关键词 管系柔性分析简介(上) !至 中国成达化学工程公司 成都 00 f | l概述 面年来符遭机髓专业的建立和踺垒专 业设计队伍们迅速发展和扩_人先进的电子 计并帆技术在管系静山分析和动力分折中的 应用这些吉盱说明化工管道工程陵汁史上已 经历过一 新的飞跃。同时也表明管系柔性 分析和应力计算等在设计、生产中的作用和 地位 被人们所认识和了解 管系柔性分析 和应力计苒是管道工程设计的基础它能对 所没汁的管系或工厂、装置中任一正在运行 的管系作 强瑾、安全性、先进性以及经济性 等方面的正确分析和评价。 2管系应力及应力分析 21管系应力 提到管系应
2、力人们马上就会想到具有 高漏特点的热力管系的存在、似乎应力只存 在于它们之中。实际情况却不然在任一工 厂、任一装置中的任一管系客观上都存在着 应力不同之处只是程度上的差异。其中，绝 大部分热 管系的应力问题将可能是危及 生产装置安全运行的因素和潜在危险。 所谓柔性就是弹性，柔陛好坏即弹性好 坏。管系的柔性是反映管系变形难易程度的 一个物理概念。管系柔性是否台恪有两条基 本判断原舟j：一是管系应力满足要求；二是管 系端点力和力矩满足要求。任缺一部设认为 管系在承受内压、持续外载以及热胀冷 缩和其他位移等荷鼓作用下产生的应力，其 性态是复杂的。随着应力分折理论和实验技 术的发展，人们对管系在不同特
3、征荷载作用 下产生应 的不阿特征以及卡日应的不同影响 作了广泛而细致的研究发现其最_人主应力 往往超过 阱的屈服吸限致使 牛斗在操作 状态下要发生塑陛变形(局部位置)高温管 道的蠕变和应力睑驰也将使管系上的应力状 态发生微妙的变化(即在一定范隔内会重新 建立起平衡)这些情况部说明管系上的应力 状态与一般结构、机微分析中所遇到的稳定 的应力状态有所不同。因此对管系作秉性或 应力分析时，对不同类型或不同性质的应力 应区别对待，应根据它可能产生的效应和对 破坏所起的作用不同对不同性态的应力采 用不同的应 分析方法，并给予不同的限定 范围，使管系承受荷戴的能力充分发挥作用。 22管系应力分析 应力分析
4、是一种研究应力和应变的理 论是在材料力学、结构力学中的弹性理论、 弹塑性理论和高温非弹性理沦以及实验的基 础上提出来舶 应用较广的应力分柝方法育 弹性分析、极限分析、安定分析、疲劳分析、非 弹性分析以及实验应力分析等六人类。前三 夫类足人们暂用于管系柔性分析和应力计算 的应力分析方法。 (1)弹性分折是最早秉用的应 l，J折方 维普资讯 http:/ 28 化工设计 1997年第1期 法是一切应力分析方法的基础 它通常是在 结手习材料不发生屈服的条件下，利用应力与 应变问的线性关系(即虎克定律)，研究、计算 【j荷载所引起的应力变化和挠度变化 按照 弹陛分析，应为应限定在材料的屈服髓限以 内井
5、留育适当的裕度(该应力不包括结构在 零荷载时由于自身平衡就存在着的应力，通 常称为残余应力)。 (2)桠限分忻是基于结构在荷载作用下 由于材料屈服而使结构发生塑性流动、并达 剥金塑性状态时的一种分析方法，是一个防 止过度变形的准则该荷载叫敞龊限荷载(或 破坏荷载) 结构可以在不韭的荷裁下发生塑 性流动、即连续的变形并达到全面塑性状态， 结恂受到塑性破坏 这种荷戴是必须严倍控 制和限定的 (3)安定分析是针对结构的安定性进行 分析。安定性是指不发生塑性变形的连续循 环，即如果在少数反复加薮后，变形稳定下 来，并且随后的结构呈现弹性(蠕变效应除 外)，或者说，管系在有限量塑性变形后，能安 定在弹性
6、状态 在一个或多个荷载循环作用 下，结构不出现交替塑性变形和增量破坏(失 稳)，则结构将是稳定的 不过，在进行安定分析时既要考虑残余 应力影响又要考虑不同荷栽的交替作用，导 致结椅总变形和总塑性应变的累积增长最 终导致结构被破坏。这是值得注意的。 23管系应力的分类 对于管系上的应力，一般划分为一次应 力、二次应力和峰值应力三类 (1)一次应力是由所加荷裁引起的正应 力和剪应力的总称。它必须满足山、外部儿羊 力矩的平衡法则 其基奉特征是非自限性的， 它始终随所加荷戴的增加而增加，一旦超过 屈服极限或持久强度，就会婕管道发生塑性 破坏，或产生总体变形，正常操作受到威胁。 因此必须防止发生过废的塑
7、性变形，f要为 爆破压力或蠕变失效留有足够的 度。 管系承受内压干持续外戴而产生的应力 属于一次应力。鉴于一次应力无白I鬏 的特 征对它的限定采用傲限分忻来处理。具体地 讲对于一次应力的限定是不超过许用应力 的】5倍，或者说限定一次应力的许用应力 强度等于屈服陂限 (2)二次应力是管系由于变形受约束所 产生的正应力和剪应力的总稚。它本身不直 接与外力(包括力和山矩)相平衡。它的特征 是有自限性的，当局部面服和产生小量塑性 变形时就能使应力降慨。 管系由于热胀冷缩和其它位移爱约束而 产：E的应力，属于二次应力。鉴于二次应力的 白限性特征，即当它超过材料的届服艇限时， 由于管道材料的局部屈服和少量
8、塑性变形的 产生均会使二次应力降低，管系内的应力会 重新分布，冷状态和热状态下的应变会自行 调整到一定的均衡 因此在有一定残余应力 下仅仅应用饭限分析还不能说明一管系的失 效与否，而需要采用安定分析的理比作为非 蠕变温度下的管系在承受冷、热交变荷载下 的没汁基础。安定分析允千的晟l大弹性应力 范围是屈服陵限的两倍 一般二次应力产生的破坏，是管系在玲 热状态下的反复交变应力怍用下出现反复塑 性变形，并四塑陛应变的反复累积而引起疲 劳破坏。因此，对二次应力的限定是采用许用 应力范围值和限定交变循环次数加以控制。 (3)峰值应力是管道或附件由于局部结 构不毪续或局部热应力效应(包括局部应力 集中)附
9、加到一次应 J或=次应力上的增量。 它的特点是不引起显著的变形，而且在短距 离 从它的限源裒减下来，它仅屉一种导致 疲劳裂纹或苕脆陛破坏可能比的原因。 蒯如，管道由_丁温度分布不均匀，不同 胀几乎全部被限制，不引起显著变形的局部 热应力，以及管系附件上小半径囤角处、焊缝 维普资讯 http:/ 1997年第1期 化工设计 束焊透处的应力，还有管系上的三通、埔头、 大小头、不同商径或壁厚的管道连接处等结 构的不连续部位的局部应力集中处的应力均 属于峰值应力。 对峰值应力的限定采用疲劳分析 在化 工管道工程设计实用的简化计算中是这障处 理的，即在验算二次应力(或一次应力加二次 应力)的许用应力范围
10、时，在三通、弯管等局 部应力集q 处，计入应力加强系数，以防止各 类管件的疲劳破坏 3管系柔性分析及应力计算 管系柔性分析一般分为定性分析与定量 分忻。需定性分析的管系居多数，其方法有目 测法、经验公式判断法、比较法和经验法等 作定量分析的管系占少数它是经过定性分 析后，筛选山_求为数不多的必须进行ir算的 一些管系通常体为临界管幕(或关键性管 系)。这就是饔作应力计算的管系。一般均采 用应力分析计算程序上机计算 31 管系柔性分斩计算和应力验算 从定量角度出发，一般对管系的柔性分 析包括对管乐进行柔性分析计算与应力验算 两部分。 管系柔性分析计算是计算管系由于外力 (如内压、自重、支吊颦反力
11、等集中荷载或均 布荷载)和变形(如热胀，冷缩等位移)受约束 而产生的力和力矩管系应力计算主要尾计 算管系在内压、持续外载(包括自重)作用下 和由于热胀冷鳙以及其它位移受约束时而产 生的应力管道设计和管道机嗽人员要共同 协商、努力使这些应力以及端点力和力矩满 足管系本身及其连接的机器、设备安全运行 的要求。 对于比工装置中热力管系的力和 矩以 及应力的计算可一次完成可采用的程序很 多幻等值刚度法程序，有限元法程序等。 采用汁算机计算台给出各种汁算工况下 管道机械人员在分析时感兴趣的各种结果 如管系各节点的应力和应力的允许范围值、 管系作用在各支吊架上的力和力矩、作用在 菅系端点上(与设备、容器、
12、机泵接管口连接 处)的力和力矩以及各节点位移(线位移和舟 位移)。这给管道机敞人员分析管系提供了充 分而必要的散据。 32计算示碉 在任一管系中超应力或超端点力的存在 都是不允许的。因为它的存在将带来髓大的 危害给安全生产、文明生产带来潜在的危 险绝不能掉以轻心。特举几例以说明问题的 严重性和重要性。铡中仅考虑热胀冷缩的影 响而未考虑其它因索的影响。 例1一根输送蒸汽冷凝液的直连管 系An，如图1所示。管子规格为 2l96长 L一1000，材料为l0号钢设置在两设备之 阐操作温度tt一1O0C，求A与B两点处的 推 F和管系应力究竟有多少? ! 围1直连管系AB 管系对端点(即没备接管口)的推
13、力和力 矩主要由管系热胀或冷鳙应变受阻所产生。 如幕管系AB两端或任其一端自由，力和力 矩就不复存在。但AB管系两端实际上是固 定的(与设备接管口连接端通常被认为是固 定端)，则根据虎克定律可知，当加热升温时 其应力与应变的关系为： =E E=E ALL；E d 3t (1) 式中口管系计算应力MPa； Et管材在汁算温度下的弹睦髌 数MPal L管了热彬胀鞋m； 维普资讯 http:/ 化I设计 1997年第1期 L管子长度，m； - 管材在计算温度下的线膨胀系 数mm t温升，。t=t Jt2，其中，tI 为操作温度 t为安装温度，通常取 20C 根据t 一100C查有关对应表格得 E =
14、0 210 MPa a 一12210mra 按式(1)计算得：d；1 95 2MPa 热胀二次应力的许用应力范围计算 口 一f(125口1十O 25口b) (2) (注：一次应力加二次应力的许用应力范 围为125f( +B ) 式叶1卜一预计交变次数下许用应力范围 的减小系数，当交变次数小于或 等于7000日fr取10； 热胀二次应力的许用应力范 厨MPa 一一管材在安装温度时的许用应 力MPa； 管材在计算温度时的许用应 力MPa。 根憾t 、t 查育关丧洛得 一111 IMPa Eolh：1111MPa 按式(2)汁锋得 L j一1 6 665 MPa 热 推力F计算 FdS (3) S一
15、025n(D$一D：) (4) 式tlj S一管子有效截面积ITI ； D 管子外径m； D 一管予内径m。 按式f 3)、(4)计算得出F；783708N lJ、讣 结果看出蕾系端点力F很大， 这洋人的端电力将使与其十H连的没备、机器 量 槭 ：同时管系 算应 (二次应 j 上人超过二改应JJ的 1：用应JJ范隔渣 ，因此管道水身也很不安全。所以上述 管系连接方式在管道工程设计中必须避免。 例2一f一1 系ABC如同2所示 图2管系ABr 设Bc段远大干AB段，当管系运行时 因受热膨胀，AB、BC各段因长度不一，受热 后并管段伸长量也不同，加上BC殷特长，膨 胀 大，AB段短，它无能力完全暧
16、收nC段 的热膨胀量，管系得不到自补偿 缔果造成端 点A处弯矩过火+并随AB段与BC段差距 的加大或者温差增加而加大，设备接管与简 作连接处O将可能出现裂纹，使没备安全受 到严重威胁或造成A处即法兰连接处泄 漏严重时操作将被迫中止。因此象这类管 道椰置，在镑道工程澄汁rl r应予避免、否则应 采讯相应措施来消除上述后果发生。 过去也曾发生过四热力管网中管系推力 大干固定，支架的强度前使管架倒塌的事战； 还有普遍存在的跑冒滴漏现象(有很大部分 是田管系弹性不够而引起)等例子举不胜 举。总之，这些鄙从不同的角度说明管系圆承 受山压、外部茼饿、热膨胀等而引， 的力和力 矩 及应力的潜在怍用部是不可忽视的在 管道工程没汁中应引起充分注意。 (待续) (牧碡口期1 99 一0 _ 维普资讯 http:/
