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管线内力与应力计算是管道设计的关键环节,这里用工程师常用思路梳理关键点:
1. 内力分析基础要素
- 管线受载类型:内压、自重(含介质重量)、热膨胀力、外部约束反力、风载/地震载荷(视工况)
- 内力组成:轴向力(N)、剪力(Q)、弯矩(M)、扭矩(T),通常通过力法或位移法建立平衡方程求解
2. 关键应力计算公式
(1)环向应力(Hoop Stress):
σ_h = P*D/(2t) → ASME B31.3基本公式(P:设计压力,D:外径,t:壁厚)
(2)轴向应力(Longitudinal Stress):
σ_l = P*D/(4t) + F/A ± M/(Z) → 压力+机械载荷组合
(3)弯曲应力:
σ_b = M/(Z) → Z为截面模量(Section modulus)
(4)组合应力(Von Mises):
σ_e = √[σ_h + σ_l - σ_hσ_l + 3τ] ≤ S → S为材料许用应力
3. 计算步骤建议
1)建立管线模型:用CAESAR II或AutoPIPE建立三维模型,包含所有支撑点、膨胀节位置
2)输入边界条件:固定支架、导向支架、弹簧支吊架的实际刚度参数
3)载荷组合:按工况组合(持续载荷+偶然载荷),特别注意温度载荷与压力载荷的叠加方式
4)应力校核:同时满足
- 环向应力 ≤ S(材料许用应力)
- 组合应力 ≤ 1.25S
- 位移量 ≤ 支架允许位移值
4. 实战注意事项
- 弯头/三通处的应力增强系数(SIF)必须用B31代码中的方法计算
- 高温管线要计算冷紧(Cold Spring)安装量,通常取50%-70%热位移量
- 振动管线需额外计算固有频率,避开4-8Hz的机械共振区
- 埋地管线要考虑土壤弹簧系数(Spring constant of soil)
5. 常用简化方法
当缺乏软件时可采用:
- 悬臂梁法估算最大弯矩
- 导向间距公式:L_max = 0.707√(EI/(ρA)) → 防止横向振动(E弹性模量,I惯性矩,ρ密度,A截面积)
- 经验系数法:将热应力折算为等效压力进行计算
建议优先使用专业软件计算,手工校核关键节点。做完应力分析后一定要现场检查支架的实际安装状态——至少30%的应力问题是由支架施工偏差引起的。
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