圆桶开孔放水时间的计算问题
关于圆桶底部小孔放水时间的计算问题
问题描述：工程中以及现实生活中常常遇到水容器开孔放水的问题，由于放水过程中液面下降导致压差变化，从而放水流量不是一个恒定值，是一个逐渐减小的过程，从而难以准确计算放水所需时间。本计算过程主要解决这个问题。 计算过程：
（1）首先根据流体力学原理求解小孔处水流速度V B 与液面高度h 的关系
（2）根据流量连续性方程建立微分方程
液面距离小孔初始高度H ，容器半径R ，小孔半径r ， 假设t 时刻液面高度为h 根据流量连续性方程有：
πR 2d(H-h)= πr 2V B dt (1)
(H-h)表示液面下降的高度。d(H-h)=-dh
B V = (2)
(2)代入(1)得，
2R dh r ππ-= （3）
分离微分变量得
1/2
h
dh --= (4)
两边积分得通解
1/2
2h
C -=+ （5） 初始条件：当t=0时，h=H ，代入（5）得
1/22C H =- （6）
（6）代入（5）得特解
1/2
1/222h
H -=- （7） 2
1/2
1/2
2(t H
h =- （8）
则水流完时h=0，代入（8）得
22
1/2
22R t H
r
==
(情绪管理)压力容器的开孔与补强
第13章 压力容器的开孔与补强 本章重点内容及对学生的要求： （1） 回转壳体上开小孔造成的应力集中； （2） 开孔补强的原则、补强结构和补强计算； （3） 不另行补强的要求； （4） GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。 第一节 容器开孔附近的应力集中 1、 相关概念 （1）容器开孔应力集中（Opening and stress concentration ） 在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结构的需要，容器上经常需要开孔并安装接管，例如：人孔、手孔、进料与出料口等等。容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响： ◆ 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 ◆ 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。 ◆ 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。 上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。 （2）应力集中系数（stress concentration factor ） 常用应力集中系数Kt 来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名义应力为σ，开孔后按弹性方法计算出的最大应力为σmax ，则弹性应力集中系数为： σ σmax =t K （1） 压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是： ? 研究开孔应力集中程度，估算K t 值； ? 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。 2、平板开小孔的应力集中 Fig. 1 Variation in stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension
第三章给水排水管道系统水力计算础
第三章给水排水管道系统水力计算基础 本章内容： 1、水头损失计算 2、无压圆管的水力计算 3、水力等效简化 本章难点：无压圆管的水力计算 第一节基本概念 一、管道内水流特征 进行水力计算前首先要进行流态的判别。判别流态的标准采用临界雷诺数Re k，临界雷诺数大都稳定在2000左右，当计算出的雷诺数Re小于2000时，一般为层流，当Re大于4000时，一般为紊流，当Re介于2000到4000之间时，水流状态不稳定，属于过渡流态。 对给水排水管道进行水力计算时，管道内流体流态均按紊流考虑 紊流流态又分为三个阻力特征区：紊流光滑区、紊流过渡区及紊流粗糙管区。 二、有压流与无压流 水体沿流程整个周界与固体壁面接触，而无自由液面，这种流动称为有压流或压力流。水体沿流程一部分周界与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面，这种流动称为无压流或重力流给水管道基本上采用有压流输水方式，而排水管道大都采用无压流输水方式。 从水流断面形式看，在给水排水管道中采用圆管最多 三、恒定流与非恒定流 给水排水管道中水流的运动，由于用水量和排水量的经常性变化，均处于非恒定流状态，但是，非恒定流的水力计算特别复杂，在设计时，一般也只能按恒定流(又称稳定流)计算。 四、均匀流与非均匀流 液体质点流速的大小和方向沿流程不变的流动，称为均匀流；反之，液体质点流速的大小和方向沿流程变化的流动，称为非均匀流。从总体上看，给水排水管道中的水流不但多为非恒定流，且常为非均匀流，即水流参数往往随时间和空间变化。 对于满管流动，如果管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，则管内流动为均匀流；而当管道在局部有交汇、转弯与变截面时，管内流动为非均匀流。均匀流的管道对水流的阻力沿程不变，水流的水头损失可以采用沿程水头损失公式进行计算；满管流的非均匀流动距离一般较短，采用局部水头损失公式进行计算。 对于非满管流或明渠流，只要长距离截面不变，也没有转弯或交汇时，也可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式进行水力计算，对于短距离或特殊情况下的非均匀流动则运用水力学理论按缓流或急流计算。
压力容器常用开孔补强方法对比分析
压力容器常用开孔补强方法对比分析 集团公司文件内部编码：（TTT-UUTT-MMYB-URTTY-ITTLTY-
压力容器常用开孔补强方法对比分析压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。 在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。 开孔补强基本原理 2.1.等面积法 该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随
着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。 等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。 2.2.分析法 这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。 对比分析 3.1.等面积法 等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t，即
燃气管道水力计算
1．高压、中压燃气管道水力计算公式： Z T T d Q L P P 0 5 210 2 2 2 110 27.1ρ λ ?=- 式中：P 1 — 燃气管道起点的压力（绝对压力，kPa ）； P 2 — 燃气管道终点的压力（绝对压力，kPa ）； Q — 燃气管道的计算流量（m 3/h ）； L — 燃气管道的计算长度（km ）； d — 管道内径（mm ）； ρ — 燃气的密度（kg/m 3）；标准状态下天然气的密度一般取0.716 kg/m 3。 Ｚ — 压缩因子，燃气压力小于1.2MPa （表压）时取1； Ｔ — 设计中所采用的燃气温度（K ）； Ｔ0 — 273.15（K ）。 λ— 燃气管道的摩擦阻力系数； 其中燃气管道的摩擦阻力系数λ的计算公式： 25 .06811.0??? ? ??+ =e R d K λ K — 管道内表面的当量绝对粗糙度（mm ）；对于钢管，输送天然 气和液化石油气时取0.1mm ，输送人工煤气时取0.15mm 。 R e — 雷诺数（无量纲）。流体流动时的惯性力Fg 和粘性力(内摩擦 力)Fm 之比称为雷诺数。用符号Re 表示。层流状态，R e ≤ 2100；临界状态，R e =2100～3500；紊流状态，R e >3500。 在该公式中，燃气管道起点的压力1P ，燃气管道的计算长度L ，燃气密度ρ，燃气温度T ，压缩因子Z 为已知量，燃气管道终点的压力2P ，燃气管道的计算流量Q ，燃气管道内径d 为参量，知道其中任意两个，都可计算其中一个未知量。 如燃气管道终点的压力2P 的计算公式为： ZL T T d Q P P 0 5 210 2 1210 27.1ρ ?-= 某DN100中压输气管道长0.19km ，起点压力0.3MPa ，最大流量1060 m 3/h ，输气温度为20℃,应用此公式计算，管道末端压力2P =0.29MPa 。
(完整版)水力计算
室内热水供暖系统的水力计算 本章重点 ? 热水供热系统水力计算基本原理。 ? 重力循环热水供热系统水力计算基本原理。 ? 机械循环热水供热系统水力计算基本原理。 本章难点 ? 水力计算方法。 ? 最不利循环。 第一节热水供暖系统管路水力计算的基本原理 一、热水供暖系统管路水力计算的基本公式 当流体沿管道流动时，由于流体分子间及其与管壁间的摩擦，就要损失能量；而当流体流过管道的一些附件 ( 如阀门、弯头、三通、散热器等 ) 时，由于流动方向或速度的改变，产生局部旋涡和撞击，也要损失能量。前者称为沿程损失，后者称为局部损失。因此，热水供暖系统中计算管段的压力损失，可用下式表示： Δ P ＝Δ P y + Δ P i ＝R l + Δ P i Pa 〔 4 — 1 〕 式中Δ P ——计算管段的压力损失， Pa ；
Δ P y ——计算管段的沿程损失， Pa ； Δ P i ——计算管段的局部损失， Pa ； R ——每米管长的沿程损失， Pa ／ m ； l ——管段长度， m 。 在管路的水力计算中，通常把管路中水流量和管径都没有改变的一段管子称为一个计算管段。任何一个热水供暖系统的管路都是由许多串联或并联的计算管段组成的。 每米管长的沿程损失 ( 比摩阻 ) ，可用流体力学的达西．维斯巴赫公式进行计算 Pa/m （ 4 — 2 ） 式中一一管段的摩擦阻力系数； d ——管子内径， m ； ——热媒在管道内的流速， m ／ s ； 一热媒的密度， kg ／ m 3 。 在热水供暖系统中推荐使用的一些计算摩擦阻力系数值的公式如下： ( — ) 层流流动 当 Re ＜ 2320 时，可按下式计算；
流量与管径、力、流速之间关系计算公式
流量与管径、压力、流速的一般关系 一般工程上计算时，水管路，压力常见为0.1--0.6MPa，水在水管中流速在1--3米/秒，常取1.5米/秒。 流量=管截面积X流速=0.002827X管内径的平方X流速(立方米/小时)。 其中，管内径单位：mm ，流速单位：米/秒，饱和蒸汽的公式与水相同，只是流速一般取20--40米/秒。 水头损失计算Chezy 公式 这里： Q ——断面水流量（m3/s） C ——Chezy糙率系数（m1/2/s） A ——断面面积（m2）
R ——水力半径（m） S ——水力坡度（m/m） 根据需要也可以变换为其它表示方法: Darcy-Weisbach公式 由于 这里： h f——沿程水头损失（mm3/s） f ——Darcy-Weisbach水头损失系数（无量纲） l ——管道长度（m） d ——管道内径（mm） v ——管道流速（m/s）
g ——重力加速度（m/s2） 水力计算是输配水管道设计的核心，其实质就是在保证用户水量、水压安全的条件下，通过水力计算优化设计方案，选择合适的管材和确经济管径。输配水管道水力计算包含沿程水头损失和局部水头损失，而局部水头损失一般仅为沿程水头损失的5~10%，因此本文主要研究、探讨管道沿程水头损失的计算方法。 1.1 管道常用沿程水头损失计算公式及适用条件 管道沿程水头损失是水流摩阻做功消耗的能量，不同的水流流态，遵循不同的规律，计算方法也不一样。输配水管道水流流态都处在紊流区，紊流区水流的阻力是水的粘滞力及水流速度与压强脉动的结果。紊流又根据阻力特征划分为水力光滑区、过渡区、粗糙区。管道沿程水头损失计算公式都有适用范围和条件，一般都以水流阻力特征区划分。 水流阻力特征区的判别方法，工程设计宜采用数值做
压力容器常用开孔补强方法对比分析
压力容器常用开孔补强方法对比分析 压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。 在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。 开孔补强基本原理 2.1.等面积法 该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，
而且还产生很高的弯曲应力。 等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。 2.2.分析法 这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。 对比分析 3.1.等面积法 等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t，即A[σ]t，应由补强材料予以补偿，当补强材料与壳体材料相同时，
压力管道设计常用ASME标准
一、压力管道设计常用ASME标准 这里有两个标准，一个是组件尺寸型式标准（我国也有相应组件形式标准），另一个是材料标准（我国没有对材料形成专门的标准化）。 型式标准规定了组件的型式、系列、尺寸、公差、试验要求，以及该组件可采用的材料标准等。材料标准规定了适用的对象、原材料（坯料）品种（采用锻轧Wrought或锻件Forged）、化学成分、机械性能、制造工艺（包括焊接）、热处理、无损检查、取样和性能检验、质量证书、标志等。 1. 典型的组件型式标准 1）钢管 ANSI/ASME B36.10M 无缝及焊接钢管 ANSI/ASME B36.19M 不锈钢无缝及焊接钢管 2）管件 ANSI/ASME B16.9 工厂制造的钢对焊管件 ANSI/ASME B16.1 承插焊和螺纹锻造管件 ANSI/ASME B16.28 钢制对焊小半径弯头和回弯头 3）阀门 ANSI/ASME B16.34 法兰连接、螺纹连接和焊接连接的阀门 API 599 法兰或对焊连接的钢制旋塞阀 API 600 法兰或对焊连接的钢制闸阀 API 602 紧凑型碳钢闸阀 API 609 凸耳型对夹蝶阀 4）法兰 ANSI/ASME B16.5 管法兰和法兰管件 ANSI/ASME B16.36 孔板法兰 ANSI/ASME B16.42 球墨铸铁法兰和法兰管件
ANSI/ASME B16.47 大直径钢法兰 API 601 突面管法兰和法兰连接用金属垫片 5）垫片 ANSI/ASME B16.20 管法兰用缠绕式、包覆式垫片和环槽式用金属垫片 ANSI/ASME B16.21 管法兰用非金属平垫片 6）紧固件 ANSI/ASME B18.2.1 方头和六角头螺栓和螺纹 ANSI/ASME B18.2.2 方头和六角头螺母 7）管件 ASMEI B16.9 工厂制造的锻钢对焊管件 ASME B16.11 承插焊和螺纹锻钢管件 MSS-SP-43 锻制不锈钢对焊管件 2. 材料标准 ASTM/ASME材料标准主要集中收录在ASME II A篇铁基材料，B篇非铁基材料，C篇焊条、焊丝填充金属，D篇性能，以及一些增补内容。 与压力管道设计相关的典型的为A篇、D篇等。 A篇的主要分类有：钢板、薄板和钢带，公称管（Pipe），管子（Tube），钢法兰、配件、阀门及零件，压力容器用钢板、薄板和钢带，结构钢，钢棒材，钢螺栓材料，钢坯和锻件，钢铸件，耐腐蚀钢和耐热钢，锻轧铁、铸铁和可锻铸铁，以及方法标准等。 材料表示方法用"标准号-级别"及UNS。 如 304是级别。TP316前面的TP表示管材，英文单词TUBE & PIPE的首个字母。F316前面的F表示锻件，是FORGING的缩写。一般在ASME里，很多都是引用ASTM 标准，并在前面加个S，如A312被 ASME纳入后为SA312。在ASTM标准中，A 表示为A系列材料，当然还有B、C等。 美国高合金钢用UNS牌号表示，它是按美国钢铁协会AISI的编号表示方法转过来的，比如，AISI把18-8不锈钢记为UNS No S 30400（3代表镍铬钢），ASTM 引用过来叫它为304型，于是各国也跟着这么叫，成为普遍的表示法。还比如
压力容器圆筒开孔补强计算方法研究.docx
压力容器圆筒开孔补强计算方法研究应力集中危害问题要通过正确的方式强化管理，实现补强计算分析，进而充分的保障压力容器的安全性，提升整体的经济性。通过开孔补强计算方式，可以有效的解决此种问题。 1.压力容器圆筒大开孔补强计算方法应用价值 多数工程具有复杂化、大型化以及工艺特殊的特征，在施工中一些压力容器要通过较大的开孔接管进行处理，此种方式会转变原有容器的应力状态，消弱压力容器的强度。针对与柱壳容器，开孔之后会导致其受到接管弹性约束的影响，导致容器主管的开孔附近受到薄膜应力状态轴向力以及环向力的影响，出现弯矩以及扭矩等问题。为了提升整体稳定性，在实践中针对一些大开孔设计y要通过科学合理的方式分析受力状况，进而保障施工安全性，提升整体质量。 2.压力容器圆筒大开孔补强计算方法 2.1压力面积法 通过欧盟标准压力面积法，综合我国实际状况，在被开孔削弱面积补在孔的周围，给出其需药补强的具体面积，不计孔周边的应力集中问题。开孔补强设计主要的要求就是基于结构进行静力强度分析，基于一次应力强度出发，分析开孔边缘二次应力安定性。综合其安全系数以及实践经验系统分析。此种方式对于开孔边缘的应力强度进行
分析是否满足一次总体以及局部中对于薄膜应力静力强度要求。通过对补强范围材料平均薄膜应力控制的方式达到进行应力强度的控制与管理，要保障其在一倍的许用应力。综合压力在壳体受压面积产生的荷载以及有效补强范围中的课题、接管。补强材料面积承载能力平衡的相关静力平衡条件则可以确定其进行接管补强计算的方式。在壳体以及接管、补强材料相同的时候要根据以下公式进行补强计算公式为：P表示的是设计压力。 2.2分析法 分析法就是根据弹性薄壳理论获得的应力分析方式。主要就是在内压作用之下其具有径向接管圆筒开孔的补强设计分析。分析法设计准则与压力面积法之间具有一定的差别。此种方式的模型假定接管以及壳体属于连续性的整体型结构，其计算模型如下图所示。在应用分析法的时候，要保障焊接接头的质量，保障其整体焊透性。分析法在设计中主要就是基于塑性极限以及安定分析确定，通过保障其一次加载的时候具有充足的塑性承载能力，具有反复加载的安定要求，进而确定其开孔安全性。此种方式有效的拓展了圆柱壳开孔补强设计的适用范围。圆柱壳开孔接管理论中的力学技术主要就是综合Morley方程，通过导出并且利用两正交相贯圆柱壳位于交贯线位置中精确的连续条件，则可以确定在内压以及外载作用之下圆柱壳开孔接管中的薄
压力容器常用开孔补强方法对比分析详细版
文件编号：GD/FS-2254 （解决方案范本系列） 压力容器常用开孔补强方法对比分析详细版 A Specific Measure To Solve A Certain Problem, The Process Includes Determining The Problem Object And Influence Scope, Analyzing The Problem, Cost Planning, And Finally Implementing. 编辑：_________________ 单位：_________________ 日期：_________________
压力容器常用开孔补强方法对比分 析详细版 提示语：本解决方案文件适合使用于对某一问题，或行业提出的一个解决问题的具体措施，过程包含确定问题对象和影响范围，分析问题，提出解决问题的办法和建议，成本规划和可行性分析，最后执行。，文档所展示内容即为所得，可在下载完成后直接进行编辑。 压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。 在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。
因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。 开孔补强基本原理 2.1.等面积法 该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。 等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。 2.2.分析法
输水管道水力计算公式
输水管道水力计算公式 1．常用的水力计算公式： 供水工程中的管道水力计算一般均按照均匀流计算，目前工程设计中普遍采用的管道水力计算公式有: 达西（DARCY ）公式： g d v l h f 22 **=λ （1） 谢才（chezy ）公式： i R C v **= （2） 海澄－威廉（HAZEN-WILIAMS ）公式： 87 .4852.1852.167.10d C l Q h h f ***= （3） 式中 h f -----------沿程损失，m λ----------沿程阻力系数 l -----------管段长度，m d-----------管道计算内径，m g-----------重力加速度，m/s 2 C-----------谢才系数 i------------水力坡降； R-----------水力半径，m Q-----------管道流量m/s 2 v------------流速 m/s C n -----------海澄―威廉系数 其中达西公式、谢才公式对于管道和明渠的水力计算都适用。海澄－威廉公式影响参数较小，作为一个传统公式，在国内外被广泛用于管网系统计算。三种水力计算公式中 ，与管道内壁粗糙程度相关的系数均是影响计算结果的重要参数。 2．规范中水力计算公式的规定 3．查阅室外给水设计规范及其他各管道设计规范，针对不同的设计条件，推荐 采用的水力计算公式也有所差异，见表1： 表1 各规范推荐采用的水力计算公式
3．1达西公式 达西公式是基于圆管层流运动推导出来的均匀流沿程损失普遍计算公式，该式适用于任何截面形状的光滑或粗糙管内的层流和紊流。公式中沿程阻力系数λ值的确定是水头损失计算的关键，一般采用经验公式计算得出。舍维列夫公式，布拉修斯公式及柯列勃洛克（C.F.COLEBROOK ）公式均是针对工业管道条件计算λ值的著名经验公式。 舍维列夫公式的导出条件是水温10℃，运动粘度1.3*10-6 m 2/s,适用于旧钢管和旧铸铁管,紊流过渡区及粗糙度区.该公式在国内运用较广. 柯列勃洛可公式)Re 51.27.3lg(21 λ λ+?*-=d (Δ为当量粗糙度,Re 为雷诺数)是根据大量工业管道试验资料提出的工业管道过渡区λ值计算公式，该式实际上是泥古拉兹光滑区公式和粗糙区公式的结合，适用范围为4000 长距离输水管道水力计算公式的选用 1． 常用的水力计算公式： 供水工程中的管道水力计算一般均按照均匀流计算，目前工程设计中普遍采用的管道水力计算公式有: 达西（DARCY ）公式： g d v l h f 22 **=λ （1） 谢才（chezy ）公式： i R C v **= （2） 海澄－威廉（HAZEN-WILIAMS ）公式： 87 .4852 .1852.167.10d C l Q h h f ***= （3） 式中h f ------------沿程损失，m λ―――沿程阻力系数 l ――管段长度，m d-----管道计算内径，m g----重力加速度，m/s 2 C----谢才系数 i----水力坡降； R ―――水力半径，m Q ―――管道流量m/s 2 v----流速 m/s C n ----海澄――威廉系数 其中大西公式，谢才公式对于管道和明渠的水力计算都适用。海澄－威廉公式影响参数较小，作为一个传统公式，在国内外被广泛用于管网系统计算。三种水力计算公式中，与管道内壁粗糙程度相关的系数均是影响计算结果的重要参数。 2．规范中水力计算公式的规定 3．查阅室外给水设计规范及其他各管道设计规范，针对不同的设计条件，推荐采用的水力计算公式也有所差异，见表1： 表1 各规范推荐采用的水力计算公式 4． 公式的适用范围： 3．1达西公式 达西公式是基于圆管层流运动推导出来的均匀流沿程损失普遍计算公式，该式适用于任何截面形状的光滑或粗糙管内的层流和紊流。公式中沿程阻力系数λ）公式均是 针对工业管道条件计算λ值的着名经验公式。 舍维列夫公式的导出条件是水温10℃，运动粘度1.3*10-6 m 2/s,适用于旧钢管和旧铸铁管,紊流过渡区及粗糙度区.该公式在国内运用教广. 柯列勃洛可公式 )Re 51 .27.3lg( 21 λ λ +?*-=d (Δ为当量粗糙度,Re 为雷诺数)是根据大量工业管道试验资料提出的工业管道过渡区λ值计算公式,该式实际上是泥古拉兹光滑区公式和粗糙区公式的结合,适用范围为4000 使用SW6―2011计算压力容器开孔补强的几个问题 0 引言 为满足工艺或结构需要，在压力容器设计中开孔是必不可少的。容器开孔接管后会引起开孔或接管部位的应力集中，再加上接管上会有各种外载荷所产生的应力及热应力，以及容器材料和制造缺陷等各种因素的综合作用，使得开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位。虽然标准和规范对设计和计算都作了较为详细的规定，但在使用SW6-2011过程设备强度计算软件计算开孔补强时需要注意对标准规范中有关定义的理解和把握，灵活运用软件，必要时对有关数据进行调整，才能得到正确的结论，保证设备的安全可靠性。 1 补强方法及适用范围 1.1 计算时应注意的问题 在使用SW6-2011计算开孔补强之前要先判断接管的直径和壁厚是否满足GB150.3-2011中6.1.3不另行补强的最大开孔直径[1]的要求，满足要求的可以不进行计算，没有进行判断直接输入数据的，生成计算书会显示满足不另行补强的最大开孔直径的要求，不予进行计算。还需要注意的是单个孔开孔补强计算合格，然而该孔的有效补强区B=2d范围内还有其他开孔，形成孔桥的，则应按孔桥处理。在计算两相邻开孔中心的间距或者任意两孔中心的间距时对曲面间距应按弧长计算，按照弦长或中心线 垂直距离计算是不正确的。 1.2 补强计算方法及适用范围的理解 SW6-2011补强计算方法给出四种：等面积补强法、另一补强方法、分析方法和压力面积法。 计算软件中的等面积补强法是指单个开孔的等面积法，联合补强法是指多个开孔的等面积法。等面积法是开孔补强计算方法中最广泛应用的计算方法，该法是以补偿开孔局部截面的一次拉伸强度作为补强准则的，是以无限大平板上开有小圆孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，对开孔边缘的二次应力的安定性问题是通过限制开孔形状，长短径之比和开孔范围（开孔率）间接考虑的[2]，使用该法应考虑开孔是否满足GB150.3-2011中6.1.1的规定。对于承受静载的压力容器开孔，长期实践证明该法在允许使用范围内，其补强结果是比较安全可靠的。分析法是根据弹性薄壳理论得到的应力分析法用于内压作用下具有径向接管圆筒的开孔补强设计，其开孔率可达0.9。压力面积法为HG20582-2011大开孔的补强计算[3]中介绍的补强方法，其开孔率可达0.8。分析法和压力面积法都是适用于大开孔径向接管补强计算的，不能计算斜接管。大开孔即超出等面积补强法适用范围的开孔。而且分析法只能用在筒体上的开孔，封头上的大开孔应用压力面积法计算，但在我国压力面积法尚不能作为合法的设计依据，该方法只能参考使用。压力面积法和等面积法一样，都不适用于有疲劳强度要 压力管道设备开孔补强计算方法探讨 发表时间：2019-05-23T11:32:04.523Z 来源：《防护工程》2019年第1期作者：国健 [导读] 对几种常用的补强方式进行了对比研究，主要包括补强板、补强管和焊台补强三种形式。 中石化第十建设有限公司山东青岛 266555 摘要：随着工艺要求的提高，管线开孔在没有标准管件可用的情况下，大口径管道上直接开孔焊接支管是管道设计时经常会遇到的问题，由于开孔面积较大，需要对开孔处进行详细核算以确定是否需要补强。若需要补强，要根据具体情况、相关标准规范来进行计算和判断，找出最适合的补强方式，并根据计算补强的具体参数要求进行开孔补强，核算结果的准确与否及开孔补强是否足够将影响管道的安全平衡运行。 关键词：压力管道；设备；开孔补强；计算方法； 压力管线开孔接管和补强结构作为管道系统中常用的结构方式，在石化领域广泛应用。在对国内外开孔补强设计的主要原则进行分析后，对几种常用的补强方式进行了对比研究，主要包括补强板、补强管和焊台补强三种形式。 一、开孔补强理论概述 管道开孔并带有接管后和未开孔管道相比，引起了三个问题，即:一是由于开孔而使主管承载截面积的削弱，其值为d iδn；二是主管上因开孔而引起的孔边应力集中，其存在范围(从接管外侧起量)，大致为d i/2;三是因接管和主管构成了不连续结构，因而在主管上引起了附加的不连续应力，其存在范围(从接管外侧起量)，大致和不连续应力的衰减范围成正比:这三者对主管管体(对接管，则是从主管表面起的接管不连续应力存在范围内接管应力增大)的最终影响是，在接管周围一定范围内应力的增大，暂不讨论如何对这些应力进行分类，接管周围应力的增大总会降低壳体的承载能力，所以必须“补强”。 二、开孔补强设计方法 1.等面积补强。GB50253《输油管道工程设计规范》5.4.9所介绍的补强计算法即为等面积补强法，也是目前计算压力管道开孔补强最常用的一种计算方法。等面积补强法从补强角度讲，壳体由于开孔丧失的拉伸承载面积应在孔边有效补强范围内等面积的进行补强。当补强材料与壳体相同时，所需的补强面积就与壳体开孔削弱面积的强度面积相等。等面积补强法是以补强开孔局部截面积的拉伸强度作为补强准则的，为此其补强只涉及静力强度问题。等面积补强的力学基础是无限大平板开小孔，忽略了开孔处应力集中和开孔系数的影响，粗略的认为在补强范围内补强金属的均匀分布降低了孔边缘的应力集中作用。对于开孔边缘的二次应力的稳定性问题是通过限制开孔形状和开孔范围加以考虑的。等面积法基于无限大平板开孔小孔的假设,未能体现局部弯曲应力影响,这种基于板壳理论的简化方法,不适合大开孔的计算,因此GB50253规定开孔直径不大于主管直径的1/2。 2.压力面积法。压力面积法是G20582-2011《钢制化工容器强度计算规定》介绍的大开孔计算方法，来源于西德AD规范B9补强设计的规定，这是一种近似的分析方法，基本上是一种经验的极限分析方法。它根据试验应变测量，对具有各种尺寸的开孔与带有齐平径向接管的圆筒形容器上做了一系列压力试验，以壳体开孔接管处产生0.2%的应变所需的压力导出削弱系数，并绘制成曲线。在确定补强设计时，需将削弱系数值代入壳体厚度公式中进行计算，并将开孔率限制在0.8。该法在本质上仍与等面积法相同,对于开孔边缘应力只考虑满足一次总体及局部薄膜应力的静力要求。压力面积法的基本出发点是，对于内压壳体，是以压力载荷的面积和壳体、接管、补强件的承载截面积之间相互平衡为基础的，即由压力载荷的面积对压力乘积所表示的载荷和壳体、接管、补强件承载横截面积对材料许用应力的乘积之间相互平衡，在工程实践中往往应用于低压容器开孔补强的计算中，该方法在计算高压管道大开孔补强时，其结果往往是偏冒进的，随着新版G20582的发布，其方法的适用范围受到更加严格的限制，因此压力面积法不适合压力管道开孔补强计算。 3.有限元分析法。使用ASME法计算分析了一受内压模型压力管道大开孔补强结构,用极限分析法求出其极限载荷和设计载荷,并用分析设计法进行了验证，是一种安全可靠的计算方法。但是如采用有限元分析,对设计人员要求高,如果从设计成本、人员资质和效率上考虑，有限元分析法很难满足工程要求。 三、压力容器的开孔补强计算 压力容器的开孔补强计算方法主要采用的是等面积补强法，其指导思想是使简体上多余金属的截面积A1、接管上多余金属的截面积A2、焊缝金属的截面积A3之和作为有效补强范围内补强的截面积Ae。若Ae大于等于因开孔而削弱的截面积A，则开孔不需要补强；若Ae 小于A，则开孔需要补强，需要补强的面积A4>A—Ae。该方法使用的开孔范围为，当筒体内径Di≤1 500 mm时，开孔最大直径d≤Di／2，且d≤520 mm；当简体内径Di>1 500 mm时，开孔最大直径d≤Di／3，且d≤1 000 mm。 四、算方法比较 按照压力容器开孔补强方法和按照压力管道设备有关标准要求进行补强的基本理论都是以等面积补强法为基础的，最大的不同在于前者属于压力容器范畴，而后者则不属于压力容器范畴。 1.适用的开孔范围不同。如果按前者方法计算，当筒体内径Di≤1 500 mm时，开孔最大直径d≤Di／2，并且d≤520mm；而当筒体内径Di>I 500 mm时，开孔最大直径d≤1／3D。，并且d≤1 000 mm。也就是说，对于较大的开孔，这种计算方法是不适用的。而采用后者计算方法就没有这个限制，例如用文献来计算开孔接管直径与简体相同的设备、等径的清管三通等是可行的。 2.许用应力取值方法不同。采用前者方法计算时的许用应力可以在文献中直接查取，而采用后者计算方法时则通过查取材料的屈服强度后乘上设计系数得出。这两种方法会使同种材料许用应力的取值有不小的差异，导致简体的计算壁厚也相差不少。另外，如果在文献[1]中查取材料的许用应力，那么文献中没有列出的材料就无法查到相应的许用应力值。而采用后者计算方法，只要知道材料的屈服强度和设计系数就可以计算出许用应力值。适用范围广泛。 3.有效补强高度不同。采用前者方法的有效补强高度按式(2)和式(3)计算，并分别取式中较小者。而采用后者方法计算时则分为两种情况，如果是挤压引出接管的补强。那么有效补强高度H=；如果是焊接接管的开孔补强，那么有效补强高度H=。在实际计算中。两种计算方法得到的有效补强高度相差不小．对最终计算结果影响也较大。对于挤压引出接管的补强，同属压力管道设备标准的文献[3]和文献[4]的要 压力容器的开孔与补强 本章重点容及对学生的要求： （1） 回转壳体上开小孔造成的应力集中； （2） 开孔补强的原则、补强结构和补强计算； （3） 不另行补强的要求； （4） GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。 第一节 容器开孔附近的应力集中 1、 相关概念 （1）容器开孔应力集中（Opening and stress concentration ） 在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结构的需要，容器上经常需要开孔并安装接管，例如：人孔、手孔、进料与出料口等等。容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响： ◆ 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 ◆ 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。 ◆ 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。 上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。 （2）应力集中系数（stress concentration factor ） 常用应力集中系数Kt 来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名义应力为σ，开孔后按弹性方法计算出的最大应力为σmax ，则弹性应力集中系数为： σ σmax = t K （1） 压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是： ? 研究开孔应力集中程度，估算K t 值； ? 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。 2、平板开小孔的应力集中 Fig. 1 Variation in stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension 长距离输水管道水力计算公式的选用 1． 常用的水力计算公式： 供水工程中的管道水力计算一般均按照均匀流计算，目前工程设计中普遍采用的管道水力计算公式有: 达西（DARCY ）公式： g d v l h f 22**=λ （1） 谢才（chezy ）公式： i R C v **= （2） 海澄－威廉（HAZEN-WILIAMS ）公式： 87 .4852 .1852.167.10d C l Q h h f ***= （3） 式中h f ------------沿程损失，m λ―――沿程阻力系数 l ――管段长度，m d-----管道计算内径，m g----重力加速度，m/s 2 C----谢才系数 i----水力坡降； R ―――水力半径，m Q ―――管道流量m/s 2 v----流速 m/s C n ----海澄――威廉系数 其中大西公式，谢才公式对于管道和明渠的水力计算都适用。海澄－威廉公式影响参数较小，作为一个传统公式，在国内外被广泛用于管网系统计算。三种水力计算公式中，与管道内壁粗糙程度相关的系数均是影响计算结果的重要参数。 2．规范中水力计算公式的规定 3．查阅室外给水设计规范及其他各管道设计规范，针对不同的设计条件，推荐采用的水力计算公式也有所差异，见表1： 表1 各规范推荐采用的水力计算公式 4．公式的适用范围： 3．1达西公式 达西公式是基于圆管层流运动推导出来的均匀流沿程损失普遍计算公式，该式适用于任何截面形状的光滑或粗糙管内的层流和紊流。公式中沿程阻力系数λ值的确定是水头损失计算的关键，一般采用经验公式计 算得出。舍维列夫公式，布拉修斯公式及柯列勃洛克（C.F.COLEBROOK ）公式均是针对工业管道条件计算λ值的著名经验公式。 舍维列夫公式的导出条件是水温10℃，运动粘度1.3*10-6 m 2/s,适用于旧钢管和旧铸铁管,紊流过渡区及粗糙度区.该公式在国内运用教广. 柯列勃洛可公式 )Re 51 .27.3lg( 21 λ λ +?*-=d (Δ为当量粗糙度,Re 为雷诺数)是根据大量工业管道试验资料提出的工业管道过渡区λ值计算公式,该式实际上是泥古拉兹光滑区公式和粗糙区公式的结合,适用范围为4000 第二节水力计算 第3．2．1条排水管渠的流速，应按下列公式计算： 式中v ——流速（m／s）； R ——水力半径（m）； I ——水力坡降； n ——粗糙系数。 第3. 2．2条管渠粗糙系数宜按表3．2．2采用。 第3．2．3条排水管渠的最大设计充满度和超高，应遵守下列规定： 一、污水管道应按不满流计算，其最大设计充满度应按表3．2．3采用。 二、雨水管道和合流管道应按满流计算。 注：在计算污水管道充满度时，不包括沐浴或短时间内突然增加的污水量，但当管径小于或等于300mm时，应按满流复核。 三、明渠超高不得小于0．2m。 第3．2．4条排水管道的最大设计流速，应遵守下列规定： －、金属管道为10 m/s； 二、非金属管道为 5 m/s。 第3．2．5条排水明渠的最大设计流速应遵守下列规定： 一、当水流深度为0．4～1．0m时，宜按表3．2．5采用。 二、当水流深度在0．4～1．0m范围以外时，表3.2.5所列最大设计流速应乘以下列系数：h ＜0.4m时系数=0．85; 1.0＜h＜ 2.0m时系数=1．25; h≥2.0m时系数= 1.40. 注：h为水流深度。 第3．2．6条排水管渠的最小设计流速，应遵守下列规定： 一、污水管道在设计充满度下为0．6m／s 。 注：含有金属、矿物固体或重油杂质的生产污水管道，其最小设计流速宜适当加大。 二、雨水管道和合流管道在满流时为0.75m／s 。 三、明渠为0.4 m/s 。 注：①当起点污水管段中的流速不能满足以上规定时，应符合本规范第3．2．9 条要求。 ②设计流速不满足最小设计流速时，应增设清淤措施。 第3．2．7条生活污水压力输泥管的最小设计流速，一般可按表3．2．7采用。水力计算公式选用
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压力管道设备开孔补强计算方法探讨
压力容器壳体的开孔与补强
水力计算公式选用
水力计算