孔隙压力、有效应力和排水

第六章 孔隙压力、有效应力和排水

6.1 引言

通常所说的土是由固体颗粒和水两部分组成的，基础或挡墙上的荷载包含土颗粒和孔隙水上面的应力两部分。在没有土颗粒的船体外表面，法向应力就等于水压力；而在没有水的装有糖的盆底，应力就等于所装的糖的重量。问题就是土颗粒应力和孔隙水压力的哪种组合决定着土的性质。要研究这个问题，我们首先研究地基中的应力和水压力。

6.2 地基中的应力

在地基中，某一深度的竖向应力是由上面的一切东西的重量产生的——土颗粒、水和基础，所以应力随着深度的增加而增大。图6.1(a)中的竖向应力为：

z z γσ= (6.1)

其中γ为土的容重（见5.5节）。如果地基在水平面以下或者在湖底、海底的话（如图

6.1(b)所示），竖向应力计算公式就变为：

w w z z z γγσ+= (6.2)

如果在基础或路堤表面有荷载q 作用的话（如图6.1(c)所示），那么竖向应力计算公式就变为：

q z z +=γσ (6.3)

这里面的γ是单位体积的土颗粒和水重量之和。因为z σ是由土体的总重量产生的，所以成为总应力。注意，图6.1(b)中所示的湖中的水把总应力作用在底部同玻璃杯中的水把总应力作用在杯底的方式相同。土颗粒的重度变化不大，一般来讲，饱和土的3

/20m kN ≈γ，干土的3/16m kN ≈γ，水的3/10m kN ≈γ。

同时也有水平向的总应力h σ，但是在z σ和h σ之间没有简单的关系。在以后的章节我们会对水平向的应力进行研究。

6.3 地下水和孔隙水压力

饱和土的孔隙水中存在的压力叫做孔隙水压力u 。在竖管中经常用w h 来简单地代替，如图6.2所示。当系统处于平衡状态时，竖管部和外部的水压力相等，因此得到： w w h u γ= (6.4)

当竖管中的水位低于地表面时（如图6.2(a)所示），就称为地下水位。如果土中水是静止的，那么地下水位面就像湖面一样是水平的。然而，就像我们后面将要见到的那样，如果地下水位面不是水平的，那么土孔隙中就存在水的渗流。图6.2(a)中地下水位面处孔隙水压力为零（这就是叫做地下水位），水位以下为正值，问题就出来了：地下水位面以上孔隙水压力是什么样的呢？

图6.3说明了地表面和地下水位面之间的土中孔隙水压力的变化情况。在地表面处有一

层孔压为零的干土，这种情况很少见到，但是在高潮水面以上的海滩可以发现这种现象。在地下水面以上的一小部分，由于土中孔隙的毛细作用，土体是饱和的。在这一区域，孔隙水压力是负值，计算公式如下：

w w h u γ-= (6.5)

最应该注意的一点就是饱和土中也可能产生负的孔隙水压力。这就暗示了水承受了力，地下水位面以上的土体中的水像毛细试管中的水那样上升。地下水位面上面饱和区域的高度主要取决于土颗粒的尺寸，更多的取决于孔隙的尺寸：土颗粒和孔隙越小，有负孔隙水压力的饱和土区域的高度就越大，饱和区域顶部和负孔隙水压力就越大。

在干土和饱和土之间存在着非饱和土，包括土颗粒、水和气，一般是空气或者水蒸气。在这部分，孔隙中的水压和气压是不同的，孔隙水的引力如图6.3所示那样增加或减小。目前针对非饱和土还没有简单并且令人满意的理论，所以这本书中只研究干土和饱和土。因为实际的边坡、基础、挡土墙和其它重要的土木工程建筑中，土通常是饱和的，至少在温和的或潮湿的气候条件下是饱和的。而只有在非常接近地表的土、密室土和干燥炎热的气候条件下的土中才可能存在非饱和土。

6.4 有效应力

由基础荷载或边坡开挖所产生的总应力可能会导致地面出现移动和失稳现象，这是显而易见的。但是由于孔隙水压力的变化而导致地面出现移动和失稳现象，这可能是不明显的。例如，稳定的边坡可能在暴风雨后发生破坏，因为水的抽出导致地面出现沉降，从而地下水位降低，下雨天雨水入渗，孔隙水压力升高（如果有人告诉你雨后发生滑坡是因为雨水对土的润滑作用的话，你就问问他，沙丘里的潮湿砂子的强度为什么比干燥砂土的要大）。

如果土的压缩和强度是随总应力或孔隙水压力的变化而变化的话，就说明土的性质很可能和σ和u 的组合有关。这种组合应该称为有效应力，因为它对于决定土的性质是有效的。

太沙基（1936）首先揭示了总应力、有效应力和孔隙水压力之间的关系。他是这样定义有效应力的：

所有能够测量到的由应力变化产生的效果，如压缩、扭曲变形、剪切阻力，主要是因为有效应力的变化而导致的。有效应力'

σ和总应力以及孔隙水压力之间的关系为：u -=σσ'。

图6.4是在同一个坐标系下绘制的有效应力和总应力的摩尔应力圆。因为u -=1'

1σσ、u -=3'3σσ，所以两个圆的直径是相等。点T 和E 代表同一平面上的总应力和有效应力，显然，总剪应力和有效剪应力是相等的。因此，有效应力为：

u -=σσ'

(6.6) ττ=' (6.7)

结合第二章所给出的剪应力参数q 和主应力参数p 的定义和公式u -=1'

1σσ，可以得到：

u p p -=' (6.8)

q q =' (6.9)

从式(6.7)和式(6.9)可以看出，总剪切应力和有效剪切应力是相等的，很多学者一直使用剪切应力。在我的工作和教书生涯中，以及这本书中，我使用'τ和'q 表示有效应力，用τ和q 表示总应力。我知道这并不是必要的，但是我发现把总剪切应力和有效剪切应力区别开来是很有用的，尤其是教书时。

6.5 有效应力的重要性

土力学中有效应力原则是最基础的，它的重要性并不是被夸大的。这是把由荷载产生的土体性质和由水压力产生的土体性质联系起来的一种方法。

尽管大多数土力学试验在考虑粒间作用力和粒间接触的基础上探讨了有效应力的原则和意义，但是实际上这样做是没有必要的，必要的假设并不一定都能够得到试验验证。然而，至今仍没有找到证明太沙基最初的假定是错误的依据，至少对于正常应力水平下的饱和土来讲，有效应力原理被认为是最基本的土力学公理。

因为总应力和有效应力是不相等的（除非孔隙水压力为零），把两者区分开来是非常重要的。有效应力'σ和'τ常用主应力表示，而总应力不用主应力表示。任何公式都应该含有所有的总应力或所有的有效应力，或者通过孔隙水压力把总应力和有效应力结合起来。工程师进行设计计算（或学生做考试题目）的时候应该能够弄清楚他们用到的是总应力还是有效应力。利用图6.1和6.2，并结合公式(6.1)到(6.6)这六个公式，可以计算地基中任何地下水位条件下任何深度的竖向有效应力'z σ。如果你做过一些例子，你就会发现如果地下水位低于地表的话，有效应力主要取决于地下水位。另一方面，如果地表被水淹没的话，如河流、

湖泊或海洋的底部，有效应力大小和水的深度没有关系，这就意味着一个小池塘底部的有效应力和一个水深可能超过5km 的海洋底部的有效应力是一样的。在进行相关计算时要注意自由流动的水（如河水、湖水或海水）对土产生的是总应力（对大坝以及海底），而土孔隙中的水产生孔隙水压力，这些水压力并不一定是相等的。

6.6 有效应力的验证

考虑到变化量，有效应力公式(6.6)可以改为：

u ?-?=?σσ' (6.10)

上式表明，在保持孔隙水压力不变的条件下改变总应力或者在保持总应力不变的条件下改变孔隙水压力，都会造成有效应力的变化，从而产生可以量测到的影响。同样要注意到，如果总应力和孔隙水压力的变化量相等的话，有效应力就保持不变，土的状态就不会发生任何变化。

图6.5(a)中，在基础上施加σ?的荷载，由于地基中的孔隙水压力保持不变，从而产生ρ?的沉降，因此σσ?=?'。图6.5(b)中，沉降ρ?是由于抽取地下水产生的，通过抽水使地下水位降低w h ?，这样孔隙水压力减小了w w h u ?=?γ。从式(6.10)可以看出，因为0=?σ，所以孔隙水压力的减小会导致有效应力的增加。通过有效应力原理可以证明，基

础荷载增加σ?和孔隙水压力减小u?所引起的沉降量是相等的。换句话说，有效应力的改变可以影响土的性质。

图6.6是一个验证有效应力的简单实验。实验说明了孔隙水压力对深的条形基础的影响能力。所用的土为粉到中砂，因为如果土很粗的话，当地下水位降低时可能变成非饱和；如果土粒很细的话，在一定时间，孔隙水压力可能不是相等的。把砂砾和砂放到水里面，饱和以后打开阀门使水位降低到砂砾。放置一个重的基础（最好是一个直径40mm，长80mm 的钢柱）和一个如图所示偏离中心的桩。关闭阀门，向竖管里面注水，使水位提高。如果砂和砂砾是饱和的，竖管就会被注满。随着水位和孔隙水压力的升高，有效应力会降低，两个基础都会破坏。

另一个简单的验证有效应力的简单实验是咖啡豆真空包装袋的刚度和强度实验。如果是理想的真空的话，袋子相对是很硬而且很结实的，因为负的孔隙压力产生了正的有效应力。然而，如果你用一个大头针戳一个小洞的话，袋子就变软，这是由于袋子中孔隙压力增大，有效应力减小的缘故。你也可以用一个自己密封的袋子装上粗糙的砂和砾石作一个同样简单的实验。

6.7 体积改变和排水

在土由于有效应力的改变而加载和卸载的过程中，体积会发生变化。然而，因为土颗粒

本身的刚度很大，所以土颗粒本身的体积变化是可以忽略的，所以土体积的变化是由颗粒的重新排列和空隙的改变造成的。在较小的有效应力水平下，土颗粒可能比较松散，而在较高的有效应力水平下就会变得紧密起来，如图6.7所示。如果孔隙水压力0u 保持不变，那么总应力和有效应力的改变量就相等（σσ?=?'

，见公式(6.10)）。如果土颗粒的体积保持不变的话，见图6.7，那么土体积改变量V ?就等于排出的水的体积w V ?。

饱和土的体积变化是因为土中水的渗流造成的，所以土体的压缩就像从海绵往外挤水一样。在实验室里面，水会向土样的边界流动，而在地基中，水会向地表或者土中的自然排水体流动。例如图8是一个在粘土上修建的路堤，粘土的顶部和底部各有一层作为排水体的砂。在路堤的修筑过程中，水从粘土向砂土层流动，如图中箭头所示。

当然，必须有足够的时间使水从土中流出，这样才能产生体积变化；同时孔隙水压力也发生了变化。所以，在路堤的填筑速率、排水速率和土及孔隙压力的变化速率之间必然存在一个关系。

6.8 排水荷载、不排水荷载和固结

总应力的施加速率和排水速率使决定土的性质的重要因素。图6.9和6.10是限制条件。 图6.9(a)中总应力增量σ?施加的非常缓慢，经历了相当长的时间。这可以代表实验室或现场的加载情况。如果荷载缓慢施加的话，水就有足够的时间从土中排水。孔隙水压力就不会发生变化，如图6.9 (c)所示，体积会随着荷载的改变和改变，如图6.9(b)所示。因为孔隙水压力保持为0u 不变，有效应力随着总应力的变化而变化，如图6.9(d)所示。当应力保持''0σσ?+不变时，体积保持为V V ?-0。这种相对较慢的荷载叫做排水荷载，因为在荷载施加的过程中，所有的排水都已经完成了。排水荷载最重要的特征是孔隙水压力保持为0u 不变，这就是所说的稳态孔隙水压力。

图6.10(a)中施加和图6.9相同的总应力增量σ?，但是施加的速度非常快，没有足够的时间来排水，所以体积保持不变，如图6.10(b)所示。如果荷载是各向相同的，没有剪切扭曲的话，由于不排水体积不发生变化。根据有效应力原理，这就意味着有效应力必须保持不

变，如图6.10(d)所示。从公式(6.10)可以得到，孔隙水压力的变化为：

0'=?-?=?u σσ (6.11)

σ?=?u (6.12)

孔隙水压力的增加产生了初始超孔隙水压力i u ，如图6.10 (c)所示。注意，这时候的孔隙水压力包括稳态孔隙水压力0u 和超孔隙水压力i u 。相对较快的荷载叫做不排水荷载，因为在荷载施加的过程中水没有排出。不排水荷载最重要的特征就是没有体积变化。

在不排水荷载施加结束的时候，孔隙水压力为i u u u +=0，其中0u 是稳态或平衡孔隙水压力，i u 是初始超孔隙水压力。这个超孔隙水压力会使土中产生渗流。随着时间的流逝，土会发生如图6.10(b)所示的体积变化。体积必然随着有效应力的变化而变化，如图6.10(d)所示，孔隙水压力逐渐较小，如图6.10(c)所示；在某一时刻t 超孔隙水压力达到t u 。水因为超孔隙水压力而排出，体积变化的速率dt dV /随着超孔隙水压力的减小而减小，如图

6.10(b)所示。注意，因为土中存在超孔隙水压力，土表面的水压力和孔隙水压力不是相等的；这就意味着新的码头墙体后面土中的孔隙水压力不一定和水压力相等。

因为排水，超孔隙水压力发生消散，体积的变化就是固结。固结的一个重要特征就是超孔隙水压力u 随着时间而变化。通常总应力保持不变，但不一定永远如此。固结就是简单的压缩（也就是说，体积变化因为有效引力变化引起的）加上渗流。在固结结束的时候，经过

相当长的时间，∞u ＝0，总应力、有效应力和体积同排水荷载作用情况下一样。因此，不排水荷载作用下有效应力的变化加上固结和排水荷载的作用一样。

在这个排水荷载和不排水荷载的简单例子中，荷载的增量是正值，所以土体由于水的排出发生压缩。如果荷载增量是负值，会产生几乎同样的结果。读者可以自己进行卸荷的实验。

6.9 荷载施加速率和排水速率

在区别排水荷载和不排水荷载的时候，需要用的是相对的荷载施加速率和渗流速率，而不是绝对的数值。在第17章中将详细讨论的土中水的渗流是由渗透系数k 决定的。图6.11是水以V 的速率流过长度为s δ的土体的情况。在一侧是一个排水体，孔隙水压力为00w w h u γ=；在另一侧有值为w w h u γ=的超孔隙水压力。在两侧竖管中水位差为w w h h =δ，水力梯度为：

s

h i w δδ= (6.13) （水力梯度应该用水力势能P 来计算，而不应该用水头高度w h 来计算。但是如果水是水平向流动的，它们是相等的；势能在17.3节中会得到介绍）。渗流的基本规律是达西定律，公式为：

ki V = (6.14)

其中，渗透系数k 的单位和速度单位一样。k 值是在单位水力梯度下土中的水流速度。 土的渗透系数主要取决于土颗粒的大小（或者更主要的取决于土中渗流空隙的大小）。表6.1是不同粒径土的渗透系数值。（对一些天然粘土而言，k 值一般小于10－8cm/s ）注意，这里渗透系数的变化围比较大（超过×106）。在单位水力梯度下，水流过1m 长的砾石需要不要100s 时间，而流过1m 长的粘土需要108s ，大约是3年。

在土木工程和相关领域中，施加到

地基上的荷载具有不同的速率，表6.2

给出了一些数值。注意，这里加载或卸

载的持续时间，或速率的变化围很大

（超过×109）。

在岩土工程计算或分析过程中，一

定要弄清楚所用的是排水荷载还是不

排水荷载，在以后章节我们会发现，不

同的荷载要采用不同的计算方法。最重要的是荷载施加的速率和排水速率——在荷载施加的过程，是否有足够的时间产生渗流？当然，在实践中，很难做到真正的排水和不排水，所以必须清楚的判别建筑是接近排水还是接近不排水状态。

很多工程师假定，粗颗粒土的加荷、卸荷过程是排水的，而细颗粒土是不排水的。这些假定在加荷速率不在表6.2所示的最大数值时是可行的。粗颗粒土如果加荷速率非常快，同样是不排水的。因此地震的时候，砂土中会产生超孔隙水压力，这样会发生液化破坏。天然

边坡的粘土由于加荷速率非常缓慢，所以是排水的，许多天然粘土边坡的孔隙水压力和坡角也是排水的。

6.10 结论

1. 土中总应力是由于土的重量（包括土颗粒和孔隙水）和其它的对基础、挡墙施加的外部作用力和自由水产生的。在土的孔隙中存在着孔隙水压力。

2. 对土体的性质起决定作用的是有效应力。因此，土也受到总应力和孔隙水压力变化的影响。

3. 只有当水在孔隙中发生渗流的时候，土才会发生体积变化。渗流的速率由渗透系数k 决定。如果慢速施加荷载的话，孔隙水压力保持不变，体积在荷载施加的过程发生变化，称为排水荷载。

4. 如果快速施加荷载的话，土的体积保持不变，超孔隙水压力上升，这个荷载称为不排水荷载。因此，在超孔隙水压力消散的过程中发生固结，水从土中排水，体积发生变化。

工程实例

例6.1 对于例5.4（如图5.8所示）中砂土上的圆柱体，底部的总应力、孔隙水压力和竖向有效应力计算如下：

(a) 砂土是松散干燥的：

kPa

z u m kN m

z d z d 2.640.05.150

/5.1540.03

=?=====γσγ

(b) 砂土是松散饱和的：

kPa

u kPa

h u kPa z m kN m

z z z w w z 9.39.38.79.34.081.98.74.05.19/5.1940.0'3

=-=-==?===?====σσγγσγ

(c) 砂土是密实饱和的：

kPa

u kPa

h u kPa

z z m

z m kN m

z z z w w w z z w 9.39.38.79.340.081.98.7)03.081.9()37.04.20(03.0/4.2037.0'3

=-=-==?===?+?=+====σσγγγσγ

例6.2 地基中应力的计算 图6.12中的粘土沉积物的容重是3

/20m kN =γ，土甚至在孔隙水压力变为负值是都是饱和的。地下水条件为：(a)地下水位在底面以下6m 处；(b)水位超出地表3m 。3m 深度的竖向有效应力为：

(a) 地下水位在底面以下6m 处：

kPa

u kPa h u kPa

z z z w w z 9030603031060320'=+=-=-=-?===?==σσγγσ

(b) 水位超出地表3m ：

kPa u kPa h u kPa

z z z z w w w w z 3060906061090)310()320('=-=-==?===?+?=+=σσγγγσ

例6.3 基础地下地基中应力的计算

图6.14是一个4m 高的混凝土桥墩，面积为10m 2，承受1MN 的荷载（混凝土的容

重为3/20m kN c =γ）。桥墩建造在一个潮汐的河床上，至少有5m 厚的砂，容重为

203

/m kN 。河床在低潮水位，高潮时水深有3m 。

桥墩和土之间总应力q 包含混凝土的重量和所施加的荷载两部分： kP A F H q c c 18010

1000)204(=+?=+

=γ (a) 低潮时： kPa

u kPa h u kPa

q z z z w w z 2002022020210220180)220('=-=-==?===+?=+=σσγγσ

(b) 高潮时（q 因为水位上升而减小）：

kPa

u kPa h u kPa z q z z z z w w w w w w z 1705022050510220))310(180()310()220()('=-=-==?===?-+?+?=-++=σσγγγγσ

压力管道应力分析的内容及特点 马佳

压力管道应力分析的内容及特点马佳 发表时间：2019-10-10T10:51:38.057Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年13期作者：马佳 [导读] 压力管道应力分析是管道设计中最关键的工作之一。管道设计应根据工业金属管道设计规范进行，进行管道设计应该从管道应力、管道材料和配管方面着手。 新疆天麒工程项目管理咨询有限责任公司 834000 摘要：压力管道应力分析是管道设计中最关键的工作之一。管道设计应根据工业金属管道设计规范进行，进行管道设计应该从管道应力、管道材料和配管方面着手。因为压力管道上存在复杂性的各种载荷，进行压力管道的应力分析的难度较大，导致阻碍管道设计工作，而且管道在运行和生产过程中的安全和质量关键是因为应力而存在的，因此找到管道应力分析的方法具有重要意义。论述压力管道的应力特点和分布，能够提供给工程施工、管道选择和管道设计可靠的信息数据作参考，进而确保土建结构与管道连接的设备和管道自身的安全，保证了整个生产作业的安全，使压力管道提高使用价值。 关键词：应力；特点；压力；内容；管道 前言：压力管道具有十分广泛的应用范围，而且在各个场所中的应用作用十分关键，压力管道关键作用是运输物质，在重要的大型建设工程中应用，如冶金工程、电力工程、天然气体、石油化工等，为满足一些需要进行供给或运输。因为外界环境因素与整个管道系统均会很大程度的影响到压力管道应力，而且会受影响于流体的流动，这使应力分析增加了复杂度，应力分析压力管道应该结合实际的管道状况，尽量将接近实际、正确的分析结果准确模拟出来。 1应力分析压力管道的涵义 在市政建设行业、化工行业、石油石化等产业普遍应用到管道，这些行业存在较高要求的工程安全指数与投资额，对压力管道进行应力分析应该对概念充分了解。应力指的是管道构件应用在建设需要中承受的单位面积内力，其在荷载外力下形成的值较大，若是超出能够承受的材料极限强度，将造成管材失稳、破裂、变形等状况，关键在于因为外部热荷载与机械荷载导致的。应力分析管道的状况下，能够确保良好的使用工艺装置而且保持其柔软性，精准的计算与分析热荷载与机械荷载后，获取设计管道的配件参数，计算变形与应力、应力与荷载，提供给管道配置合理的数据凭据，能够使管道产生的震动干扰减少，进而错开震源的震动频率，使管道的可靠性与安全性得到确保。 2应力分析压力管道的内容 清楚了解分析的种类是应力分析压力管道的重要前提基础，按照不同种类应力的特点，应用针对性措施是压力管道减小应力，按照压力管道承受应力的作用方向、范围、强度大小，能够将压力管道上承受的应力分类成一、二次应力与峰值应力。应力分析压力管道的关键内容是管道材料的承受力、应力的影响因素、应力种类、管道应力分布、工作流程、分配的分析任务等。最重要的是应力种类，关于管道的设计工作技术方面的最基本要求是对应力的种类掌握了解并且快速分析。 2.1压力管道一次应力分析内容 导致压力管道形成一次应力是因为受到一定的外载荷，致使压力管道上存在外载荷的关键原因为受影响于外界力，如风压、介质压力、重力等，通过受到的平衡受力得知外界力与一次应力具有相同的大小，一次应力伴随改变的外界力改变，所以所以具备无自限性特点的一次应力所以出于无线增大的外力影响下，压力管道将无限制增长受到的应力，进而产生压力管道变形或裂缝的现象，然而压力管道受到的应力方向相反于外界力方向。因为压力管道受到的不确定方向的外界力，导致存在不同分布范围的应力，能够按照压力管道受到作用范围的一次应力，分成局部薄膜弯曲一次应力、一次应力与总体薄膜一次应力导致压力管道变形与破裂的关键原因在于被一次应力所影响，压力管道承受的一次应力大小若是比压力管道材料具备的塑性变形值大的状况下便会产生这种现象，进而致使运输流体在压力管道中对正常运行工程项目产生影响与损失。所以想要防止产生一次应力超出管材具备的塑性变形值，应该压力管道承受的外界力严格控制，而且在对压力管道选取管材时保证相较于外界力管材具备的塑性变形值更大。 2.2压力管道二次应力分析内容 像气体一样，被温度所影响，流体的体积大小将受到影响，因为对于液体来讲，压力管道具备的变形性特别小，在低温或高温的状况下，压力管道会出现热胀冷缩的状况，而且因为温度等原因导致连接于压力管道的设备出现初始位移，因为管道在这些状况下形成的变形致使被约束于外界条件，如土建结构、设备管口等，使应力形成，二次应力是因为附加位移与热胀冷缩等形成的。二次应力最基本的不同在于，二次应力没有一次应力存在的无自限性，而且二次应力不会由于改变外界力的大小而受到改变，若是外界力导致产生局部屈服的状况下，管道出现变形直到外界力和一次应力处于平衡状态，也不会影响到二次应力。在压力管道存在很大的塑性变形值的基础上，压力管道受到初次荷载的状况下，导致破坏压力管道的原因不是二次应力，压力管道受到多次变化的荷载的状况下，导致压力管道不断降低塑性变形值，使管道产生疲劳破坏的状况，压力管道会受到二次压力重要的破坏，关于管道受到二次应力而遭到破坏的状况，并非是受到一次应力限定的破坏时间，是因为循环次数与交变的应力导致的。 2.3压力管道峰值应力分析内容 在局部范畴中压力管道遭受的应力便是峰值应力，并非是压力管道承受的最大应力值，因为压力管道具有十分复杂的形状，会产生形状突变如急转等状况，受影响于突然产生变化的荷载致使峰值应力受力于压力管道，导致产生峰值的原因紧密关系着压力管道中构成设备仪器的形式，峰值压力不会导致压力管道产生破裂与变形的现象，然而在压力管道产生疲劳受力的状况下，若是受到峰值应力将导致压力管道破裂的状况形成。 3应力分析压力管道的特点探讨 伴随我国目前不断发展的科学技术和应力分析压力管道方面不断提高的技术水平，应力分析压力管道的状况下越发能够有效、清楚的将相关应力处理，然而在处理压力管道应力管道应力方面相比于西方发达国家还有明显的差异存在，导致产生差异的关键原因在于规范的校核原则不足。应力分析压力管道的过程中，设计人员通常情况下对局部薄膜应力和一次弯曲应力分析忽视，无法对产生一次应力的原因与受力全面的了解，进而致使对压力管道分析的数据有一定程度的差错产生，使工作人员编制的后期数据报告存在错误，从而使正常运行

压力管道应力分析的内容及特点

压力管道应力分析的内容及特点 摘要：压力管道应力分析是管道设计中最关键的工作之一。管道设计应根据工 业金属管道设计规范进行，进行管道设计应该从管道应力、管道材料和配管方面 着手。因为压力管道上存在复杂性的各种载荷，进行压力管道的应力分析的难度 较大，导致阻碍管道设计工作，而且管道在运行和生产过程中的安全和质量关键 是因为应力而存在的，因此找到管道应力分析的方法具有重要意义。论述压力管 道的应力特点和分布，能够提供给工程施工、管道选择和管道设计可靠的信息数 据作参考，进而确保土建结构与管道连接的设备和管道自身的安全，保证了整个 生产作业的安全，使压力管道提高使用价值。 关键词：应力；特点；压力；内容；管道 前言：压力管道具有十分广泛的应用范围，而且在各个场所中的应用作用十 分关键，压力管道关键作用是运输物质，在重要的大型建设工程中应用，如冶金 工程、电力工程、天然气体、石油化工等，为满足一些需要进行供给或运输。因 为外界环境因素与整个管道系统均会很大程度的影响到压力管道应力，而且会受 影响于流体的流动，这使应力分析增加了复杂度，应力分析压力管道应该结合实 际的管道状况，尽量将接近实际、正确的分析结果准确模拟出来。 1应力分析压力管道的涵义 在市政建设行业、化工行业、石油石化等产业普遍应用到管道，这些行业存 在较高要求的工程安全指数与投资额，对压力管道进行应力分析应该对概念充分 了解。应力指的是管道构件应用在建设需要中承受的单位面积内力，其在荷载外 力下形成的值较大，若是超出能够承受的材料极限强度，将造成管材失稳、破裂、变形等状况，关键在于因为外部热荷载与机械荷载导致的。应力分析管道的状况下，能够确保良好的使用工艺装置而且保持其柔软性，精准的计算与分析热荷载 与机械荷载后，获取设计管道的配件参数，计算变形与应力、应力与荷载，提供 给管道配置合理的数据凭据，能够使管道产生的震动干扰减少，进而错开震源的 震动频率，使管道的可靠性与安全性得到确保。 2应力分析压力管道的内容 清楚了解分析的种类是应力分析压力管道的重要前提基础，按照不同种类应 力的特点，应用针对性措施是压力管道减小应力，按照压力管道承受应力的作用 方向、范围、强度大小，能够将压力管道上承受的应力分类成一、二次应力与峰 值应力。应力分析压力管道的关键内容是管道材料的承受力、应力的影响因素、 应力种类、管道应力分布、工作流程、分配的分析任务等。最重要的是应力种类，关于管道的设计工作技术方面的最基本要求是对应力的种类掌握了解并且快速分析。 2.1压力管道一次应力分析内容 导致压力管道形成一次应力是因为受到一定的外载荷，致使压力管道上存在 外载荷的关键原因为受影响于外界力，如风压、介质压力、重力等，通过受到的 平衡受力得知外界力与一次应力具有相同的大小，一次应力伴随改变的外界力改变，所以所以具备无自限性特点的一次应力所以出于无线增大的外力影响下，压 力管道将无限制增长受到的应力，进而产生压力管道变形或裂缝的现象，然而压 力管道受到的应力方向相反于外界力方向。因为压力管道受到的不确定方向的外 界力，导致存在不同分布范围的应力，能够按照压力管道受到作用范围的一次应

压力管道应力分析计算软件在工程设计中应用的探讨

压力管道应力分析计算软件在工程设计中应用的探讨 摘要：随着新工艺和新设备的出现，发电、化工、海洋、石油、市政等领域， 管道的压力、温度、管径和壁厚不断加大，敷设的方式也越来越复杂。传统手工 进行管道应力分析的计算已不能满足实际的需要，各设计和研究单位借助专门的 管道应力分析软件进行计算已成为常态。 关键词：压力管道；应力分析；计算软件；工程应用 导言 上世纪60年代以来，随着发电、化工、市政等领域新工艺和新设备的不断出现，管道的压力、温度提高，管径和壁厚不断加大，管道应力分析也受到越来越 多的重视。由于计算机的不断普及，国际上出现了一批管道应力分析专用计算机 程序。国内虽然也出现了一些自行编制的管道应力分析程序但大多应用于少数特 定领域，与国外软件相比较，软件功能、开发完善、标准规范、技术支持等方面，还存在一定差距，实际使用中，大多数设计单位还是使用国外成熟的管道应力分 析软件。 1 管道应力分析的原则 管道应力分析主要保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀 冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。 2 压力管道应力分析的内容和目的 2.1管道应力分析的内容 管道应力分析分为静力分析和动力分析。 静力分析包括：1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算；2）管道热 胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算；3）管道对设备作 用力的计算；4）管道支吊架的受力计算；5）管道上法兰的受力计算。 动力分析包括：l）管道自振频率分析；2）管道强迫振动响应分析；3）往复 压缩机（泵）气（液）柱频率分析；4）往复压缩机（泵）压力脉动分析。 2.2 管道应力分析的目的 管道应力分析的目的：1）使管道和管件内的应力不超过许用应力值2）使与 管系相连的设备的管口荷载在制造商或规范规定的许用范围内；3）使与管系相 连的设备管口的局部应力在规定的允许范围内；4）计算管系的支架和约束的设 计荷载；5）进行操作工况碰撞检查而确定管子的位移量；6）优化管系设计。 3 工程设计中常用的压力管道应力分析软件 目前各大设计单位对压力管道应力分析计算基本采用计算机，但采用的软件 各院不尽相同，计算软件的开发品种较多。在压力管道计算方面采用软件情况： 化工、医药、机械行业设计采用美国的CAESAR II，AutoPipe较多，市政热水、蒸 汽及石油输送管道常用sisKMR、START软件。国内自主开发的软件有RJCAD热力 工程设计软件，主要用于热力管网的计算。 3.1.CAESAR II管道应力分析软件 CAESAR II软件历史久远，功能强大，包含动态和静态管道应力分析，在化工，石油，海洋工程方面有很多应用，在国内电力行业也有很多成功应用。 CAESARII可进行管系在承受自重、压力载荷、热载荷、地震载荷等静态载荷，和水锤、蒸汽锤以及安全阀泄放等动态载荷下的应力分析。软件的功能特点如下：

管道应力分析报告概述

管道应力分析概述 CAESARII软件介绍 CAESARII管道应力分析软件是由美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件。它既可以分析计算静态分析，也可进行动态分析。CAESARII向用户提供完备的国际上的通用管道设计规范，使用方便快捷。交互式数据输入图形输出，使用户可直观查看模型（单线、线框，实体图）强大的3D计算结果图形分析功能，丰富的约束类型，对边界条件提供最广泛的支撑类型选择、膨胀节库和法兰库，并且允许用户扩展自己的库。钢结构建模，并提供多种钢结构数据库.结构模型可以同管道模型合并,统一分析膨胀节可通过标准库选取自动建模、冷紧单元/弯头，三通应力强度因子（SIF）的计算、交互式的列表编辑输入格式用户控制和选择的程序运行方式,用户可定义各种工况。 一、管道应力分析的原则 管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。 二、管道应力分析的主要内容 管道应力分析分为静力分析和动力分析。 静力分析包括： 1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏； 2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏； 3）管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行； 4）管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据； 5）管道上法兰的受力计算——防止法兰汇漏。 动力分析包括：

l）管道自振频率分析——防止管道系统共振； 2）管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力； 3）往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析——防止气柱共振； 4）往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。 三、管道上可能承受的荷载 （1）重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等； （2）压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力； （3）位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等； （4）风荷载； （5）地震荷载； （6）瞬变流冲击荷载：如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击： （7）两相流脉动荷载； （8）压力脉动荷载：如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动； （9）机械振动荷载：如回转设备的振动。 四、管道应力分析的目的 1）为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值； 2）为了使与管系相连的设备的管口荷载在制造商或国际规范（如 NEMA SM-23、API-610、API-6 17等）规定的许用范围内； 3）为了使与管系相连的设备管口的局部应力在 ASME Vlll的允许范围内； 4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载；

压力管道的强度计算.

压力管道的强度计算 1．承受内压管子的强度分析 按照应力分类，管道承受压力载荷产生的应力，属于一次薄膜应力。该应力超过某一限度，将使管道整体变形直至破坏。 承受内压的管子，管壁上任一点的应力状态可以用3个互相垂直的主应力来表示，它们是：沿管壁圆周切线方向的环向应力σθ，平行于管道轴线方向的轴向应力σz，沿管壁直径方向的径向应力σr，如图2．1，设P为管内介质压力，D n为管子内径，S为管子壁厚。则3个主应力的平均应力表达式为 管壁上的3个主应力服从下列关系式： σθ＞σz＞σr 根据最大剪应力强度理论，材料的破坏由最大剪应力引起，当量应力为最大主应力与最小主应力之差，故强度条件为 σe=σθ-σr≤[σ] 将管壁的应力表达式代入上式，可得理论壁厚公式

图2．1 承受内压管壁的应力状态 工程上，管子尺寸多由外径D w表示，因此又得昂一个理论壁厚公式 2．管子壁厚计算 承受内压管子理论壁厚公式，按管子外径确定时为 按管子内径确定时为 式中： S l——管子理论壁厚，mm；

P——管子的设计压力，MPa； D w——管子外径，mm； D n——管子内径，mm； φ——焊缝系数； [σ]t——管子材料在设计温度下的基本许用应力，MPa。 管子理论壁厚，仅是按照强度条件确定的承受内压所需的最小管子壁厚。它只考虑了内压这个基本载荷，而没有考虑管子由于制造工艺等方面造成其强度削弱的因素，因此它只反映管道正常部位强度没有削弱时的情况。作为工程上使用的管道壁厚计算公式，还需考虑强度削弱因素。因此，工程上采用的管子壁厚计算公式为 S j=S l+C (2-3) 式中：S j——管子计算壁厚，mm； C——管子壁厚附加值，mm。 (1)焊缝系数(φ) 焊缝系数φ，是考虑了确定基本许用应力安全系数时未能考虑到的因素。焊缝系数与管子的结构、焊接工艺、焊缝的检验方法等有关。 根据我国管子制造的现实情况，焊缝系数按下列规定选取：[1] 对无缝钢管，φ=1．0；对单面焊接的螺旋线钢管，φ=0．6；对于纵缝焊接钢管，参照《钢制压力容器》的有关标准选取： ①双面焊的全焊透对接焊缝： 100％无损检测φ=1．0； 局部无损检测φ=0．S5。 ②单面焊的对接焊缝，沿焊缝根部全长具有垫板： 100％无损检测φ=0．9； 局部无损检测φ=0．8； (2)壁厚附加量(C) 壁厚附加量C，是补偿钢管制造：工艺负偏差、弯管减薄、腐蚀、磨损等的减薄量，以保证管子有足够的强度。它按下列方法计算： C=C1+C2 (2-4) 式中：C1——管子壁厚负偏差、弯管减薄量的附加值，mm； C2——管子腐蚀、磨损减薄量的附加值，mm。 ①管子壁厚负偏差和弯管减薄量的附加值： 在管子制造标准中，允许有一定的壁厚负偏差，为了使管子在有壁厚负偏差时的最小壁厚不小于理论计算壁厚，管子计算壁厚中必须计人管子壁厚负偏差的附加值。 在管子标准中，壁厚允许负偏差一般用壁厚的百分数表示，令α为管子壁厚负偏差百分数，则得

压力管道应力分析报告部分

爪力管逍应力分析部分 第一章任务与职责 1.管道柔性设计的任务 压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、压和外载或因管逍支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况： 1）因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏： 2）管道接头处泄漏： 3）管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行： 4）管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏： 2.压力管道柔性设计常用标准和规 1）GB 50316-2000《工业金属管道设计规》 2）SH./T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规》 3）SH 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》 4）SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》 5）SH 3073-95《石油化工企业管逍支吊架设计规》 6）JB/T 8130. 1-1999《恒力弹簧支吊架》 7）JB/T 8130. 2-1999《可变弹簧支吊架》 8）GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀宵通用技术条件》 9）HG/T 20645-1998《化工装置管道机械设计规定》 10）GB 150-1998《钢制压力容器》 3.专业职责 1）应力分析（静力分析动力分析） 2）对重要管线的壁厚进行计算 3）对动设备管口受力进行校核讣算 4）特殊管架设计 4.工作程序 1）工程规定 2）管逍的基本情况 3）用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿 4）用目测法判断管逍是否进行柔性设汁 5）L型U型管系可采用图表法进行应力分析 6）立体管系可采用公式法进行应力分析 7）宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道 8）采用CAESAR II进行应力分析9）调整设备布置和管道布垃

压力管道考试试题材料应力原题(终审稿)

压力管道考试试题材料 应力原题 TPMK standardization office【 TPMK5AB- TPMK08- TPMK2C- TPMK18】

山东三维石化工程股份有限公司 2016全国压力管道设计审批人员培训教材考核试卷-材料、管道器材 姓名：成绩： 一、判断题 (每题1分，共20分) 1.对于奥氏体不锈钢材料，当使用温度大于540℃时，应考虑使用高碳(含碳量大 于0.04%)不锈钢。( ) 2.蠕变和应力松弛两种现象的实质是相同的。( ) S浓度大于50ppm(质量分数)时即可构成湿硫化氢应力腐蚀开3.游离水中溶解的H 2 裂的环境条件。( ) 4.按照SH/T3041的规定，进行管道柔性设计时，计算温度的选取计及正常操作温 度即可，不必考虑开车、停车、除焦及蒸汽吹扫等工况的温度。( ) 5.氢腐蚀是一次脆化，是可逆的，而氢脆是永久脆化，是不可逆的。( ) 6.与转动机器相连的管道不宜采用冷紧。( ) 7.经常在阳光照射下的泵入口的液化烃管道需保温。( ) 8.金属材料的强度越高发生氢脆的可能性越小。( )

9.管内介质温度等于或高于400℃的碳素钢材质的管道不宜采用焊接型支吊架。 ( ) 10.构件或物体在外力作用下产生变形，当外力除去后，构件或物体的形状不能复 原，这种变形成为弹性变形。( ) 11.Q235B钢板不得用于毒性程度为高度和极度危害介质的管道。( ) 12.调整支吊架的形式和位置不能增加管道的自然补偿能力。( ) 13.超低碳不锈钢不宜在425℃以上长期使用。( ) 14.在管道柔性中，计算温度取正常操作温度是安全的。( ) 15.随着碱液浓度的提高，苛性钠碱液管道的使用温度随之提高。( ) 16.管内介质温度等于或高于400℃的碳素钢材质的管道不宜采用焊接型支吊架。 ( ) 17.凹凸面法兰应采用带内环型缠绕式垫片。( ) 18.管道中多设弹簧支吊架会更安全。( ) 19.倒吊桶式、杠杆浮球式及自由浮球式等三种疏水阀属于热静力型疏水阀。 ( )

压力管道应力分析的内容及特点

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/c58577068.html, 压力管道应力分析的内容及特点 作者：裴宝玲 来源：《中国科技纵横》2015年第19期 【摘要】伴随时代的不断进步，科学技术不停发展，我国社会的工业工程发展迅速。将 科技化的生产力逐渐融合到现代工业生产过程中的同时，压力管道的使用也越来越多样化。压力管道是一个复杂的连通系统，能够承受来自外界和内部的共同压力，为工业执行工作操作起到重要的支撑作用。为了更好的运用压力管道的应力作用，必须要进行对应力操作的分析，了解和掌握压力管道的应力工作内容以及特点，才能更好的完成工业技术的升级，保证良好的工作效率，提升社会生产力。进而，促进我国社会的经济建设和发展。 【关键词】压力管道应力分析内容特点 随着科技的不断发展，在工业生产中越来越多的应用到压力管道。压力管道作为工业承载和运输作业的重要途径，能够有效的监管和保护工业工作的正常实施。压力管道在经历外界的空气压力、温度、湿度等方面的环境刺激，还需要接受来自内部的流通物质压力，接受双重压力的控制后还能够充分的保证工业操作的安全性，就是压力管道的应力作用。本文针对压力管道的应力工作内容进行分析，寻找和归纳压力管道的应力操作特点，为更好的实施工业职能操作奠定良好的技术基础。 1压力管道的工作原理以及应力作用的概念 1.1压力管道的工作原理 压力管道的工作原理非常复杂，需要经受内外压力的同时进行正常的输送工作。压力管道的输送功能不限制于材料的性质，能够通过合理的流量控制，进行材料的融合，进一步进行分离工作，实施合理的排出运送，保证材料的整体流量控制。压力管道的工作原理是繁琐复杂的，经过非常严格的步骤控制，有输送管道进行流通，再由阀门进行控制，每个节点都要保证没有老化的胶垫和螺栓进行防渗漏的封闭保护。在流通的过程中，要保证管道的每个环节都紧密有效的相互作用，才能控制管道内和管道外的压力不会造成管道的破裂情况出现[1]。 压力管道是一条系统生产线，因此它具有自己独特的特点。首先，因为管道的连接性，注定了它的功能是具有相互作用力的，无论哪个节点出现问题，都会导致压力管道工作的全面瘫痪或者是出现问题。压力管道存在工作中的风险，因为它的独特结构，决定了它的工作特性。管道都是长链接的状态，而且没有过多空间利用。在压力管道工作运行中，需要承受外界的自然情况侵袭，可能会出现雨水的拍打，暴风的席卷，超高的温度等等，这些情况对压力管道都会造成一定的压力，影响实际的压力管道工作效果，也可能造成管道的损坏。各种情况的干扰就更需要管道保证坚实的工作性能，需要有各种各样的辅助材料支持，保证在细节上做到精

管道应力分析主要内容及要点

管道应力分析的原则 管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。 ASME B31《压力管道规范》由几个单独出版的卷所组成，每卷均为美国国家标准。它们是子ASME B31 压力管道规范委员会领导下的编制的。 每一卷的规则表明了管道装置的类型，这些类型是在其发展过程中经考虑而确定下来的，如下所列： B31.1 压力管道：主要为发电站、工业设备和公共机构的电厂、地热系统以及集中和分区的供热和供冷系统中的管道。 B31.3 工艺管道：主要为炼油、化工、制药、纺织、造纸、半导体和制冷工厂，以及相关的工艺流程装置和终端设备中的管道。 B31.4 液态烃和其他液体的输送管线系统：工厂与终端设备剑以及终端设备、泵站、调节站和计量站内输送主要为液体产品的管道。 B31.5 冷冻管道：冷冻和二次冷却器的管道 B31.8 气体输送和配气管道系统：生产厂与终端设备（包括压气机、调节站和计量器）间输送主要为气体产品的管道以及集汽管道。 B31.9 房屋建筑用户管道：主要为工业设备、公共结构、商业和市政建筑以及多单元住宅内的管道，但不包括B31.1 所覆盖的只寸、压力和温度范围。 B31.11 稀浆输送管道系统：工厂与终端设备间以及终端设备、泵站和调节站内输送含水稀浆的管道。 管道应力分析的主要内容 一、管道应力分析分为静力分析析 1.静力分析包括： 1)压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏； 2)管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算一一防止疲劳破坏； 3)管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行； 4)管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据： 5)管道上法兰的受力计算一防止法兰汇漏。 2.动力分析包括： 1)管道自振频率分析一一防止管道系统共振： 2)管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力； 3)往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析一一防止气柱共振； 4)往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。 二、管道上可能承受的荷载 (1)重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等 (2)压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力； (3)位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等； (4)风荷载；

管道应力分析

第一章任务与职责 1. 管道柔性设计的任务 压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、内压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况； 1) 因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏； 2) 管道接头处泄漏； 3) 管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行； 4) 管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏； 2. 压力管道柔性设计常用标准和规范 1) GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》 2) SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》 3) SH 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》 4) SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》 5) SH 3073-95《石油化工企业管道支吊架设计规范》 6) JB/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》 7) JB/T 8130.2-1999《可变弹簧支吊架》 8) GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》 9) HG/T 20645-1998《化工装置管道机械设计规定》 10) GB 150-1998《钢制压力容器》 3. 专业职责 1) 应力分析(静力分析动力分析） 2) 对重要管线的壁厚进行计算 3) 对动设备管口受力进行校核计算 4) 特殊管架设计 4. 工作程序 1) 工程规定 2) 管道的基本情况 3) 用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿 4) 用目测法判断管道是否进行柔性设计 5) L型U型管系可采用图表法进行应力分析

6) 立体管系可采用公式法进行应力分析 7) 宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道 8) 采用CAESAR II 进行应力分析 9) 调整设备布置和管道布置 10) 设置、调整支吊架 11) 设置、调整补偿器 12) 评定管道应力 13) 评定设备接口受力 14) 编制设计文件 15) 施工现场技术服务 5. 工程规定 1) 适用范围 2) 概述 3) 设计采用的标准、规范及版本 4) 温度、压力等计算条件的确定 5) 分析中需要考虑的荷载及计算方法 6) 应用的计算软件 7) 需要进行详细应力分析的管道类别 8) 管道应力的安全评定条件 9) 机器设备的允许受力条件（或遵循的标准） 10)防止法兰泄漏的条件 11)膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求 12)业主的特殊要求 13)计算中的专门问题（如摩擦力、冷紧等的处理方法） 14)不同专业间的接口关系 15)环境设计荷载 16)其它要求 第二章压力管道柔性设计 1. 管道的基础条件 包括：介质温度压力管径壁厚材质荷载端点位移等。

压力管道应力分析的内容及典型的案例分析

压力管道应力分析的内容及典型的案例分析 摘要：压力管道应力的分析是压力管道设计的重要内容，随着压力管道应用越来越普及，对它的认识也越来越深入，压力管道的重要性也逐渐的凸显出来。压力管道的应力作用直接关系到管道的正常使用和操作的安全。本文主要对压力管道应力进行分析，阐述其基本内容，从而更好的掌握压力管道的相关工作内容，促进压力管道应力分析的标准化和规范化。 关键词：压力管道；应力分析；内容；事例 引言 在压力管道使用的过程中，常常会伴随着一系列的问题，如果得不到很好的解决会严重的影响压力管道正常的使用。通过阐述管道应力分析内容为维护压力管道应力正常运行提供理论的依据。经过案例分析进步了解一些压力管道应力分析的机理。 一、压力管道应力分析的内容 压力管道应力的分析关系到压力管道安装后的使用情况，所以加强对压力管道应力分析，提高压力管道正常运行的重要依据。压力管道应力分析的内容主要涉及到以下的几个方面： （一）分析管道系统的载荷来源。 管路系统的载荷主要分为一次应力载荷和二次应力载荷，一次应力载荷通常指管道系统正常生产时的内外压力作用、管道系统自身的重力、设备运行中的压力脉冲对管道系统的作用以及瞬间内承受的载荷（风力、地震，泵瞬时启动的压力载荷等）。二次应力载荷通常是指管路运行时产生的热膨胀载荷、冷紧是产生的载荷、由于设备沉降产生的管道系统支点位移产生的载荷。 （二）静力分析 通过对管路系统内压荷载和持续荷载作用下的一次应力分析计算、管道系统冷热膨胀位移产生的二次应力分析计算、管道系统与相关设备的相互作用及管口校核、管道系统的支吊架的受力分析、可以有效防止管道发生塑性变形、管道疲劳损坏，确保管道系统与设备的安全运行。 （三）动力分析 管道系统设计应避免管道振动和管道共振，对振动管线特别是往复式压缩机、往复泵的相关管线要重点进行分析，主要包括管道内气（液）柱的频率分析，使其避开激振频率；压力脉冲不均匀度分析，控制压力脉动值；管道系统固有频

压力管道应力分析的内容及特点

压力管道应力分析的内容及特点 压力管道的应用范围非常广并且应用场所都比较重要，压力管道主要扮演着运输介质物料的角色，主要应用在石油化工、天然气体、电力工程、冶金工程等重要大型建设工程中，运输或供给原料满足某种需求。压力管道在整个管道系统和外界环境因素的影响下应具有足够的柔性来克服管道因热胀冷缩、端点位移、管道支承设置不当等原因造成的问题，也会受到流体的流动因素影响，这就增加了应力分析的复杂度，压力管道的应力分析必须将管道实际运行的情况尽可能的模拟准确才能得到接近实际的正确的分析结果。 标签：压力管道；应力；内容；特点 一、管道应力分类 （一）一次应力 所谓一次应力过大是指由于外力荷载，如重力或压力等持续性荷载所引起的危害，它与外加载荷有一个平衡关系，会随着外加载荷的递增而递增，且不会由于达到相应材料的屈服点而自身实施限制，所以有一定的非自限性，除此之外，若是一次应力大于屈服点时其所产生管道的变形也非常明显，因此，需加强一次应力的控制，使一次应力小于许用应力值，以防止过度的塑性变形导致管道的破裂垮塌。一次总体薄膜应力、一次弯曲应力和一次局部薄膜应力都属于一次应力的分类。一次总体薄膜应力是指由于内压所引起的管道环向应力和轴向应力，拉伸或者压缩杆件所产生的应力。一次弯曲应力是指沿厚度线性分布的应力，它在内表面和外表面上大小一样且方向相反。一次弯曲应力的许用应力可以比总体薄膜应力高。在管道支撑处或者管道与支管连接处由于外载所产生的薄膜应力可划分为一次局部薄膜应力。 （二）二次应力 二次应力由热胀、冷缩和端点位移引起的，是指由于变形和其他相邻部件受到约束所引起的正应力或剪应力。二次应力的效果通常不是平衡外荷载，而是在结构中受到相应荷载时变形所使得应力获得一定的缓解，因为二次应力自限性的特点，使它比一次应力更危险，受到更严格的限制。 （三）峰值应力 峰值应力主要是因为荷载以及结构产生突然变化使得局部应力较为集中的最高值，其主要特点就是不会产生较明显的变形，并且在很短的距离之内其根源衰减，是一种引起疲劳破坏或脆性断裂的可能根源。峰值应力主要体现在管道中小的转弯半径处和焊缝咬边处等。 二、压力管道应力分析的特征及应用

管道受力分析计算

管道计算 第一章任务与职责 1. 管道柔性设计的任务 压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、内压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况； 1) 因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏； 2) 管道接头处泄漏； 3) 管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行； 4) 管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏； 2. 压力管道柔性设计常用标准和规范 1) GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》 2) SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》 3) SH 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》 4) SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》 5) SH 3073-95《石油化工企业管道支吊架设计规范》 6) JB/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》 7) JB/T 8130.2-1999《可变弹簧支吊架》 8) GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》 9) HG/T 20645-1998《化工装置管道机械设计规定》 10) GB 150-1998《钢制压力容器》 3. 专业职责 1) 应力分析(静力分析动力分析） 2) 对重要管线的壁厚进行计算 3) 对动设备管口受力进行校核计算 4) 特殊管架设计 4. 工作程序 1) 工程规定 2) 管道的基本情况 3) 用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿 4) 用目测法判断管道是否进行柔性设计 5) L型U型管系可采用图表法进行应力分析 6) 立体管系可采用公式法进行应力分析 7) 宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道 8) 采用CAESAR II 进行应力分析 9) 调整设备布置和管道布置 10) 设置、调整支吊架 11) 设置、调整补偿器 12) 评定管道应力 13) 评定设备接口受力 14) 编制设计文件 15) 施工现场技术服务 5. 工程规定 1) 适用范围 2) 概述 3) 设计采用的标准、规范及版本 4) 温度、压力等计算条件的确定 5) 分析中需要考虑的荷载及计算方法 6) 应用的计算软件 7) 需要进行详细应力分析的管道类别

压力管道应力分析报告

第一章任务与职责 1.管道柔性设计的任务 压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况； 1)因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏； 2)管道接头处泄漏； 3)管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变 形，影响设备正常运行； 4)管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏； 2.压力管道柔性设计常用标准和规 1)GB 50316-2000《工业金属管道设计规》 2)SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规》 3)SH 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》 4)SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》 5)SH 3073-95《石油化工企业管道支吊架设计规》 6)/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》 7)/T 8130.2-1999《可变弹簧支吊架》 8)GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》 9)HG/T 20645-1998《化工装置管道机械设计规定》 10)GB 150-1998《钢制压力容器》 3.专业职责

1)应力分析(静力分析动力分析） 2)对重要管线的壁厚进行计算 3)对动设备管口受力进行校核计算 4)特殊管架设计 4.工作程序 1)工程规定 2)管道的基本情况 3)用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿 4)用目测法判断管道是否进行柔性设计 5)L型U型管系可采用图表法进行应力分析 6)立体管系可采用公式法进行应力分析 7)宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道 8)采用CAESAR II 进行应力分析 9)调整设备布置和管道布置 10)设置、调整支吊架 11)设置、调整补偿器 12)评定管道应力 13)评定设备接口受力 14)编制设计文件 15)施工现场技术服务 5.工程规定 1)适用围 2)概述

压力管道压力等级

5管道压力等级 5.1 设计条件 5.1.1设计压力 5.1.2设计温度 5.2影响管道压力等级确定的因素 5.2.1应用标准体系 5.2.2材料 5.2.3操作介质 5.2.4介质温度及管系附加力 5.3影响壁厚等级确定的因素 5.3.1材料的许用应力 5.3.2腐蚀余量 5.3.3管子及其元件的制造壁厚偏差 5.3.4焊缝系数 5.3.5设计寿命 5.4 常用压力管道器材的设计标准 5管道压力等级 前面已经提及，压力管道的组成件一般都是标准件，因此压力管道组成件的设计主要是其标准件的选用，管道压力等级的确定也就是其标准件等级的确定。 管道的压力等级包括两部分:

以公称压力表示的标准管件的公称压力等级； 以壁厚等级表示的的标准管件的壁厚等级。 管道的压力等级：通常把管道中由标准管件的公称压力等级和壁厚等级共同确定的能反映管道承压特性的参数叫做管道的压力等级。而习惯上为简化描述，常把管道中管件的公称压力等级叫做管道的压力等级。 压力等级的确定是压力管道设计的基础，也是设计的核心。它是压力管道布置、压力管道应力校核的设计前提条件，也是影响压力管道基建投资和管道可靠性的重要因素。 5.1 设计条件 工程上，工艺操作参数不宜直接作为压力管道的设计条件，要考虑工艺操作的波动、相连设备的影响、环境的影响等因素，而在工艺操作参数的基础上给出一定的安全裕量作为设计条件。这里所说的设计条件主要是指设计压力和设计温度。 管道的设计压力：应不低于正常操作时，由内压(或外压)与温度构成的最苛刻条件下的压力。 最苛刻条件：是指导致管子及管道组成件最大壁厚或最高公称压力等级的条件。 设计压力确定：考虑介质的静液柱压力等因素的影响，设计压力一般应略高于由(或)外压与温度构成的最苛刻条件下的最高工作压力。 a. 一般情况下管道元件的设计压力确定 一般情况下，为了操作上的方便，在此不妨采用压力容器的做法，即在相 应工作压力的基础上增加一个裕度系数。

压力管道应力分析报告部分

压力管道应力分析部分 第一章任务与职责 1.管道柔性设计的任务 压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况； 1)因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏； 2)管道接头处泄漏； 3)管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行； 4)管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏； 2.压力管道柔性设计常用标准和规 1) GB 50316-2000《工业金属管道设计规》 2) SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规》 3) SH 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》 4) SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》 5) SH 3073-95《石油化工企业管道支吊架设计规》 6) JB/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》 7) JB/T 8130.2-1999《可变弹簧支吊架》 8) GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》 9) HG/T 20645-1998《化工装置管道机械设计规定》 10)GB 150-1998《钢制压力容器》 3.专业职责 1) 应力分析(静力分析动力分析） 2) 对重要管线的壁厚进行计算 3) 对动设备管口受力进行校核计算 4) 特殊管架设计 4.工作程序 1) 工程规定 2) 管道的基本情况 3) 用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿 4) 用目测法判断管道是否进行柔性设计 5) L型 U型管系可采用图表法进行应力分析 6) 立体管系可采用公式法进行应力分析 7) 宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道 8) 采用CAESAR II 进行应力分析 9) 调整设备布置和管道布置