采用波纹补偿器管道的应力计算与分析

　　1　管道应力计算

　　管道应力计算,主要是计算管道在内压、持续外载作用下和由热胀冷缩及其他位移受到约束后产生的应力。根据各种载荷产生的应力对管材破坏的机理不同,将管道的应力分为一次应力、二次应力和峰值应力三类。应力不同采用的分析验算方法不同。

　　管道由内压和持续外载产生的应力属于一次应力。一次应力应采用极限分析,即一次应力值不得超过材料计算温度下的许用应力值。

　　一次应力一般进行两项计算,即(1)由内压折算应力验算,(2)内压轴向应力和持续外载应力验算。

　　内压折算应力计算式如下:

　　式中:pis———计算内压力,MPa;

　　Dw———管道外径,mm;

　　s———管道壁厚,mm;

　　C———管道壁厚附加值(腐蚀裕度等,mm);

　　———许用应力修正系数。

　　内压折算应力验算

　　σZS≤〔σ〕t

　　式中〔σ〕t———计算温度下管件允用应力,MPa。内压折算应力的计算实质上也是对管道壁厚的验算。工程设计中一般都是根据介质的设计压力而选用标准的管道外径与壁厚。管道外径、壁厚是通过设计流量、压力选定,而不必要每次进行内压折算应力的计算。

　　内压轴向应力和持续外载应力计算公式如下:

　　上式中三项应力中的第一项是由内压引起的轴向应力,第二项σZhw-可以出现在垂直管道上,由自重引起的沿管材断面均匀分布的轴向应力。第三项σw可出现在水平管段上由自重引起的弯曲应力。

　　上式三项应力中,轴向一次应力的大小与管道布置有关,后两项与管道支架跨距有关,实际工程设计中可以在设计手册上根据管道外径、壁厚、管道工作每米荷重来确定管道支架跨距,使其满足一次轴向应力的验算条件。

　　管道由于热胀冷缩等变形受约束而产生的应力属于二次应力。二次应力引起的破坏,是在反复交变应力作用下引起的疲劳破坏。对二次应力的限定是采用交变应力范围和控制一定的交变循环,如果在少数反复加载之后,变形稳定下来,随后结构除了蠕变效应以外,表示是弹性的。

　　二次应力σf计算公式为:σf=m×M/w×ф(MPa)

　　式中:M———热胀当量力矩,Nm;

　　W———管壁断面抗拒,mm3;

　　m———应力加强系数;

　　ф———环向焊缝系数。

　　二次应力验算条件为:σf≤1.2〔σ〕20+0.2〔σ〕t式中:〔σ〕20———200C时钢材基本许用应力,MPa;

　　〔σ〕t———计算温度下钢材基本许用应力,MPa。

　　实际运行的管道即有一次应力、也有二次应力。一次应力与二次应力之和称为综合应力。二次应力值的大小与管道布置很密切,我们所说的管道补偿计算实际上也就是二次应力计算。例:在山西分公司一号路热网(介质有蒸汽、热水)中,我们就采用了以上两项计算,并进行了验算,选择了波纹管补偿器,经多年的使用证明我们进行的计算和验算是正确和可靠的。