鄒梅芳

（杭州杭氧股份有限公司設(shè)計(jì)院，浙江杭州 310014）

1 前言

管道應(yīng)力分析計(jì)算的任務(wù)：驗(yàn)算管道在內(nèi)壓、自重及其他外載作用下所產(chǎn)生的一次應(yīng)力和在熱脹、冷縮及位移受約束時(shí)所產(chǎn)生的二次應(yīng)力，以判明所計(jì)算的管道是否安全、經(jīng)濟(jì)、合理以及管道對(duì)設(shè)備的推力和力矩是否在設(shè)備所能承載的安全范圍內(nèi)。管道應(yīng)力分析與計(jì)算是對(duì)管道強(qiáng)度與安全性評(píng)估的重要依據(jù)。

2 管道應(yīng)力的分類

2.1 一次應(yīng)力

一次應(yīng)力是指由于外加荷載，如管道所受的內(nèi)壓、重力、風(fēng)載、沖擊荷載等作用而產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。一次應(yīng)力的特點(diǎn)是：它滿足與外加荷載的平衡關(guān)系，隨外加荷載的增加而增加，且無自限性，當(dāng)其值超過材料的屈服極限時(shí)，管道就會(huì)發(fā)生塑性變形而破壞或總體變形。一次應(yīng)力應(yīng)該嚴(yán)格的控制，必須為不發(fā)生材料屈服留有足夠的裕度，以防止過度的塑性變形導(dǎo)致管道的失效或破壞。一次應(yīng)力校核應(yīng)根據(jù)彈性分析和極限分析條件進(jìn)行控制。

一次應(yīng)力進(jìn)一步可以劃分為：一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力。定義如下：

薄膜應(yīng)力：沿截面均勻分布的應(yīng)力成分，它等于沿所考慮截面的厚度的應(yīng)力的平均值；

一次總體薄膜應(yīng)力：影響范圍遍及整個(gè)結(jié)構(gòu)的一次薄膜應(yīng)力；

一次局部薄膜應(yīng)力：影響范圍僅限于結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的一次薄膜應(yīng)力，通常其應(yīng)力水平大于一次總體薄膜應(yīng)力；

一次彎曲應(yīng)力：由內(nèi)壓力或其他機(jī)械荷載所引起的沿截面厚度線性分布的應(yīng)力。一次彎曲應(yīng)力不能簡(jiǎn)單的理解為由彎矩引起的應(yīng)力，它實(shí)際上是指沿厚度線性變化的那一部分應(yīng)力。

2.2 二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是指由于熱脹、冷縮和其他位移受到約束而產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。二次應(yīng)力的特點(diǎn)是不能直接與外力平衡，它具有自限性。當(dāng)荷載超過材料的屈服極限時(shí)，由于管道局部的屈服和產(chǎn)生少量塑性變形就能使應(yīng)力降下來，這時(shí)的應(yīng)力重新分布，使材料的應(yīng)變達(dá)到自均衡。對(duì)于塑性良好的管材，一般在管道初次加載時(shí)，二次應(yīng)力不會(huì)直接導(dǎo)致破壞，只有當(dāng)塑性應(yīng)變?cè)诙啻沃貜?fù)交變的情況下，才會(huì)引起管道疲勞破壞。對(duì)于二次應(yīng)力的限定，并不取決于一個(gè)時(shí)間的應(yīng)力水平，而是取決于交變的應(yīng)力范圍和交變的循環(huán)次數(shù)。二次應(yīng)力的校核應(yīng)根據(jù)安全性分析條件加以控制。

對(duì)于高溫管道，用較厚的管子代替較薄的管子時(shí)，由于管子壁厚的增加提高了管子的剛度，增加了管壁截面積和自重，管道中的一次應(yīng)力降低、二次應(yīng)力不變，管道對(duì)固定支座的推力將增加，因此，必須對(duì)管道的柔性重新進(jìn)行分析，以校核固定點(diǎn)、設(shè)備管口和支吊架的荷載，另外還應(yīng)校核彈簧支吊架的型號(hào)是否合適。

由一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的定義和特點(diǎn)可知，因?yàn)橐淮螒?yīng)力沒有自限性，所以它比二次應(yīng)力更危險(xiǎn)，應(yīng)該受到更加嚴(yán)格的限制。

2.3 峰值應(yīng)力

峰值應(yīng)力是由于管道或附件由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部效應(yīng)附加到一次應(yīng)力或二次應(yīng)力的增量，不是應(yīng)力集中處最大應(yīng)力的全值。其特點(diǎn)是不引起顯著變形，而且在短距離內(nèi)從它的根源衰減，是一種導(dǎo)致疲勞裂紋或脆性破壞的可能原因。溫度、壓力、管徑、壁厚、荷載、跨距、補(bǔ)償器形式等都會(huì)對(duì)應(yīng)力的結(jié)果產(chǎn)生影響。峰值應(yīng)力的校核應(yīng)根據(jù)管道使用期限內(nèi)所受的循環(huán)荷載進(jìn)行疲勞分析。

3 管道應(yīng)力分析的任務(wù)

管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動(dòng)力分析。

3.1 管道靜力分析的任務(wù)

管道靜力分析需要完成以下的任務(wù)：

（1）計(jì)算壓力荷載和持續(xù)荷載的作用下的一次應(yīng)力防止塑性變形破壞，保證管道的自身安全；

（2）計(jì)算管道熱脹冷縮以及端點(diǎn)的附加位移等位移荷載作用下的二次應(yīng)力，且滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求防止疲勞破壞；

（3）計(jì)算管道對(duì)與其相連的設(shè)備或機(jī)器的作用力，并使設(shè)備管口的荷載符合制造商的要求或公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，保證設(shè)備或機(jī)器的安全；

（4）對(duì)管道上的法蘭進(jìn)行受力計(jì)算，防止法蘭的泄漏；

（5）計(jì)算管道位移，防止位移過大造成支架脫落或管道碰撞，并為彈簧支吊架的選用提供依據(jù)；

（6）計(jì)算管道對(duì)支吊架和土建結(jié)構(gòu)的作用力，為支吊架和土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。保證支吊架和土建結(jié)構(gòu)的安全。

3.2 管道動(dòng)力分析的任務(wù)

管道動(dòng)力分析需要完成以下任務(wù)：

（1）分析地震時(shí)對(duì)管道產(chǎn)生的應(yīng)力，防止管道在地震中發(fā)生破壞；

（2）分析往復(fù)壓縮機(jī)和往復(fù)泵管道的固有頻率和振型，防止管道系統(tǒng)發(fā)生共振；

（3）分析往復(fù)壓縮機(jī)管道的強(qiáng)迫振動(dòng)，控制管道的振動(dòng)應(yīng)力，并采取有效的控制方法，防止管道因振動(dòng)發(fā)生疲勞破壞；

（4）用聲學(xué)模擬分析往復(fù)壓縮機(jī)管道氣體產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，計(jì)算管內(nèi)氣體的氣柱固有頻率和壓力脈動(dòng)，避免氣柱共振和壓力脈動(dòng)過大，從而防止管道的振動(dòng)過大；

（5）計(jì)算水錘、安全閥泄放荷載和兩相流所產(chǎn)生的支架荷載，為支架和土建結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.3 管道動(dòng)力分析與靜力分析的關(guān)系[1]

管道靜力分析的目的之一是對(duì)管道進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，保證管道有足夠的柔性，從而吸收由于熱脹冷縮及端點(diǎn)位移產(chǎn)生的變形，使管道各個(gè)節(jié)點(diǎn)一次、二次應(yīng)力小于其許用應(yīng)力。

管道的動(dòng)力分析的目的之一是對(duì)管道進(jìn)行防振設(shè)計(jì)，保證管系有一定的剛度，避免在干擾力的作用下發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。由此可見，如果管道的剛度較小則使管道具有良好的柔性，但由此而引起管道或管系的固有頻率較低，容易受外界作用使管道發(fā)生振動(dòng)；反之，則管道防振動(dòng)控制好，但柔性較差。

因此，在進(jìn)行管道應(yīng)力分析是應(yīng)對(duì)管道靜力分析與動(dòng)力分析的結(jié)果進(jìn)行比較，使管道最終布置及支架的設(shè)置既要滿足柔性設(shè)計(jì)的要求，也要滿足防振設(shè)計(jì)的要求。且應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況對(duì)管道布置和支吊架設(shè)置加以修改，在滿足安全性的前提下，得到最優(yōu)化的結(jié)果。

4 哪些管道應(yīng)該進(jìn)行應(yīng)力分析

確定哪些管道需要進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，是管道應(yīng)力分析的一項(xiàng)重要的內(nèi)容，管道是否需要進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，一般與管徑、溫度和所連接的設(shè)備有關(guān)，不同的國家，不同的行業(yè)都有不同的規(guī)定，下面用國內(nèi)常用的管道設(shè)計(jì)規(guī)定來進(jìn)行比較分析。

4.1根據(jù)G B 50316-2000[2]《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定下列管道應(yīng)屬于柔性計(jì)算范圍內(nèi)

4.1.1 管道的設(shè)計(jì)溫度小于或等于-50℃或大于等于100℃，均為柔性計(jì)算的范圍。

4.1.2 對(duì)柔性計(jì)算的公稱直徑范圍應(yīng)按設(shè)計(jì)溫度和管道布置的具體情況在工程設(shè)計(jì)時(shí)確定。

4.1.3 除4.1.1所述條件以外的，且符合下列條件之一的管道，應(yīng)列入柔性計(jì)算的范圍：

（a）受室外環(huán)境溫度影響的無隔熱層廠距離的管道；

（b）管道端點(diǎn)附加位移量大，不能用經(jīng)驗(yàn)判斷其柔性的管道；

（c）小支管與大管連接，且大管有位移并會(huì)影響柔性的判斷時(shí)，小管應(yīng)與大管同時(shí)計(jì)算。

4.1.4 具備下列條件之一的管道，可不做柔性分析：

（a）該管道與某一運(yùn)行情況良好的管道完全相同；

（b）該管道與已經(jīng)做過柔性分析合格的管道相比較，幾乎沒有變化。

4.1.5 柔性計(jì)算方法應(yīng)符合下列的規(guī)定：

（a）對(duì)于與敏感機(jī)器、設(shè)備相連的或高溫、高壓或循環(huán)當(dāng)量數(shù)大于7000等重要的以及工程設(shè)計(jì)有嚴(yán)格要求的管道，應(yīng)采用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行柔性計(jì)算；

（b）對(duì)簡(jiǎn)單的L形，Π形、Z形等管道可采用表格法，圖解法等驗(yàn)算。但所采用的表和圖必須是經(jīng)過計(jì)算驗(yàn)證的；

（c）無分支管道或管系的局部作為計(jì)算機(jī)柔性計(jì)算前的初步判斷時(shí)，可采用簡(jiǎn)化的分析方法。

4.2 A S ME B 31.3與B 31.1對(duì)管道柔性計(jì)算的范圍和方法的規(guī)定

《工藝管道》A S M EB 31.3與《動(dòng)力管道》A S M E B 31.1對(duì)此的規(guī)定類似，下面以A S M EB 31.3為例進(jìn)行說明。在A S M EB 31.3中，將正式的管道柔性分析方法劃分為簡(jiǎn)化的近似分析方法和詳細(xì)分析方法兩類，并且規(guī)定了不需要進(jìn)行正式的柔性分析的管道[1]。A S M EB 31.3中所說的詳細(xì)分析方法，可以是解析法也可以是圖表法，但這些方法應(yīng)能夠計(jì)算出位移應(yīng)變所引起的作用力、力矩和應(yīng)力。詳細(xì)分析方法還應(yīng)能夠考慮管件的應(yīng)力增大系數(shù)及其柔性。A S M EB 31.3在規(guī)定詳細(xì)分析的方法時(shí)，沒有說明計(jì)算機(jī)輔助程序應(yīng)力分析，而將其定義為解析法和圖表法。

5 壓力管道安全評(píng)定的方法

5.1 靜設(shè)備的允許載荷

（1）管道自身具有足夠的柔性，應(yīng)力不會(huì)超過許用范圍，只能說明管系的自身是安全的，但不代表管道對(duì)相連設(shè)備的作用力處于允許的范圍內(nèi)，也就不能表明設(shè)備也總是安全的。因此，管道作用于容器設(shè)備的荷載還應(yīng)不超過制造商或設(shè)備所規(guī)定的允許值。若設(shè)備制造商或設(shè)備專業(yè)沒有提出限制性要求，管道應(yīng)力分析工程師應(yīng)在管道整體應(yīng)力計(jì)算后提出相應(yīng)管口的實(shí)際載荷給設(shè)備專業(yè)的人進(jìn)行校核。

（2）管道作用于空冷塔管口的荷載，一般參照E N 13445-3[3]中的16.4和16.5節(jié)進(jìn)行校核。

5.2 轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的允許載荷

管道作用與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器管口的荷載不應(yīng)超過機(jī)器制造商或機(jī)械專業(yè)規(guī)定的允許值，常用的管口載荷校核標(biāo)準(zhǔn)有：

（1）離心壓縮機(jī)允許載荷應(yīng)符合A P I 617[4]的相關(guān)規(guī)定；

（2）離心泵管口的允許載荷可參考A P I 610[5]的規(guī)定；

（3）汽輪機(jī)管口的允許載荷可參考N E M A S E 23[6]的相關(guān)規(guī)定。

5.3 往復(fù)機(jī)械的壓力脈動(dòng)及振動(dòng)控制

（1）往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的壓力脈動(dòng)和振動(dòng)控制可參考A P I 618[7]的規(guī)定；

（2）往復(fù)泵進(jìn)出口管道的壓力脈動(dòng)和振動(dòng)控制可參考A P I 674[8]的規(guī)定。

5.4 管道應(yīng)力校核準(zhǔn)則

與壓力容器各行業(yè)具有較為統(tǒng)一的規(guī)范不同，管道應(yīng)力的校核準(zhǔn)則按照管道的類型不同而有不同的校核準(zhǔn)則，對(duì)于工業(yè)管道和動(dòng)力管道目前國內(nèi)統(tǒng)一采用的規(guī)范為 G B50316《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》。長(zhǎng)輸管道中的輸油或輸氣管道分別執(zhí)行 G B 50253《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。國外的常用 A S M E規(guī)范主要有：（1）A S M EB 31.3，工藝管道。（2）A S M EB 31.1，動(dòng)力管道。（3）A S M EB 31.4，輸油管道。（4）A S M EB 31.8，輸氣管道。目前管道應(yīng)力分析所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)主要是A S M EB 31系列，下面就用A N S I/A S M EB 31.3-2006進(jìn)行討論不同應(yīng)力的判斷準(zhǔn)則。

在A S M EB 31.3中并沒有直接提到“一次應(yīng)力”和“二次應(yīng)力”這兩個(gè)術(shù)語。但其應(yīng)力校核準(zhǔn)則實(shí)際上是按照一次應(yīng)力和二次應(yīng)力分別進(jìn)行的。在壓力管道應(yīng)力分析中，一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的概念與壓力容器分析中的定義基本相同，只是不再細(xì)分為一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力，也沒有峰值應(yīng)力的概念。這主要是因?yàn)閴毫艿缿?yīng)力分析中采用了薄壁假設(shè)以及不進(jìn)行詳細(xì)的局部應(yīng)力分析的緣故。

壓力管道的應(yīng)力校核準(zhǔn)則：

（1）由內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)力中的環(huán)向應(yīng)力Sp，不超過管道運(yùn)行時(shí)材料的許用應(yīng)力Sh。即：Sp≤Sh。

（2）由內(nèi)壓、自重和外載產(chǎn)生的一次應(yīng)力中的軸向應(yīng)力之和SL，不超過管道運(yùn)行時(shí)材料的許用應(yīng)力Sh。即：SL≤Sh。

（3）由溫度、管道端點(diǎn)位移等產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力的合成二次應(yīng)力SE，不超過管道的許用應(yīng)力范圍 Sa，即：SE≤Sa=f(1.25 Sc+1.25 Sh-Sc)

式中，f——許用范圍降低系數(shù)，溫度循環(huán)次數(shù)在7000以下，系數(shù)f取1；

Sh——管道在使用溫度時(shí)（冷態(tài)）的許用應(yīng)力值，M Pa；

Sc——管道在安裝溫度時(shí)（熱態(tài)）的許用應(yīng)力，M Pa。

（4）由于壓力、重量等持續(xù)載荷所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力SL,以及諸如風(fēng)或地震等偶然載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力之總和可以取許用值的1.33倍，風(fēng)和地震載荷的作用不需要同時(shí)考慮。

5.5 管道二次應(yīng)力校核準(zhǔn)則的來源[9]

在管道應(yīng)力分析中，二次應(yīng)力的校核是最基本的強(qiáng)度校核之一，通過對(duì)管道中二次應(yīng)力的數(shù)值加以適當(dāng)?shù)南拗?，便可避免裝置運(yùn)行時(shí)管道發(fā)生疲勞破壞。二次應(yīng)力的校核條件來源于安定條件，結(jié)構(gòu)的安定性定義是：當(dāng)荷載在一定的范圍內(nèi)反復(fù)變化時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)不發(fā)生連續(xù)的塑性變形循環(huán)。為防止結(jié)構(gòu)發(fā)生低周疲勞，結(jié)構(gòu)必須具有安定性。

結(jié)構(gòu)保持安定的條件是：彈性應(yīng)力范圍不大于屈服極限的兩倍。因在說明安定性條件時(shí)，并未區(qū)分一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，因此上述彈性應(yīng)力范圍是一次應(yīng)力和二次應(yīng)力共同作用的結(jié)果。即安定形條件為：

σⅠ+σⅡ≤2 σS式中，σⅠ、σⅡ分別代表一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。

對(duì)于屈服極限，許用應(yīng)力[σ]的安全系數(shù)一般為1.5左右，即[σ]＝σS/1.5，所以 σS=1.5[σ]安定條件為：σⅠ+σⅡ≤3[σ]，考慮到循環(huán)過程中管道可能處于冷態(tài)和熱態(tài)兩種狀態(tài)，為兼顧冷態(tài)和熱態(tài)，可將許用應(yīng)力[σ]取為冷態(tài)許用應(yīng)力[σ]c和熱態(tài)許用應(yīng)力[σ]h的平均值。即：左邊進(jìn)一步留出一定的安全裕度，將1.5取為1.25，上述公式轉(zhuǎn)換

由上述推導(dǎo)可以看出，式（1）直接由安定性條件得出，滿足上式便可防止低周疲勞的發(fā)生。在工藝管道和動(dòng)力管道中發(fā)生的疲勞破壞，雖然大多屬于低周疲勞，但某些循環(huán)次數(shù)較高的管道也可能發(fā)生高周疲勞破壞，僅滿足上式并不能防止高周疲勞的發(fā)生。根據(jù)疲勞分析理論，高周疲勞的壽命與應(yīng)力變化幅度的大小有直接關(guān)系。因此在上式中引入應(yīng)力范圍減小系數(shù)f，當(dāng)循環(huán)次數(shù)較高時(shí)，對(duì)允許應(yīng)力變化范圍進(jìn)一步加以限制，由此得到：此式實(shí)際上就是管道二次應(yīng)力校核條件。

考慮到一次應(yīng)力須滿足σⅠ≤[σ]h，最不利的情況為σⅠ=[σ]h，代入上式，可以得到更加更加嚴(yán)格的校核條件σⅡ≤f（1.25[σ]c+0.25[σ]h），此式就是管道二次應(yīng)力校核條件式。通過上述推導(dǎo)可以看到，管道二次應(yīng)力的校核條件來源于安定性條件。僅僅滿足安定性條件，只能防止低周疲勞。當(dāng)循環(huán)次數(shù)較高時(shí)，通過引入應(yīng)力范圍減小系數(shù)f，進(jìn)一步減小允許的二次應(yīng)力變化范圍，從而使最終的二次應(yīng)力校核條件不但能夠防止低周疲勞，而且還能夠防止高周疲勞。

5.6 壓力管道與壓力容器應(yīng)力分類比較[1 0]

在壓力管道應(yīng)力分析和壓力容器分析設(shè)計(jì)中，均將應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，但其具體分類方法和校核條件卻有所不同；壓力管道和壓力容器分別采用了薄壁和厚壁模型，另外壓力容器分析設(shè)計(jì)側(cè)重于局部應(yīng)力的詳細(xì)分析。壓力管道應(yīng)力分析的重點(diǎn)是整個(gè)管系的應(yīng)力和柔性，管道系統(tǒng)采用梁模型進(jìn)行模擬，對(duì)于幾何不連續(xù)處的應(yīng)力集中，壓力管道應(yīng)力分析中采用應(yīng)力增大系數(shù)的方法進(jìn)行處理，為了簡(jiǎn)化計(jì)算壓力管道應(yīng)力分析采用了薄壁假設(shè)，各類應(yīng)力沿管道壁厚均勻分布，因此，無法計(jì)算出壓力容器分析中的局部薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和峰值應(yīng)力。壓力容器設(shè)計(jì)所采用的標(biāo)準(zhǔn)分為兩類：一類是按規(guī)則設(shè)計(jì)；另一類是按分析進(jìn)行設(shè)計(jì)。常規(guī)設(shè)計(jì)一般以簡(jiǎn)化計(jì)算公式為基礎(chǔ)，再加上一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，不進(jìn)行應(yīng)力分析。而分析設(shè)計(jì)中，首先將應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力兩大類，二者的定義與壓力管道應(yīng)力分析相似且進(jìn)一步將一次應(yīng)力劃分為一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力。而在壓力管道分析中不再分為一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力，也沒有峰值應(yīng)力的概念。因此，壓力容器與壓力管道在一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的具體校核條件上存在很大的差別。

在壓力容器分析設(shè)計(jì)中采用的強(qiáng)度理論是最大剪應(yīng)力理論。最大剪應(yīng)力理論的當(dāng)量應(yīng)力是第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力之差，在壓力容器分析設(shè)計(jì)中，將這一當(dāng)量應(yīng)力定義為應(yīng)力強(qiáng)度。壓力容器分析設(shè)計(jì)中各類應(yīng)力的校核條件為：

（1）一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度≤σm；

（2）一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度≤1.5 σm；

（3）一次薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度≤1.5 σm；

（4） 一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度≤3 σm，σm為許用應(yīng)力。

除了上述校核條件以外壓力容器分析設(shè)計(jì)還規(guī)定，對(duì)于循環(huán)次數(shù)較高的情況，還須進(jìn)行詳細(xì)的疲勞分析。

以A S M EB 31.3為代表的壓力管道應(yīng)力校核條件具有以下的主要特點(diǎn)：

（1）壓力管道一次應(yīng)力的校核條件只校核管道的縱向應(yīng)力，不遵循最大的剪應(yīng)力理論和其他的強(qiáng)度理論。二次應(yīng)力校核條件中采用了最大的剪應(yīng)力理論，但在當(dāng)量應(yīng)力時(shí)只考慮了彎矩和扭矩作用，不需要考慮管道軸向力的影響。

（2）壓力管道應(yīng)力分析中，不計(jì)算局部的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，因此，一次應(yīng)力就是一次總體薄膜應(yīng)力，其一次應(yīng)力的校核條件相當(dāng)于壓力容器分析中的一次總體薄膜應(yīng)力的校核條件，不存在對(duì)一次局部薄膜應(yīng)力和一次薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力的校核。

（3）壓力管道二次應(yīng)力的校核條件來源于結(jié)構(gòu)的安定性條件，其理論基礎(chǔ)與壓力容器一次加二次應(yīng)力的校核條件完全相同，滿足安定性條件可以防止低周疲勞。

（4）滿足安定性條件只能防止低周疲勞，為防止高周疲勞，當(dāng)循環(huán)次數(shù)較高時(shí)，壓力容器分析設(shè)計(jì)要求按照峰值應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)的疲勞分析。壓力管道不進(jìn)行詳細(xì)的局部應(yīng)力分析，因此不計(jì)算峰值應(yīng)力，也不要求進(jìn)行詳細(xì)的疲勞分析。壓力管道應(yīng)力分析中，為防止高周疲勞，在二次應(yīng)力校核條件中引入了應(yīng)力范圍減小系數(shù)f，當(dāng)循環(huán)次數(shù)較高時(shí)，對(duì)允許應(yīng)力變化范圍進(jìn)一步加以限制，從而防止疲勞破壞的發(fā)生。在計(jì)算二次應(yīng)力變化幅度時(shí)，通過應(yīng)力增大系數(shù)考慮應(yīng)力集中的影響。

6總結(jié)

壓力管道應(yīng)力分析涉及的內(nèi)容較為廣泛，這也說明了管道應(yīng)力分析的復(fù)雜性。為保證管道自身及與其相連的機(jī)器、設(shè)備及結(jié)構(gòu)的安全，就必須使管道的布置滿足相應(yīng)的安全評(píng)定條件。本文著重的討論了管道應(yīng)力分析的內(nèi)容及其校核準(zhǔn)則，同時(shí)也提出了在一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的具體校核條件及應(yīng)力分類上壓力容器的分析與壓力管道分析存在很大的差別，兩者并不等同。希望通過該討論為相應(yīng)的分析人員提供一些理論的依據(jù)，為他們的分析工作提供一些幫助。

[1]宋岢岢.工業(yè)管道應(yīng)力分析與工程應(yīng)用[M].北京：中國石化出版社，2011.

[2]G B 50316，工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]E N 13445-3，E N 13445-3:2009，U n f i r e dp r e s s u r ev e s s e l sp a r t 3：D e s i g n[S].

[4]A P I 617，C e n t r i f u g a l C o m p r e s s o r sf o rP e t r o l e u m，C h e m i c a l，a n dG a s S e r v i c eI n d u s t r i e s，A m e r i c a nP e t r o l e u m I n s t i t u t e.

[5]A P I 610，C e n t r i f u g a l P u m p sf o rP e t r o l e u m，C h e m i c a l，a n dG a s S e r v i c eI n d u s t r i e s，A m e r i c a nP e t r o l e u m I n s t i t u t e.

[6]N E M AS M 23，S t e a m T u r b i n e sf o rM e c h a n i c a l D r i v eS e r v i c e，N a t i o n a l E l e c t r i c a l M a n u f a c t u r e sA s s o c i a t i o n.

[7]A P I 618，R e c i p r o c a t i n gC o m p r e s s o r sf o rP e t r o l e u m,C h e m i c a l，a n dG a sI n d u s t r y，A m e r i c a nP e t r o l e u m I n s t i t u t e.

[8]A P I 674，P o s i t i v eD i s p l a c e m e n t P u m p s.R e c i p r o c a t i n g，A m e r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e.

[9]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].第2版.北京：中國石化出版社，2009.

[10]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析的內(nèi)容及特點(diǎn)[J].石油化工設(shè)計(jì)，2008，25(2)：20-24.