管道的热应力计算(共33张PPT)精选

第章管道(guǎndào)的热应力计算1第一页，共33页。供热管网的组成(zǔchénɡ)城市供热管网是由管道、活动支架、固定支架、补偿器、阀门、排水和放气装置等所组成(zǔchénɡ)管道应力：内压力、管道自重、外部荷载、温度变化等因素的作用下会产生拉伸、弯曲等应力2第二页，共33页。6.1管道(guǎndào)热伸长量计算管道受热膨胀的伸长量：一般(yībān)钢管可取=1.2×10-5m/m·℃6.2供热管道的强度计算任务：计算热力管道因热胀和冷缩、内压和外部荷载作用所引起的力、力矩和应力，从而判断所设计的管道是否安全、经济包括：选定管壁厚度；确定管道支架间距；补偿器选型及应力验算；校核固定支架、管道附件所受应力是否超出许用应力等3第三页，共33页。6.2供热管道(guǎndào)的强度计算主要包括的应力有：⑴由于管道内的流体(liútǐ)压力（简称内压力）作用所产生的应力；⑵管道在外部荷载作用下所产生的应力。⑶供热管道由于热胀和冷缩所产生的应力。应力验算：计算供热管道在各种负荷的作用下所产生的应力，校核其是否超过管材的许用应力4第四页，共33页。许用应力(yìnglì)分类：许用应力分为：额定许用应力；外载许用综合应力；许用合成应力和许用补偿弯曲应力等。⑴额定许用应力。它取决于管材的强度特性，它是应力验算中最基本的一个许用应力值。常用钢管(gāngguǎn)额定许用应力见6-2⑵许用外载综合应力。在热力管道强度计算中，如只考虑外部荷载引起的综合应力，则不应大于规定的许用外载综合应力值。5第五页，共33页。许用应力(yìnglì)分类：⑶许用合成应力。在热力管道强度计算中，如果只考虑外部荷载和热补偿同时(tóngshí)作用所产生的应力，则不应大于规定的许用合成应力值。6第六页，共33页。许用应力(yìnglì)分类：⑷许用补偿弯曲应力。在补偿器的强度计算中，如果只考虑补偿器弹性力所产生的应力，则不应大于规定的许用补偿弯曲应力值。当采用方型或自然补偿器时，热态和冷态的验算值是不同(bùtónɡ)的具体见表6-47第七页，共33页。6.3管壁厚度(hòudù)及活动支架间距的确定理论(lǐlùn)计算壁厚：计算壁厚：当焊接钢管产品标准中未提供壁厚允许负偏差百分数时，管子壁厚附加值可采用下列数据(shùjù)：理论计算壁厚为5.5mm者，c=0.5mm；理论计算壁厚为6.0~7.0mm者，c=0.6mm；理论计算壁厚为8.0~25.0mm者，c=0.8mm。管子壁厚的附加值不得小于0.5mm。8第八页，共33页。活动支架间管道变形示意图1—管道按最大角变不大于管道坡度条件下的变形线；2—管道按允许最大挠度条件下的变形线；3—支点。9第九页，共33页。热水管道(guǎndào)按挠度：不通行地沟内管道活动(huódòng)支架的最大允许间距（m）公称直径253240506580100125150200250300350400蒸汽、热水管1.72.02.02.53.03.54.04.55.06.57.58.08.59.5不保温凝结水管3.04.04.55.06.06.07.07.58.09.510.511.511.513.010第十页，共33页。6.4管道(guǎndào)热补偿补偿器的选用原则(yuánzé)是：首先考虑利用管道弯曲的自然补偿，当自然补偿不能满足要求时，再考虑设置方型补偿器、套管补偿器、波形补偿器、波纹管补偿器等进行补偿。11第十一页，共33页。方型补偿器需要确定如下参数：⑴方型补偿器所补偿的管道热伸长量，按式6-1计算确定；⑵选择方型补偿器的型式和几何尺寸；⑶根据方型补偿器的几何尺寸和热伸长量，计算方型补偿器的弹性力，确定对固定(gùdìng)支架产生的水平推力的大小；⑷对方型补偿器进行应力验算。12第十二页，共33页。弯管刚度降低(jiàngdī)的系数（当h≤1）（当h＞1）弯管尺寸(chǐcun)系数13第十三页，共33页。光滑弯管方型补偿器的折算(shésuàn)长度：14第十四页，共33页。方型补偿器弹性力和管段形变(xíngbiàn)的关系：冷紧：15第十五页，共33页。管道(guǎndào)某一截面上的最大弹性弯曲应力最大弹性弯曲力矩：当时，位于(wèiyú)C点当时，位于(wèiyú)D点（<0.85）16第十六页，共33页。方型补偿器的类型(lèixíng)Ⅰ型：B=2HⅡ型：B=HⅢ型：B=0.5HⅣ型：B=017第十七页，共33页。例6-1已知φ108×4mm碳钢无缝钢管，管内热媒为1.3MPa的饱和蒸汽（t≈194℃），周围环境温度为-10℃，固定支架间距离为65m。选用(xuǎnyòng)Ⅱ型方型补偿器，求方型补偿器的尺寸、所产生的弹性力及补偿弯曲应力值的大小。18第十八页，共33页。适用范围：内压产生(chǎnshēng)的摩擦力公称直径DN(mm)最大热伸长量(mm)热媒参数100～150250Pg≤1.6MPat≤300℃200～250300300～350350400～700400当DN=150~400mm时当DN=400~800mm时螺栓(luóshuān)产生的摩擦力分别(fēnbié)计算取大值套管补偿器的选用原则为：一般用于公称直径大于100mm，安装方型补偿器受限制的热力管道上。工作压力：铸铁制为Pg≤1.3MPa；钢制为Pg≤1.6MPa。导向支架19第十九页，共33页。特点：具有补偿能力大（比方(bǐfɑng)型补偿器大5~10倍）、所占空间小、能作空间变形、耗钢量小等优点。缺点是制作工艺要求严格。规格：DN40~DN1000mm；最大工作压力不大于1.6MPa，特殊制造的可达2.5MPa；最高工作温度不高于280℃，特殊制造的可达400℃；最大折曲角为±15°补偿量：转动摩擦力矩M值，见表6-1520第二十页，共33页。组成：是由金属波纹管、短管和其他构件组成工作原理：利用波纹变形来补偿管道的热变形、机械(jīxiè)变形和吸收机械(jīxiè)振动特点：具有结构紧凑、占地少、补偿能力大、安装方便、无结构性渗漏、不需维护保养、同时不受工作介质、参数、工作环境和地形条件等限制21第二十一页，共33页。分类：按型状不同分：有“U”形、“”、形“S”形、“V”形按材质不同分：有不锈钢、碳钢和复合按补偿形式(xíngshì)分：有轴向型、横向型、角向型以及三者组合的位移形式(xíngshì)轴向补偿器可吸收轴向位移，主要有普通轴向型、复式轴向型、内、外压型、轴向无约束型、压力平衡型、直埋外压型等22第二十二页，共33页。横向型补偿器可吸收横向（径向）位移，主要有大拉杆(lāgān)横向型、铰链横向型和万向铰链型角向型可吸收角向位移，主要有单向角向型和万向角向型另外：单侧和双侧补偿；压力平衡型和压力不平衡型；矩形和圆形图6-7轴向波纹补偿器使用情况1-固定支架；2-波纹补偿器轴向23第二十三页，共33页。例题(lìtí)6-1～3图6-8大拉杆波纹(bōwén)补偿器用于平面和空间横向位移情况图6-9铰链波纹补偿器用于平面(píngmiàn)横向位移的情况横向1个或2个方向24第二十四页，共33页。直角自然(zìrán)补偿25第二十五页，共33页。L型和直角型短臂：长臂的长度一般(yībān)应取20~25m左右对于Z型补偿器，其垂直臂的长度：26第二十六页，共33页。5HⅣ型：B=0⑴方型补偿器所补偿的管道热伸长量，按式6-1计算确定；理论(lǐlùn)计算壁厚：另外：单侧和双侧补偿；内压作用下环形(huánxínɡ)应力直角自然(zìrán)补偿⑵选择方型补偿器的型式和几何尺寸；1管道(guǎndào)热伸长量计算方型补偿器的类型(lèixíng)轴向补偿器可吸收轴向位移，主要有普通轴向型、复式轴向型、内、外压型、轴向无约束型、压力平衡型、直埋外压型等7直埋供热管道的固定墩设计计算(jìsuàn)及竖向稳定性验算图6-7轴向波纹补偿器使用情况直埋弯头的应力验算应满足：过渡段是指一端固定（固定点、驻点、锚固点），另一端为活动端，当管道温度发生变化时，能产生热位移的直埋管段第二十九页，共33页。6.5供热管道固定支架(zhījià)间距及其受力计算应考虑两个方面的因素：一是不应使管道产生纵向(zònɡxiànɡ)弯曲；二是不得使管道上的支管位移超过50mm,上按附录6-5确定垂直压力水平推力：见表6-16～２１⑴由于活动支架上的摩擦力而产生的水平推力；⑵由于方型补偿器、自然补偿管段等的弹性力所产生的水平推力，或者由于套管补偿器摩擦力所产生的水平推力；⑶在设置套管补偿器时，由于管道内压而引起的水平推力；⑷直埋管道由于土壤的摩擦力而产生的水平推力。27第二十七页，共33页。6.6直埋热水供热管网的应力(yìnglì)计算外壳与土壤间摩擦力的计算(jìsuàn)直管段的轴向力和热伸长量的计算(jìsuàn)锚固段，是在管道温度发生变化时，不产生热位移的直埋管段过渡段是指一端固定（固定点、驻点、锚固点），另一端为活动端，当管道温度发生变化时，能产生热位移的直埋管段屈服温差：管道在伸缩完全受阻的工作状态下，钢管管壁开始屈服时的工作温度与安装温度之差28第二十八页，共33页。6.6直埋热水(rèshuǐ)供热管网的应力计算过渡(guòdù)段最大长度过渡(guòdù)段最小长度当量应力应满足　　　　　，当不能满足要求时，管道系统中不应有锚固段存在，且过渡段长度应满足：29第二十九页，共33页。锚固点及伸长(shēnchánɡ)量计算弹性(tánxìng)热伸长量30第三十页，共33页。部分塑性(sùxìng)热伸长量计算部分塑性伸长(shēnchánɡ)量塑性压缩变形量转角管段的应力验算直埋弯头的应力验算应满足：31第三十一页，共33页。转角管段的应力(yìnglì)验算内压作用下环形(huánxínɡ)应力弯矩作用(zuòyòng)下最大环形应力32第三十二页，共33页。6.7直埋供热管道的固定墩设计计算(jìsuàn)及竖向稳定性验算固定墩的作用力：管道热胀冷缩受约束产生的作用力、内压产生的不平衡力、活动端位移(wèiyí)产生的作用力，具体计算见表６-２３抗滑移系数应符合下式要求：固定(gùdìng)墩受力简图33第三十三页，共33页。