29
应力增大系数：
当管道几何形状发生急剧变化时，位移应力范围的 计算值与直管相比有所增加。对于平滑过渡的弯头 和弯管，受弯后管道出现扁平化，抗弯刚度有所减 小,对于斜接弯管和支管连接，由于几何不连续产生 应力集中, 导致材料抗疲劳能力有所削弱。二次应力 校核主要是为了防止疲劳破坏，为了考虑这种效应， 在进行二次应力校核时引入了应力增大系数。 定义: 受弯矩的作用，在非直管的组成件中，产 生疲劳损坏的最大弯曲应力与承受相同弯矩、相同 直径及厚度的直管产生疲劳损坏的最大弯曲应力的 比值，称为应力增大系数。因弯矩与管道组成件所 在平面不同，有平面内及平面外的应力增大系数。
38
19
由于内压作用下直管壁厚计算公式是薄壁模型，基 于第三强度理论：σ1 SHP σ 3 SR 0 σ1 σ 3 SHP σt 因此，合成轴向应力不大于内压环向应力。合成轴 向应力最大时与内压环向应力相等，此时再依据第 三强度理论有：
(SLP SAX SC ) SR σ
34
17
柔性系数：
表示管道元件在承受力矩时，相对于直管而言其柔 性增加的程度。即:在管道元件中由给定的力矩产生 的每单位长度元件的角变形与相同直径及厚度的直 管受同样力矩产生的角变形的比值。
35
二.应力分析标准详解
ASME B31.1 ASME B31.3 ASME B31.4 ASME B31.8
21
材料的力学性能及强度理论 力学性能：
1.强度极限 2.屈服强度 3.断裂 4.强化阶段 5.局部变形阶段
22
11
最大拉应力理论：
该理论认为：最大拉应力是引起断裂的主要原因 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到 单向拉伸时的抗拉强度，材料就会发生脆性断裂。 屈服判据： 强度准则：
2
1
3
管道应力分析基本理论
主要内容 一.管道应力分析基础知识介绍 二.应力分析标准详解 三.管道跨距计算 四.管道柔性分析 五.管道分析基础知识介绍
管道应力分析的目的、范围、内容 管道受到的载荷、变形及失效形式 材料的物理性能及强度理论 基本概念
5
管道应力分析的目的、范围、内容 目的：
ASME B31J
ASME B31J
32
16
数值分析方法:
SIF Actual Peak Stress in part Nominal Stress in Part
SIF
PL Pb Q F (M/Z)
FE Pipe ANSYS
i SIF/2
步骤: 建立管件有限元分析模型; 提取峰值应力强度和基准应力; 计算应力集中系数SIF; 应力增大系数取应力集中系数的1/2.
阴影部分表示吸 收能量的能力
15
静态断裂 韧性断裂： 随着载荷增加，材料屈服并产生塑性变形直至破坏。 断裂前的伸长量可达到25%，可见韧性材料的能量 吸收能力。能量吸收能力对于静态载荷的影响较小， 但对于抵抗冲击载荷的影响较大。如果没有较大的 能量吸收能力，非常小的冲击载荷都可能产生破坏 性的应力。 韧性断裂主要发生在裂纹缺陷处或形状不连续处。 由于屈服，载荷将会转移到管道系统的其它部位。
管道应力分析（CAESARII软件）工程实例 专题培训班 主讲:孙学军(中国石油管道局设计院) 联系电话:13722622460 主办：中国石油和化学工业培训中心
课程安排
时间 主要内容
第一天 第二天 第三天
管道应力分析基本理论 CAESAR II软件应用 管道振动分析技术（机械振动、流 致振动）、埋地管道等
t max
ss
2
t max
s1 s 3
2
s1 s 3 ss
强度准则：
s 1 s 3 [s ]
适用于塑性材料。形式简单，一般情况下与实验结果相比偏于 安全，工程中广泛应用。
形状改变比能理论(Mises准则)：
该理论认为：形状改变比能是引起屈服的主要原因 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要形状改变比能达 到单向拉伸屈服时所对应的形状改变比能值，材料就会发生 塑性屈服。 屈服判据：
21
二次应力校核来源：
28
14
二次应力：
二次应力是由于热胀、冷缩、端点位移等位移荷载 的作用所产生的应力。它不直接与外力相平衡。二 次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变 形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到 满足，从而变形不再继续增大。 一般在管系初次加载时，二次应力不会直接导致破 坏，只有当应变在多次重复交变的情况下，才会引 起管道疲劳破坏。但也应该注意，当位移荷载极大， 局部屈服或小量变形不足以满足位移约束条件或自 身变形连续要求时，管道也可能在一次加载过程中 就发生破坏。
应力分析规定 确定管道系统 生命周期内可 能遇到的载荷
关键管线表 定义载荷工况 静态/动态 确定应力、位 移、载荷的限 值
设备管口载荷 结构所受载荷 特殊件要求 其它建议
使应力、位移 、载荷限值在 许用范围内 应力分析报告 应力ISO图 提交业主 提交现场
8
支撑设计、选型
4
应力分析管线分类:
9
关键管线表:
没有区分平面内 和平面外应力增 大系数; 采用最大剪应力 理论.
41
结构安定性条件：
结构安定性的定义:当荷载在一定范围内反复变化时，结构不 发生连续的塑性变形循环。也就是说，在初始几个循环之后， 结构内的应力应变都按线弹性变化，不再出现塑性变形。为防 止结构发生低周疲劳，结构必须具有安定性。 结构安定性条件:弹性应力范围不大于屈服极限的二倍。 42
20
10
其它失效形式 腐蚀： 壁厚减薄； 小腐蚀坑处应力增大降低了疲劳强度。 侵蚀： 流体对管道的侵蚀，如浆体管道、两相流、泵进口 汽蚀； 碳钢管道氢蚀因素有喘流、低PH值、低含氧量。 应力腐蚀： 金属材料在腐蚀介质中经历一段时间拉应力后出现 裂纹与断裂的现象。 氢蚀： 氢脆现象（溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应 力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的 裂纹。）
12
管道受到的载荷：
6
安全阀泻放、柱塞流、风、波浪、地震、水/ 汽锤等偶然荷载； 压力循环、温度循环、转动设备、涡激振动等 循环荷载 。
13
管道变形的基本形式：
拉伸、压缩
剪切
扭转
弯曲
14
7
管道的失效形式：
管道应力分析的主要目标是阻止管道失效，因此了 解管道的失效形式非常重要。常见的管道失效形式 如下： 静态断裂
s1 sb
s 1 [s ]
sb
nb
适用于铸铁等脆性材料。这一理论没有考虑其它两个主应力的 影响，且对没有拉应力的应力状态无法应用。
最大伸长线应变理论：
该理论认为：最大伸长线应变是引起断裂的主要原因 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大伸长线应变 达到单向拉伸时的极限应变，材料就会发生脆性断裂。
保证管道结构的整体安全 各种设计载荷作用下管道的应力在规范的许用范围 内。 保证管道系统运行正常 动（静）设备管口载荷符合制造商或公认标准的要 求； 避免法兰等连接件泄露； 避免管道位移量过大，影响其它设备或管道的运行； 避免明显的管道振动。 优化设计
6
3
范围：
7
内容：
项 目 工 艺 项目计划 PID 工艺管线表 数据表 设备图纸 设 备 管口许用载荷 土 土建结构图纸 建 地质参数 布置图、3D 配 管 ISO图 管道等级 特殊件要求
t
σ1
σ3
B31.1没有包含持续轴向外载产生的轴向应力SAX， 忽略内压径向应力SR，上式变为：
(SLP SC ) σ
t
即：
39
偶然应力：
许用应力放大系数K： 1.15--每次作用时间不超过8h,每年不超过800h; 1.20--每次作用时间不超过1h,每年不超过80h;
40
20
位移应力范围：
33
这是因为依据规范进行柔性分析计算的弯曲载荷引 起的应力范围约是峰值应力范围的一半。对于典型 的对焊管的焊接接头，其应力集中系数为2。由于应 力是与对焊管的疲劳曲线相比较，计算得到的是实 际峰值应力范围的一半。因此，理论应力，例如弯 头中由弯曲载荷产生的应力，是按规范进行管道柔 性分析计算的应力的2倍。
管道应力的校核主要是为了防止管壁内应力过大造 成管道自身的破坏。各种不同荷载引起不同类型的 应力，不同类型的应力对损伤破坏的影响各不相同， 如果根据综合应力进行应力校核可能导致过于保守 的结果，因此管道应力的校核采用了将应力分类校 核的方法。 应力分类校核遵循的是等安全裕度原则，也就是说， 对于危险性小的应力，许用值可以放宽;危险性大的 应力，许用值要严格控制。 应力分类是根据应力性质不同人为进行的，它并不 一定是能够实际测量的应力。
16
8
脆性断裂： 不可预期且突然发生； 脆性材料； 塑性材料当温度低于某一限定值时韧性降低。
17
疲劳断裂 在低于材料强度的交变应力作用下突然断裂。
18
9
蠕变断裂 在高温情况下，温度和应力保持不变而应变不断增 加最终断裂。
19
失稳 管道失稳主要由压应力导致； 主要出现在大直径薄壁管道； 深水环境中的厚壁管也可能出现失稳。
30
15
确定方法: 疲劳试验方法:
按照不同应力幅对直管进行一系列疲劳试验，根据 试验结果，拟合得到直管疲劳曲线表达式: S P N b C 按照不同应力幅对管件进行一系列疲劳试验，根据 试验结果，拟合得到管件疲劳曲线表达式: S F N b C1 应力增大系数: i S P / S F C / C1 31 由以上两式得: i C / S F N b
10
5
应力ISO图:
在管道单线图的基础 上增加应力分析的节 点号、约束点的位置 及类型、约束点的位 移量及载荷、备注等 信息。