6.4　管道應(yīng)力計(jì)算和柔性分析

6.4.1　管道應(yīng)力計(jì)算可分為簡(jiǎn)易應(yīng)力計(jì)算和詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算，并應(yīng)符合下列規(guī)定：

1　當(dāng)更換已成功應(yīng)用的管線時(shí)，可采用簡(jiǎn)易應(yīng)力計(jì)算；

2　當(dāng)與已分析實(shí)施過(guò)管線是同類管線時(shí)，可采用簡(jiǎn)易應(yīng)力計(jì)算；

3　按本規(guī)范第6.2.5條～第6.2.7條規(guī)定設(shè)置膨脹節(jié)的管線，可采用簡(jiǎn)易應(yīng)力計(jì)算；

4　其他管線，宜進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算。

6.4.2　簡(jiǎn)易應(yīng)力計(jì)算應(yīng)包括下列計(jì)算內(nèi)容：

1　設(shè)計(jì)壓力引起的環(huán)向應(yīng)力；

2　設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力；

3　自重引起的軸向彎曲應(yīng)力；

4　均布和集中載荷作用下的撓曲變形；

5　L形膨脹節(jié)和∏形膨脹節(jié)的面內(nèi)彎矩和離面彎矩引起的應(yīng)力；

6　其他持續(xù)載荷、偶然載荷引起的應(yīng)力；

7　軸向壓縮穩(wěn)定和外壓穩(wěn)定；

8　支架處，直徑大于600mm管道的應(yīng)力；

9　其他需要計(jì)算的應(yīng)力。

6.4.3　詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算宜采用計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)力分析，并應(yīng)包括下列計(jì)算內(nèi)容：

1　設(shè)計(jì)壓力引起的環(huán)向應(yīng)力；

2　設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力；

3　熱膨脹引起的軸向應(yīng)力；

4　自重引起的軸向彎曲應(yīng)力；

5　熱膨脹和內(nèi)壓引起的彎曲應(yīng)力；

6　其他持續(xù)載荷、偶然載荷或熱載荷引起的應(yīng)力；

7　均布和集中載荷作用下的撓曲變形；

8　支架處，直徑大于600mm管道的應(yīng)力；

9　其他需要計(jì)算的應(yīng)力。

6.4.4　計(jì)算熱膨脹和熱載荷所采用的設(shè)計(jì)溫差ΔT應(yīng)按下列公式計(jì)算：

1　當(dāng)管線被加熱時(shí)，應(yīng)取式（6.4.4-1）和式（6.4.4-2）計(jì)算值的較大者：

2　當(dāng)管線被冷卻時(shí)，應(yīng)取式（6.4.4-3）和式（6.4.4-4）計(jì)算值的較大者：

式中：ΔTd——設(shè)計(jì)溫差（℃）；

Tp——工藝溫度（℃）；

Ta——環(huán)境溫度（℃），按式（6.4.4-1）和式（6.4.4-4）計(jì)算，可取最低溫度；按式（6.4.4-2）和式（6.4.4-3）計(jì)算，可取最高溫度；

c——系數(shù)，輸送液體介質(zhì)時(shí)取0.85，輸送氣體介質(zhì)時(shí)取0.8；

Tas——預(yù)計(jì)安裝溫度（℃）。

6.4.5　彎頭、三通的柔性系數(shù)f、應(yīng)力增大系數(shù)SIF和內(nèi)壓應(yīng)力乘子的確定應(yīng)符合下列規(guī)定：

1　彎頭（圖6.4.5-1）可分為整體彎頭［圖6.4.5-1（a）］和拼接彎頭［圖6.4.5-1（b）］，彎頭的柔性系數(shù)及應(yīng)力增大系數(shù)計(jì)算應(yīng)符合表6.4.5-1的規(guī)定：

2　三通（圖6.4.5-2）可分為等徑整體三通［圖6.4.5-2（a）］、異徑整體三通［圖6.4.5-2（b）］、等徑拼接三通［圖6.4.5-2（c）］、異徑拼接三通［圖6.4.5-2（d）］，三通的柔性系數(shù)及應(yīng)力增大系數(shù)計(jì)算應(yīng)符合表6.4.5-2的規(guī)定：

6.4.6　直管的應(yīng)力計(jì)算應(yīng)符合下列規(guī)定：

1　設(shè)計(jì)壓力引起的環(huán)向應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

2　設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力應(yīng)按下列公式計(jì)算：

1）當(dāng)管端自由時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：

2）當(dāng)管端約束時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：

3　帶約束端且熱膨脹引起的軸向應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

4　直管自重引起的彎曲應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

1）兩端為滑動(dòng)支架或?qū)蛑Ъ埽驾d荷引起的管道中間跨（圖6.4.6-1）彎矩應(yīng)按下式計(jì)算：

2）兩端為滑動(dòng)支架或?qū)蛑Ъ埽驾d荷引起的管道邊跨（圖6.4.6-1）彎矩應(yīng)按下式計(jì)算：

3）兩端為滑動(dòng)支架或?qū)蛑Ъ埽休d荷引起的彎矩應(yīng)按下式計(jì)算：

4）兩端為固定支架，均布載荷引起的彎矩應(yīng)按下式計(jì)算：

5）兩端為固定支架，集中載荷引起的彎矩應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：W——均布載荷（N/mm）；

P——集中載荷（N）。

5　熱膨脹引起的直管軸向彎曲應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Mi——面內(nèi)（圖6.4.6-2）彎矩（N·mm）；

Mo——離面（圖6.4.6-2）彎矩（N·mm）。

6　熱膨脹引起的環(huán)向彎曲應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

7　直管和彎頭的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：MS——最大扭矩（N·mm）。

6.4.7　輸送介質(zhì)為液體且內(nèi)徑大于600mm的管道，支架處的管道軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和剪切應(yīng)力計(jì)算應(yīng)符合下列規(guī)定：

1　支架處管道的軸向彎曲應(yīng)力應(yīng)按下列公式計(jì)算：

1）橫截面最高點(diǎn)應(yīng)按下式計(jì)算：

2）橫截面最低點(diǎn)應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：ρL——管道輸送液體密度（kg/m3）；

L——跨距（m）；

Di——管道內(nèi)徑（m）；

td——管道設(shè)計(jì)厚度（m）；

γ1、γ2——與支架包角θ有關(guān)的系數(shù)，應(yīng)按表6.4.7-1選用；

θ——支架包角（圖6.4.7）。

2　支架處管道的最大剪切應(yīng)力應(yīng)按式（6.4.7-3）計(jì)算，且應(yīng)符合式（6.4.7-4）的規(guī)定：

式中：γ3——與支架包角θ有關(guān)的系數(shù)，應(yīng)按表6.4.7-2選用；

ρL——管道輸送液體密度（kg/m3）；

tt——纖維增強(qiáng)塑料管道總厚度（m）；

［τ］——層合板的許用剪切應(yīng)力（MPa），按本規(guī)范式（4.3.8-4）計(jì)算取值。

3　支架處管道的環(huán)向彎曲應(yīng)力應(yīng)按下列公式計(jì)算：

1）橫截面最低點(diǎn)應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：b1——支架的寬度（m）；

W——均布載荷（N/m）；

γ4——與支架包角θ有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)管道未與支架固定在一起時(shí)，應(yīng)按表6.4.7-3選用；當(dāng)管道和支架固定在一起時(shí)，應(yīng)取表6.4.7-3中給定值的1/10。

2）橫截面支架包角點(diǎn)處應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：γ5——與支架包角θ有關(guān)的系數(shù)，應(yīng)按表6.4.7-4選用。

6.4.8　直管的變形計(jì)算應(yīng)符合下列規(guī)定：

1　熱膨脹變形應(yīng)按下式計(jì)算：

2　內(nèi)壓引起的軸向變形計(jì)算應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）管壁承受內(nèi)壓時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：

2）管壁不承受內(nèi)壓時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：

3）當(dāng)管壁采用Ⅰ型和Ⅱ型層合板時(shí)，式（6.4.8-2）和式（6.4.8-3）中的軸向單元拉伸剛度Xlamx應(yīng)等于環(huán)向單元拉伸剛度XlamΦ，泊松比νyx和泊松比νxy應(yīng)取0.3。

3　兩端為滑動(dòng)支架或?qū)蛑Ъ軙r(shí)的撓曲變形應(yīng)按下列公式計(jì)算：

1）均布載荷，中間跨時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：

2）均布載荷，邊跨時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：

3）集中力（跨中）時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：

4　兩端為固定支架的撓曲變形應(yīng)按下列公式計(jì)算：

1）均布載荷時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：

2）集中力（跨中）時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：

6.4.9　彎頭的應(yīng)力計(jì)算應(yīng)符合下列規(guī)定：

1　設(shè)計(jì)壓力引起的環(huán)向彎曲應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

2　熱膨脹引起的環(huán)向彎曲應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Mi——面內(nèi)彎矩（N·mm）；

SIFΦi——在面內(nèi)彎矩Mi作用下的環(huán)向系數(shù)；

Mo——離面彎矩（N·mm）；

SIFΦo——在離面彎矩Mo作用下的環(huán)向系數(shù)。

3　設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

4　熱膨脹引起的軸向彎曲應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：SIFxi——在面內(nèi)彎矩Mi作用下的軸向系數(shù)；

SIFxo——在離面彎矩Mo作用下的軸向系數(shù)。

6.4.10　三通的應(yīng)力計(jì)算應(yīng)符合下列規(guī)定：

1　設(shè)計(jì)壓力引起的三通直管環(huán)向應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Di——主管的內(nèi)徑（mm）；

tM——主管最小厚度（mm）。

2　熱膨脹及其他載荷引起的無(wú)方向彎曲應(yīng)力應(yīng)取三個(gè)連接處的最大值，無(wú)方向彎曲應(yīng)力應(yīng)按下列公式計(jì)算：

1）在主管連接處應(yīng)按下式計(jì)算：

2）在支管連接處應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中：DiB——支管直徑（mm）；

SIFT——三通的應(yīng)力增大系數(shù)；

ts——取tM和SIFT×tB的小者（mm）；

tB——支管壁厚（mm）；

IB——支管連接處的慣性矩（mm4）。

3　支管扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

6.4.11　直管段的撓曲變形應(yīng)符合本規(guī)范第6.3.4條的規(guī)定，撓曲變形計(jì)算時(shí)應(yīng)計(jì)入下列載荷組合：

1　均布載荷組合應(yīng)包括管線，管內(nèi)介質(zhì)和管外絕熱等載荷；

2　集中載荷組合應(yīng)包括永久性的點(diǎn)載荷。

6.4.12　管線任意一處的最大組合應(yīng)力應(yīng)包括最大操作內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力、設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)熱脹冷縮引起的彎曲應(yīng)力、管道和管中介質(zhì)及附帶絕熱材料自重引起的彎曲應(yīng)力、外載荷引起的彎曲應(yīng)力和支架位移引起的彎曲應(yīng)力等。

6.4.13　管線任意一處的軸向和環(huán)向應(yīng)力應(yīng)符合簡(jiǎn)化失效包絡(luò)線計(jì)算或最大組合應(yīng)力不得大于許用應(yīng)力。最大組合應(yīng)力計(jì)算應(yīng)符合下列規(guī)定：

1　直管和彎頭的最大組合應(yīng)力應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中：σc——最大環(huán)向或軸向組合應(yīng)力，最大環(huán)向組合應(yīng)力應(yīng)按式（6.4.13-1）計(jì)算，最大軸向組合應(yīng)力應(yīng)按式（6.4.13-2）計(jì)算；

σΦ——最大環(huán)向應(yīng)力；

σx——最大軸向應(yīng)力；

σs——扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力；

σΦp——設(shè)計(jì)壓力引起的環(huán)向應(yīng)力；

σΦb——熱膨脹引起的環(huán)向彎曲應(yīng)力；

σxp——設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力；

σxb——熱膨脹引起的軸向彎曲應(yīng)力；

σab——自重引起的軸向彎曲應(yīng)力；

σac——帶約束端管線熱膨脹引起的軸向應(yīng)力。

2　三通支管的最大組合應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

3　直管的軸向壓應(yīng)力計(jì)算應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）整體管壁橫截面受壓時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Fs——壓縮穩(wěn)定安全系數(shù)，取值不應(yīng)小于4；

L——全約束管線系統(tǒng)的受壓縮直管段長(zhǎng)度、帶有端部壓縮載荷的垂直管段長(zhǎng)度、管壁橫截面整體受壓縮應(yīng)力的無(wú)支撐管道長(zhǎng)度（m）。

2）局部管壁橫截面受壓時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：

3）當(dāng)管壁采用Ⅰ型和Ⅱ型層合板時(shí)，式（6.4.13-6）和式（6.4.13-7）中的軸向拉伸模量Elamx應(yīng)等于環(huán)向拉伸模量ElamΦ。

6.4.14　采用失效包絡(luò)線分析時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算在包括熱膨脹載荷的持續(xù)作用工況、不包括熱膨脹載荷的持續(xù)作用工況和偶然短時(shí)作用工況下管線各危險(xiǎn)點(diǎn)的軸向和環(huán)向應(yīng)力值，該危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)在簡(jiǎn)化失效包絡(luò)線內(nèi)。