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1、管道基础知识本讲稿第一页，共二十二页n n管道按照铺设位置分为：地下管道、地上管道、海底管管道按照铺设位置分为：地下管道、地上管道、海底管道。道。n n在油库和炼油厂中的输油管道，常设置在地面管架上和在油库和炼油厂中的输油管道，常设置在地面管架上和地下管沟中。地下管沟中。n n地上敷设的优点有：不影响土壤环境，且不受地下水位的影响，检修方便，发现和清除事故容易。n n缺点是：管道直接设置在空气中，对于非常温管增加了缺点是：管道直接设置在空气中，对于非常温管增加了热冷温度的损失，限制了通道的高度，不美观。热冷温度的损失，限制了通道的高度，不美观。本讲稿第二页，共二十二页n n油气储运管道多处于高
2、压状态，有的管道还要处于高温状态。油气为易燃易爆物质，并存在氢腐蚀等问题。n n长距离、大管径、高压力、薄管壁现已成为油气输送管长距离、大管径、高压力、薄管壁现已成为油气输送管道发展的方向。为了减少钢材的消耗和节省投资，获得道发展的方向。为了减少钢材的消耗和节省投资，获得最佳的经济效益，就要求提高管材强度；对高强度薄管最佳的经济效益，就要求提高管材强度；对高强度薄管壁管道，为防止断裂事故发生，则要求管材有较好的韧壁管道，为防止断裂事故发生，则要求管材有较好的韧性；良好的可焊性保证管道制管和焊接质量的基本条件。性；良好的可焊性保证管道制管和焊接质量的基本条件。本讲稿第三页，共二十二页管道材料选择
3、n n三项最基本的质量控制指标：强度、韧性、可焊性 本讲稿第四页，共二十二页强度n n强度强度n n强度就是指钢管产品的“公称最低屈服强度（SMYS）”其指标包括屈服极限（屈服点）、屈服强度和抗拉强度n n选用高强钢无疑可获得一定的经济效益，但国外一些资料建议，为了提高管道的抗断裂及抗疲劳性能和大口径管道的稳定性，适当增加壁厚和相应的屈服比应给予重视本讲稿第五页，共二十二页n n举例n n1950年 美国TRANSWERSTERN公司有一条管径782MM的管道在试压时断裂，长度达13KM据美国统计1970-1975的六年间操作管线发生2459次事故。新管道试压时发生1389次事故。本讲稿第六页
4、，共二十二页韧性n n二、韧性二、韧性二、韧性二、韧性n n韧性是指管材塑性变形和断裂全过程中吸收的能量，其主要指标韧性是指管材塑性变形和断裂全过程中吸收的能量，其主要指标包括断后伸长率、断面收缩率、冲击韧性和硬度包括断后伸长率、断面收缩率、冲击韧性和硬度n n油气管道的断裂大多属于管材或焊缝中裂纹（缺陷）的扩张超油气管道的断裂大多属于管材或焊缝中裂纹（缺陷）的扩张超过临界裂纹长度所引起的。油气管道在应力作用下，裂纹扩张过临界裂纹长度所引起的。油气管道在应力作用下，裂纹扩张可产生两种不同性质的断裂形式，一种是延性断裂，另一种是可产生两种不同性质的断裂形式，一种是延性断裂，另一种是脆性断裂脆性断
5、裂n n管壁温度接近或低于材料的韧脆转变温度，则产生延性断裂管壁温度接近或低于材料的韧脆转变温度，则产生延性断裂n n反之为脆性断裂反之为脆性断裂 原因有：钢材中含有害的化学成分、应力集原因有：钢材中含有害的化学成分、应力集中、加工硬化、低温以及焊接区域结晶组织的改变等。中、加工硬化、低温以及焊接区域结晶组织的改变等。n n在钢材冶炼过程中添加铌、钛等增强合金元素，采用控制轧钢工艺，在钢材冶炼过程中添加铌、钛等增强合金元素，采用控制轧钢工艺，是改善管材韧性的有效途径是改善管材韧性的有效途径本讲稿第七页，共二十二页n n根据对管材韧性的研究，人民得出以下结论：根据对管材韧性的研究，人民得出以下结
6、论：n n 管径越大、管壁越厚、则管道的抗断裂性能越好管径越大、管壁越厚、则管道的抗断裂性能越好n n 管材的冲击韧性在一定范围内，冲击韧性越高，抗缺陷能力越管材的冲击韧性在一定范围内，冲击韧性越高，抗缺陷能力越高当管材的冲击韧性高到某一确定值时，韧性的提高对管材的抗高当管材的冲击韧性高到某一确定值时，韧性的提高对管材的抗断裂性能不产生明显影响断裂性能不产生明显影响n n钢管在韧性指标应满足以下条件钢管在韧性指标应满足以下条件n nA A 在最低操作温度下，落锤试验（在最低操作温度下，落锤试验（DWTTDWTT）的剪切面积）的剪切面积SA85%,SA85%,管线一般不会发生脆性失稳扩张管线一般
7、不会发生脆性失稳扩张n nB B 在最低操作温度下，油管道的夏比冲击功（做夏比在最低操作温度下，油管道的夏比冲击功（做夏比V V形缺形缺口冲击试验）在口冲击试验）在0.1SMSY0.1SMSY以上，气管道在以上，气管道在0.125SMYSJ0.125SMYSJ以上，以上，则可控制延性失稳断裂则可控制延性失稳断裂本讲稿第八页，共二十二页可焊性n n可焊性是指金属材料在一定的焊接工艺条件下，施焊获得优质焊缝接头的难易程度。n n影响可焊性的因素很多，但主要取决于材料的化学成分、纯洁度和轧制工艺。现代冶金通过加入有益的微量合金元素，冶炼脱出有害杂质，提高金属的纯净度，采用新的轧制工艺等方法本讲稿第九
8、页，共二十二页管材的要求n n较之一致的看法是要求管材的强度高，韧性高，具有良好的焊接性、抗断裂性抗疲劳性和耐浊性；同时，要求钢管管体尺寸精度高，易于加工和安装，并且成本低本讲稿第十页，共二十二页管道器材的分类n n压力管道按其用途分为压力管道按其用途分为3 3种种n nGA：长输管道：长输管道n n指产地、储存库、用户间的用于输送商品介质的管道如油气长输管道n nGB:GB:公用管道n n指市政公共设施管道如燃气管道和热力管道n nGC:工业管道工业管道n n指企业内部的工艺管道指企业内部的工艺管道本讲稿第十一页，共二十二页钢管的尺寸系列n n1 管的公称直径（DN）系列n n公称直接是用以
9、表示管道系统组件规格的一个尺寸数字。在一般情况下，是一个完整的数字，与组件的真实尺寸接近，但不相等。国际上通常把钢管的公称尺寸称为公称直径而不称为公称通径本讲稿第十二页，共二十二页n n2 管的外径系列n n根据钢管的生产工艺的特点，钢管产品是按外径壁厚系列组织生产的。本讲稿第十三页，共二十二页n n了解了对管道材料的要求下面来了解管道厚度设计方面基础知识本讲稿第十四页，共二十二页管道许用应力计算n n管道的许用应力按下式计算n n式中 -许用应力n nK-强度设计系数(设计系数由设计规范确定，它反映具体管段的运行特性、可能出现的破坏后果、检修的难度、安全和环保要求等。)n n -焊缝系数n
10、n -钢管的最低屈服强度本讲稿第十五页，共二十二页管道厚度设计管道厚度设计n n管道的壁厚由环向应力公式并遵循有关规范或标准确定，按照我国输油管道工程设计规范（GB50253-2003）中规定，输油管道直管段的设计公式如下：n n 壁厚，mn nP设计压力，mpan nD外径，mn n 输油管道的许用应力本讲稿第十六页，共二十二页 n n真正管道壁厚设计时前面介绍的远远达不到要求，要考虑的因素很多。下面给大家介绍大家比较关心的管道随着时间会出现的一些问题！本讲稿第十七页，共二十二页轴向应力和变形轴向应力和变形n n轴向应力产生的原因是温度变化和环向应力的泊松效应。温度变化等因素的轴向应力产生的
11、原因是温度变化和环向应力的泊松效应。温度变化等因素的变化的作用将使管道产生不可忽视的轴向变形。变化的作用将使管道产生不可忽视的轴向变形。n n热应力热应力n n物体一般都有热胀冷缩的性质，管道也不例外。当温度升高时管道要伸物体一般都有热胀冷缩的性质，管道也不例外。当温度升高时管道要伸长，在温度下降时管道要缩短。显然，如果温度变化时管道能够自由伸长，在温度下降时管道要缩短。显然，如果温度变化时管道能够自由伸缩，管道将不受力。当管道到某种约束时，它不能自由伸缩或伸缩受到缩，管道将不受力。当管道到某种约束时，它不能自由伸缩或伸缩受到一定限制，管道就要受力一定限制，管道就要受力 。在管道中由于温度变化
12、产生的应力，称为管。在管道中由于温度变化产生的应力，称为管道热应力。道热应力。n n管道出现温度变化的主要原因是：管道在敷设施工时的温度由外部气温决定，而在运管道出现温度变化的主要原因是：管道在敷设施工时的温度由外部气温决定，而在运行过程中则由输送产品的温度决定，两者之间必然存在误差，不可避免地在管道运行行过程中则由输送产品的温度决定，两者之间必然存在误差，不可避免地在管道运行过程中产生应力或伸缩变形。管道工作温度高于按照温度时，热应力为压应力；管道过程中产生应力或伸缩变形。管道工作温度高于按照温度时，热应力为压应力；管道工作温度低于按照温度时热应力为拉应力。工作温度低于按照温度时热应力为拉应
13、力。本讲稿第十八页，共二十二页n n设一直管两端被固定，管段长度为L，横截面积为A，弹性模量为E，管道的温度变化为t，管材的线膨胀系数为a。n n如果管道能自由伸缩，则伸长量为n nLt=aLt本讲稿第十九页，共二十二页管道振动问题管道振动问题n n管道振动问题管道振动问题管道振动问题管道振动问题n n管道振动会引起管道和管架的疲劳损坏。诱发建筑物振动以及噪声等。因此管道振动会引起管道和管架的疲劳损坏。诱发建筑物振动以及噪声等。因此管道设计时要考虑防止或控制管线发生振动。管道设计时要考虑防止或控制管线发生振动。管道振动的原因管道振动的原因n n流体脉动是往复式机泵进出口管道振动的主要原因。由于
14、旺夫式泵的工作特点是吸流体脉动是往复式机泵进出口管道振动的主要原因。由于旺夫式泵的工作特点是吸排流体呈间歇性和周期性。因此不可避免地要激起管内流体呈脉动状态，致使管内流排流体呈间歇性和周期性。因此不可避免地要激起管内流体呈脉动状态，致使管内流体参数（例如压力、温度、密度等）随位置变化，又随时间作周期性变化。这种现象体参数（例如压力、温度、密度等）随位置变化，又随时间作周期性变化。这种现象对于气体压缩机管道为气流脉动，对往复泵称为液流脉动对于气体压缩机管道为气流脉动，对往复泵称为液流脉动n n 共振共振 管道与内部流体构成的系统具有一系列固有频率。当往复式机泵激管道与内部流体构成的系统具有一系列
15、固有频率。当往复式机泵激起频率与某阶固有频率相等时，系统即产生对应于该阶频率的共振。共振时起频率与某阶固有频率相等时，系统即产生对应于该阶频率的共振。共振时管道将产生大的位移和应力，管内流体的脉动达到最大值管道将产生大的位移和应力，管内流体的脉动达到最大值n n机泵本身的振动机泵本身的振动本讲稿第二十页，共二十二页管道的屈服分析管道的屈服分析n n管道的屈服分析管道的屈服分析n n屈服也称为失稳，是结构丧失承载能力的一种方式，它是结构丧失了保持其平衡状态的能力。由于管道的薄壁，细长的结构特性，在其受力和变形条件稍有恶化时，容易造成屈曲破坏。管道产生屈曲的原因，通常有外压作用下的弹性失稳，机械作用或管道本身缺陷造成的局部屈曲，弯曲屈曲和像“压杆”一样的纵向屈曲等。管道的屈曲破坏可以发生在管道的按照期间，也可以在运行期间发生本讲稿第二十一页，共二十二页n n管道的屈曲有两种情况：n n一、集中荷载作用下的管道局部失稳n n二、外压作用管道屈曲本讲稿第二十二页，共二十二页