管道切割与管道应力分析

在进行管道切割时管道应力分析之前，应当引入两个管道工程中常用的强度与刚度。那么何为强度和刚度？

为了保证管道系统或者整个管网的正常运行，保证管网中每个零部件或者构件都能够正常的工作。工程构件安全设计的任务就是保证构件具有足够的强度、刚度及稳定性。

稳定性很好理解，受力作用下保持或者恢复原来平衡形式的能力。例如承压的细终究突然弯曲，薄壁构件承重发生褶皱或者建筑物的立柱失稳导致坍塌。

而压力管道的载荷和应力大部分来自于管道内部介质的压力。而管道的载荷定义为：凡是引起管道结构产生变形的条件称为载荷。

管道的载荷是由具有不同特征的载荷产生的应力状态，对破坏的影响不同。而管道的载荷将在以后的文章中进行详细分析和分析，下面先就管道及管道构件的强度与刚度和相互影响进行说明，以便在管道切割和管道工程中容易区分开来：

1.强度

定义：管道的构件或者零部件在外力作用下，抵御破坏（断裂）或者显著变形的能力。这其中有两个关键字：“破坏断裂“和”显著变形“

举个例子来说明：你用一把钳子去剪钢材，用尽力气截不断，最后用锤子加力，结果钳子柄把断了，这就是强度不够。再比如每年的夏天在海边看海时，许多大树枝被风吹断，这也是强度不够。

强度是反映材料发生断裂等破坏时的参数，强度一般有抗拉强度，抗压强度等，就是当应力达到多少时材料发生破坏的量，强度单位一般是兆帕。

1.1破坏类型

a.脆性断裂：管道在没有明显的塑形变形情况下发生的突然断裂。如铸铁管道在使用链条式液压挤刀或片式挤刀时切管，沿刀具横截面的断裂等。

b.塑形屈服：材料产生显著的塑形变形而使管道丧失工作能力，如低碳钢管道在拉伸或扭转时都会发生显著的塑形变形。

1.2强度理论

1.2.1管道或管道构件的最大拉应力：

只要管道或管道构件内一点处的最大拉应力σ1达到单向应力状态下的极限应力σb，材料就要发生脆性断裂。管道构件的危险点处于复杂应力状态的构件发生脆性断裂破坏的条件是：σ1=σb。

那么按照第一强度理论建立的强度条件为：σ1≤[σ] 。

1.2.2管道的最大切应力：

只要管道或管道构件的最大切应力τmax达到单向应力状态下的极限切应力τ0，材料就要发生屈服破坏。τmax=τ0。

在这种条件下，依管道轴向拉伸斜截面上的应力公式可知τ0=σs/2（σs横截面上的正应力）由公式得：τmax=（σ1-σ3）/2。所以破坏条件改写为σ1-σ3=σs。

第三强度理论的强度条件为：σ1-σ3≤[σ]。

1.2.3形状改变比能理论：

只要管道或管道构件内一点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限值，材料就要发生屈服破坏。那么第四强度理论的强度条件为：sqrt(σ12+σ22+σ32-σ1σ2-σ2σ3-σ3σ1)<[σ]。

2.刚度

2.1定义：指管道或管道构件或者零件在外力作用下，抵御弹性变形或者位移的能力，即管道的弹性变形或者位移不得超过管道工程允许的范围。也就是说，在弹性范围内，刚度是管道载荷与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力。

刚度是反映结构变形与力的大小关系的参数，即结构受多大力产生多少变形的量，简单说，就是一根弹簧，拉力除以伸长量就是弹簧的刚度。刚度单位一般是N/m。

2.2弯曲刚度k按下式计算：

k=P/δ

式中 P——静载荷(N);

δ——在载荷方向的弹性变形(μm)。

2.3扭转刚度kM按下式计算：

kM=ML/θ

式中M——作用的扭矩(N·m);

L——扭矩作用处到固定端的距离(m);

θ——扭转角(°)

3.刚度与强度两者的关系

通过对上述关于强度和刚度的理论理解，相对于刚度，强度的定义针对的是外力作用下的破坏，而破坏类型的分类为塑形屈服及脆性断裂，由此会想到拉伸时的应力应变曲线。

管道在受力变形时，其曲线可分为四个阶段：

a.弹性变形阶段；

b.屈服阶段；

c.强化阶段；

d.局部颈缩阶段。

从以上的分析中可得出管道或管道构件的刚度与强度都是在于其失效阶段的测量值，而刚度可以依靠应力来测量，强度可以依靠变形来测量，在管道应变过程中刚度在前一阶段而强度在后阶段，所以在其失效的条件测量中，只要满足了刚度要求，在弹性变形阶段就可以抵抗足够的应力，而强度在这样的前提下也就满足了管道或管道构件的要求。

也就是说，在外力不大于面积×屈服强度时，钢管刚度=弹性模量×面积。

参考文献：

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2.任晋宇. 典型船舶管道支架刚度试验分析[J]. 武汉交通职业学院学报, 2015, 17(1):3.

3.潘家华等编. 油罐及管道强度设计[M]. 石油工业出版社, 1986.

4.侯洋. 在役输油管道强度分析与修复技术研究.  2014.