管道切割與管道應力分析

在進行管道切割時管道應力分析之前，應當引入兩個管道工程中常用的強度與剛度。那么何為強度和剛度？

為了保證管道系統或者整個管網的正常運行，保證管網中每個零部件或者構件都能夠正常的工作。工程構件安全設計的任務就是保證構件具有足夠的強度、剛度及穩定性。

穩定性很好理解，受力作用下保持或者恢復原來平衡形式的能力。例如承壓的細終究突然彎曲，薄壁構件承重發生褶皺或者建筑物的立柱失穩導致坍塌。

而壓力管道的載荷和應力大部分來自于管道內部介質的壓力。而管道的載荷定義為：凡是引起管道結構產生變形的條件稱為載荷。

管道的載荷是由具有不同特征的載荷產生的應力狀態，對破壞的影響不同。而管道的載荷將在以后的文章中進行詳細分析和分析，下面先就管道及管道構件的強度與剛度和相互影響進行說明，以便在管道切割和管道工程中容易區分開來：

1.強度

定義：管道的構件或者零部件在外力作用下，抵御破壞（斷裂）或者顯著變形的能力。這其中有兩個關鍵字：“破壞斷裂“和”顯著變形“

舉個例子來說明：你用一把鉗子去剪鋼材，用盡力氣截不斷，最后用錘子加力，結果鉗子柄把斷了，這就是強度不夠。再比如每年的夏天在海邊看海時，許多大樹枝被風吹斷，這也是強度不夠。

強度是反映材料發生斷裂等破壞時的參數，強度一般有抗拉強度，抗壓強度等，就是當應力達到多少時材料發生破壞的量，強度單位一般是兆帕。

1.1破壞類型

a.脆性斷裂：管道在沒有明顯的塑形變形情況下發生的突然斷裂。如鑄鐵管道在使用鏈條式液壓擠刀或片式擠刀時切管，沿刀具橫截面的斷裂等。

b.塑形屈服：材料產生顯著的塑形變形而使管道喪失工作能力，如低碳鋼管道在拉伸或扭轉時都會發生顯著的塑形變形。

1.2強度理論

1.2.1管道或管道構件的最大拉應力：

只要管道或管道構件內一點處的最大拉應力σ1達到單向應力狀態下的極限應力σb，材料就要發生脆性斷裂。管道構件的危險點處于復雜應力狀態的構件發生脆性斷裂破壞的條件是：σ1=σb。

那么按照第一強度理論建立的強度條件為：σ1≤[σ] 。

1.2.2管道的最大切應力：

只要管道或管道構件的最大切應力τmax達到單向應力狀態下的極限切應力τ0，材料就要發生屈服破壞。τmax=τ0。

在這種條件下，依管道軸向拉伸斜截面上的應力公式可知τ0=σs/2（σs橫截面上的正應力）由公式得：τmax=（σ1-σ3）/2。所以破壞條件改寫為σ1-σ3=σs。

第三強度理論的強度條件為：σ1-σ3≤[σ]。

1.2.3形狀改變比能理論：

只要管道或管道構件內一點處的形狀改變比能達到單向應力狀態下的極限值，材料就要發生屈服破壞。那么第四強度理論的強度條件為：sqrt(σ12+σ22+σ32-σ1σ2-σ2σ3-σ3σ1)<[σ]。

2.剛度

2.1定義：指管道或管道構件或者零件在外力作用下，抵御彈性變形或者位移的能力，即管道的彈性變形或者位移不得超過管道工程允許的范圍。也就是說，在彈性范圍內，剛度是管道載荷與位移成正比的比例系數，即引起單位位移所需的力。

剛度是反映結構變形與力的大小關系的參數，即結構受多大力產生多少變形的量，簡單說，就是一根彈簧，拉力除以伸長量就是彈簧的剛度。剛度單位一般是N/m。

2.2彎曲剛度k按下式計算：

k=P/δ

式中 P——靜載荷(N);

δ——在載荷方向的彈性變形(μm)。

2.3扭轉剛度kM按下式計算：

kM=ML/θ

式中M——作用的扭矩(N·m);

L——扭矩作用處到固定端的距離(m);

θ——扭轉角(°)

3.剛度與強度兩者的關系

通過對上述關于強度和剛度的理論理解，相對于剛度，強度的定義針對的是外力作用下的破壞，而破壞類型的分類為塑形屈服及脆性斷裂，由此會想到拉伸時的應力應變曲線。

管道在受力變形時，其曲線可分為四個階段：

a.彈性變形階段；

b.屈服階段；

c.強化階段；

d.局部頸縮階段。

從以上的分析中可得出管道或管道構件的剛度與強度都是在于其失效階段的測量值，而剛度可以依靠應力來測量，強度可以依靠變形來測量，在管道應變過程中剛度在前一階段而強度在后階段，所以在其失效的條件測量中，只要滿足了剛度要求，在彈性變形階段就可以抵抗足夠的應力，而強度在這樣的前提下也就滿足了管道或管道構件的要求。

也就是說，在外力不大于面積×屈服強度時，鋼管剛度=彈性模量×面積。

參考文獻：

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