CN102494195A - 一种钢结构管道及其制备和评价的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢结构管道及其制备和评价方法，所述钢结构管道材料必须满足以下条件：钢结构管道材料临界许用温差T≥钢结构管道服役环境的实际温差t；则所述钢结构管道能满足服役条件，避免管道断裂现象的发生。

Description

一种钢结构管道及其制备和评价的方法

技术领域

本发明涉及钢结构管道及其制备和评价方法，特别适用于输送频繁交变温差的介质的钢结构管道及其制备和评价方法。

背景技术

目前，对于工业现场钢结构管道的应用设计和构建时，仅充分考虑了运行介质作用于钢结构管道的应力状态(如径向、轴向载荷)，而对于现场输送介质发生的温度变化对管道产生的附加载荷则考虑较少，缺乏材料胜任于温差波动条件的数据化分析评价理论，也缺少可用于设计需求的安全约束条件的判定程序。因此，在工业实际生产过程中，由于钢结构管道内物质温度变化导致的管道断裂时有发生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是：提供一种能避免管道断裂现象的钢结构管道。

本发明所要解决的技术问题之一是：提供一种钢结构管道的制备方法，该方法制备的钢结构管道能避免管道断裂现象。

本发明所要解决的技术问题之一是：提供一种钢结构管道的评价方法，该方法能对钢结构管道进行评价，能避免管道断裂现象。

本发明为解决上述问题所采用解决方案为：

一种钢结构管道，它满足以下条件：

T＝〔σ〕_t/(E×α)≥t；

式中：

T为钢结构管道材料临界许用温差，单位为℃，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力，

t为钢结构管道服役环境的实际温差，单位为℃，

E为钢结构管道材料的弹性模量，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数。

上述方案中，钢结构管道还满足以下条件：

σ_Z＝σ₁+σ₃≤〔σ〕_t、

σ_J＝σ₂≤〔σ〕_t；

式中：

σ₁＝P×D/(4×S×φ)，

σ₂＝P×D/(2×S×φ)，

σ₃＝E×t×α，

σ_Z为钢结构管道的轴向应力，

σ_J为钢结构管道的径向应力，

P为服役时钢结构管道内部流体的最大压强，

D为钢结构管道的内径，

S为钢结构管道的壁厚，

φ为钢结构管道的焊缝比强度系数，φ的取值范围为0.6-0.95。

上述方案中，〔σ〕_t＝σ_b/n_b，；

σ_b为钢结构管道服役温度区间上限时材料的抗拉强度；

n_b为钢结构管道材料抗拉强度为基准的安全系数。

一种钢结构管道的制备方法，它包括如下步骤：

步骤一、选择钢管的步骤；

步骤二、确定步骤一选择的钢管是否满足以下条件的步骤：

T＝〔σ〕_t/(E×α)≥t；

式中：

T为钢结构管道材料临界许用温差，单位为℃，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力；

t为钢结构管道服役环境的实际温差，单位为℃，

E为钢结构管道材料的弹性模量，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数；

步骤三、步骤二的结果为：是，进行下一步骤，

或，

步骤二的结果为：否，返回步骤一；

步骤四、使用步骤一选择的钢管制备钢结构管道的步骤。

上述方案中，步骤二中的条件还包括：

σ_Z＝σ₁+σ₃≤〔σ〕_t、

σ_J＝σ₂≤〔σ〕_t；

式中：

σ₁＝P×D/(4×S×φ)，

σ₂＝P×D/(2×S×φ)，

σ₃＝E×t×α，

σ_Z为钢结构管道的轴向应力，

σ_J为钢结构管道的径向应力，

P为服役时钢结构管道内部流体的最大压强；

D为钢结构管道的内径；

S为钢结构管道的壁厚；

φ为钢结构管道的焊缝比强度系数，φ的取值范围为0.6-0.95。

上述方案中，〔σ〕t＝σ_b/n_b，；

σ_b为钢结构管道服役温度区间上限时材料的抗拉强度，

n_b为钢结构管道材料抗拉强度为基准的安全系数。

一种钢结构管道的评价方法，它包括判断钢结构管道是否满足条件的步骤；判断结果为：是，评价钢结构管道合格；判断结果为：否，评价钢结构管道不合格；判断满足的条件如下：

T＝〔σ〕_t/(E×α)≥t；

式中：

T为钢结构管道材料临界许用温差，单位为℃，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力，

t为钢结构管道服役环境的实际温差，单位为℃，

E为钢结构管道材料的弹性模量，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数。

上述方案中，判断满足的条件还包括：

σ_Z＝σ₁+σ₃≤〔σ〕_t、

σ_J＝σ₂≤〔σ〕_t；

式中：

σ₁＝P×D/(4×S×φ)，

σ₂＝P×D/(2×S×φ)，

σ₃＝E×t×α，

σ_Z为钢结构管道的轴向应力，

σ_J为钢结构管道的径向应力，

P为服役时钢结构管道内部流体的最大压强，

D为钢结构管道的内径，

S为钢结构管道的壁厚，

φ为钢结构管道的焊缝比强度系数，φ的取值范围为0.6-0.95。

上述方案中，〔σ〕_t＝σ_b/n_b，；

σ_b为钢结构管道服役温度区间上限时材料的抗拉强度；

n_b为钢结构管道材料抗拉强度为基准的安全系数。

本发明提供的技术方案，通过考虑了管道内介质温度变化的因素，从而保证了温差(温度波动)条件下钢结构管道的服役能力，可充分满足钢结构管道的服役安全，达到避免管道发生运行断裂的目的。

本发明提供的技术方案应用过程简单、迅捷，核算所需的相关参数均可由钢铁材料手册中获取，能快速制备出满足服役条件的钢结构管道。

本发明的技术方案可适用于任何钢结构管道的材料评价，特别适用于管道内介质温度波动范围较大和温差交变频繁的钢结构管道。

本发明的技术方案能使选出满足服役条件的钢结构管道，对于钢结构管道的设计，具有积极的意义。通过对钢结构管道的是否满足服役条件的核算评估，为各类工业管道的设计，提供服役安全保证。本发明中的钢结构管道能满足服役安全的要求，避免了钢结构管道的浪费，实现了节能环保，降低了成本。

附图说明

图1为本发明温差应力导致钢结构管道破坏的过程推演时管道受力示意图。

图中：1为低温状态下的钢结构管道；2为高温状态下的钢结构管道；3为钢结构管道两端固定支撑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的原理是：

依据钢结构管道材料温差性能数据化评价系统限定的约束条件，既通过对钢结构管道材料允许的最大服役温差(T)为基本参数，判定钢结构管道在实际温差区间内(t)承受由温度波动导致荷载变化的能力，以确认胜任服役条件的钢结构管道材料，达到避免钢结构管道在设定的服役状态下发生断裂事故。

同时，通过量化已经在役的个别管段的温差荷载及其累计应力强度σ值，比较钢结构管道在实际温差波动区间的最大允许使用强度〔σ〕值，判断钢结构管道安全服役的可靠程度，并在必要时提供可行的温差应力补偿方案。

如图1所示，为温差应力导致钢结构管道破坏的过程推演时管道受力示意图。温差应力导致钢结构管道破坏的过程推演如下：

(1)、在循环系统运行介质的作用下，钢结构管道由起始温度升温至t℃；

(2)、钢结构管道发生热膨胀现象；

(3)、在热膨胀作用下，钢结构管道的原始纵向长度L增长了δL；

(4)、增长的δL向钢结构管道两端延伸，自发争取存在空间；

(5)、钢结构管道延伸行为受到两端固定支撑的阻碍；

(6)、钢结构管道受到生于两端，沿纵向作用、方向对应的压应力σ；

(7)、在热膨胀和压应力的合成作用下，钢结构管道被弯曲变形为顶点向外偏离纵向轴心线的弓型；

(8)、弓型顶点的材料表层，承受钢结构管道自身逐渐增强的弯曲拉应力-σ；

(9)、钢结构管道达到最高运行温度，温差热应力(σ、-σ)达到峰值；

(10)、介质向起始温度回转，钢结构管道同步降温回复到起点温度，温差热应力渐趋于0；

(11)、运行系统进入下一波次温差循环；

(12)、历经N个波次的温差循环，弯曲顶点的钢结构管道表层出现疲劳现象，形成微观裂纹；

(13)、在应力集中作用下，裂纹尖端迅速扩张、达到钢结构管道破坏的临界尺寸；

(14)、钢结构管道瞬间形成宏观破坏。

通过破坏过程推演，可以清楚看到，交变温差条件下服役钢结构管道的破坏，其因素是介质的温度波动导致的附加应力载荷；此类载荷对于钢结构管道安全的影响，是独立于介质压强之外的载荷现象。称其为主导因素，是基于温差应力在钢结构管道承担运行的过程中，始终左右钢结构管道破坏的所有环节；在断裂破坏的演变过程中，温差应力始终作为钢结构管道系统的负面条件，起着破坏的推动作用。

某些材料构建的钢结构管道，其在温差条件下不能长期承载交变温差应力的现象，是材料本身的固有属性，属于设定服役条件下的不可调因素，是钢结构管道设计、材料选择过程需要化解或回避的因素。目前，针对温差应力导致的钢结构管道材料破坏的研究较少，常因该因素被忽略而导致钢结构管道在使用过程中遭到破坏。

对钢结构管道材料的温差性能进行评价，并结合传统的、专注常态力学性能的技术指标，进行管道材料的综合性能评价，从而实现充分满足钢结构管道安全服役的目的。

温差条件下钢结构管道材料安全应用的理论推导

设定：拟用钢结构管道的许用温差T；拟用钢结构管道的线膨胀系数α；钢结构管道固定跨距L；

求算钢结构管道的温差应变率ε：

ε＝L×T×α/L＝T×α；

得到钢结构管道的温差应变率ε＝T×α；

根据虎克定律σ＝E×ε，求算钢结构管道的温差应力：

由ε＝T×α

得到钢结构管道的温差应力σ＝E×T×α；

若拟用钢结构管道的安全许用应力为〔σ〕_t，

当温差应力σ达到钢结构管道的安全许用应力〔σ〕_t时，

有σ＝E×T×α＝〔σ〕_t；

由此，得到钢结构管道服役条件的最大温差(温度波动)允许范围T：

T＝〔σ〕_t/(E×α)；

若钢结构管道实际服役环境的温差波动范围为t，为保证选用的钢结构管道材料的服役安全，其可靠性条件为：材料的允许温差T必须大于、等于服役环境的温差波动范围t；

即有T≥t；

由此，得到钢结构管道安全许用温差的条件约束公式：

T＝〔σ〕t/(E×α)≥t

结论：

交变温差环境下服役的钢结构管道，其安全服役的可靠性要件之一，是通过钢结构管道安全许用温差的约束条件(T≥t)来保证的。

该条件约束公式的实质，是衡量在两固定支座间，对于所选择的钢结构管道，在设定的温差条件下，对于由温度波动导致的钢结构管道形变应力的胜任程度或抵抗破坏的能力。

该公式表明：

若材料T＜t，则应重新选择可胜任的钢结构管道材料，或增设温差应力的补偿条件；

若材料T≥t，则证明所选择的钢结构管道材料安全、可靠，满足服役条件。

钢结构管道的温差性能评价系统：

对于在交变温差条件下服役的钢结构管道，在对材料进行常态应力核算(后面公式③)的同时，温差因素对于材料导致的附加温差应力(后面公式②)，是设计过程中必不可少的核算内容；尤其在运行介质为低压、大波幅温差频繁波动的条件下，其温差因素对于管道材料应用安全的影响，应该视为管道系统运行可靠性的主要因素。

在本发明中，公式①做为材料对于温差条件的胜任程度，仅是材料可靠性评价的必要条件之一，要求其充分、完备的可靠性，尚需同时满足下述核算条件：

①.T＝〔σ〕_t/(E×α)≥t——钢结构管道许用温差条件约束公式

②.σ_Z＝σ1+σ3≤〔σ〕t——钢结构管道轴向应力强度校核公式

③.σ_J＝σ2≤〔σ〕t——钢结构管道径向应力强度校核公式

式中：

σ₁＝P×D/(4×S×φ)；——流体作用于钢结构管道的轴向应力。

σ₂＝P×D/(2×S×φ)；——流体作用于钢结构管道的径向应力。

σ₃＝E×t×α；——温差导致的钢结构管道轴向热应力。

其中：

P-服役时钢结构管道内部流体的最大压强(kg/cm²)，该参数通过设计要求得到；

D-服役时钢结构管道的内径(过流内径)(mm)，该参数通过流量设计得到；

S-服役时钢结构管道的壁厚(mm)，该参数通过强度设计得到；

φ-钢结构管道的焊缝比强度系数(0.6至0.95)，该参数由现场制造环境确定；

α-钢结构管道材料的线膨胀系数，该参数可由钢铁材料手册中获取；

E-钢结构管道材料的弹性模量(kg/cm²)，该参数可由钢铁材料手册中获取；

T-钢结构管道材料临界许用温差(温度波动幅度)(℃)；该参数由公式①核算确定；

t-钢结构管道服役环境的实际温差(温度波动幅度)(℃)，该参数通过设计要求得到；

〔σ〕_t-钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力(kg/cm²)；

〔σ〕t可以由钢铁材料手册中获取，也可以通过：公式〔σ〕t＝σ_b/n_b，得到；

σ_b为钢结构管道服役温度区间上限时材料的抗拉强度，

n_b以钢结构管道材料抗拉强度为基准的安全系数。

实施例1

一种钢结构管道，该钢结构管道满足以下条件：

(1)钢结构管道的径向应力σ_J≤钢结构管道的许用应力〔σ〕_t；

其中：

σ_J＝σ₂，

σ₂＝P×D/(2×S×φ)，

〔σ〕_t＝σ_b/n_b，；

公式中符号含义：

σ_J为钢结构管道的径向应力，

σ₂为流体对钢结构管道的径向应力，

D为服役时钢结构管道的过流内径，

S为服役时钢结构管道的壁厚，

Φ为钢结构管道的焊缝比强度系数，φ的取值范围为0.6-0.95。，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力(kg/cm²)，

σ_b为钢结构管道服役温度区间上限时材料的抗拉强度(kg/cm²)，

n_b为钢结构管道材料抗拉强度为基准的安全系数；

(2)所述钢结构管道材料临界许用温差T≥钢结构管道服役环境的实际温差t；

其中：

T＝〔σ〕_t/(E×α)；

〔σ〕_t＝σ_b/n_b，；

公式中符号含义：

T为钢结构管道材料临界许用温差(℃)，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力(kg/cm²)，

t为钢结构管道服役环境的实际温差(℃)，

E为钢结构管道材料的弹性模量(kg/cm²)，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数，

σ_b为钢结构管道服役温度区间上限时材料的抗拉强度(kg/cm²)，

n_b为钢结构管道材料抗拉强度为基准的安全系数。

实施例2

一种钢结构管道，该钢结构管道满足以下条件：

(1)钢结构管道的径向应力σ_J≤钢结构管道的许用应力〔σ〕_t；

其中：

σ_J＝σ₂，

σ₂＝P×D/(2×S×φ)，

〔σ〕_t＝σ_b/n_b，；

公式中符号含义：

σ_J为钢结构管道的径向应力，

σ₂为流体对钢结构管道的径向应力，

D为服役时钢结构管道的过流内径，

S为服役时钢结构管道的壁厚，

Φ为钢结构管道的焊缝比强度系数，φ的取值范围为0.6-0.95，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力(kg/cm²)，

σ_b为钢结构管道服役温度区间上限时材料的抗拉强度(kg/cm²)，

n_b为钢结构管道材料抗拉强度为基准的安全系数；

(2)所述钢结构管道材料临界许用温差T≥钢结构管道服役环境的实际温差t；

其中：

T＝〔σ〕_t/(E×α)；

〔σ〕_t＝σ_b/n_b，；

公式中符号含义：

T为钢结构管道材料临界许用温差(℃)，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力(kg/cm²)，

t为钢结构管道服役环境的实际温差(℃)，

E为钢结构管道材料的弹性模量(kg/cm²)，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数，

σ_b为钢结构管道服役温度区间上限时材料的抗拉强度(kg/cm²)，

n_b为钢结构管道材料抗拉强度为基准的安全系数。

(3)所述的钢结构管道的轴向应力σ_Z≤钢结构管道的许用应力〔σ〕_t；

其中：

σ_Z＝σ₁+σ₃；

σ₁＝P×D/(4×S×φ)；

σ₃＝E×t×α；

公式中符号含义：

σ_Z为钢结构管道的轴向应力，

σ₁为流体对钢结构管道的轴向应力，

σ₃为温差导致的钢结构管道轴向热应力，

P为服役时钢结构管道内部流体的最大压强，

D为服役时钢结构管道的过流内径，

S为服役时钢结构管道的壁厚，

Φ为钢结构管道的焊缝比强度系数，φ的取值范围为0.6-0.95，

t为钢结构管道服役环境的实际温差(℃)，

E为钢结构管道材料的弹性模量(kg/cm²)，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数。

该钢结构管道安全可靠，可长期安全服役。

实施例3

一种钢结构管道，该钢结构管道满足以下条件：

(1)所述的钢结构管道的轴向应力σ_Z≤钢结构管道的许用应力〔σ〕_t；

其中：

σ_Z＝σ₁+σ₃；

σ₁＝P×D/(4×S×φ)；

σ₃＝E×t×α；

公式中符号含义：

σ_Z为钢结构管道的轴向应力，

σ₁为流体对钢结构管道的轴向应力，

σ₃为温差导致的钢结构管道轴向热应力，

P为服役时钢结构管道内部流体的最大压强，

D为服役时钢结构管道的过流内径，

S为服役时钢结构管道的壁厚，

Φ为钢结构管道的焊缝比强度系数，φ的取值范围为0.6-0.95，

t为钢结构管道服役环境的实际温差(℃)，

E为钢结构管道材料的弹性模量(kg/cm²)，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数；

(2)

所述钢结构管道材料临界许用温差T≥钢结构管道服役环境的实际温差t；

其中：

T＝〔σ〕_t/(E×α)；

〔σ〕_t＝σ_b/n_b，；

公式中符号含义：

T为钢结构管道材料临界许用温差(℃)，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力(kg/cm²)，

t为钢结构管道服役环境的实际温差(℃)，

E为钢结构管道材料的弹性模量(kg/cm²)，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数，

σ_b为钢结构管道服役温度区间上限时材料的抗拉强度(kg/cm²)，

n_b为钢结构管道材料抗拉强度为基准的安全系数。

实施例4

一种钢结构管道的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

步骤一、选择钢管的步骤；

步骤二、确定步骤一选择的钢管是否满足以下条件的步骤：

T＝〔σ〕_t/(E×α)≥t；

式中：

T为钢结构管道材料临界许用温差，单位为℃，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力；

t为钢结构管道服役温差，单位为℃，

E为钢结构管道材料的弹性模量，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数；

步骤三、步骤二的结果为：是，进行下一步骤，

或，

步骤二的结果为：否，返回步骤一；

步骤四、使用步骤一选择的钢管制备钢结构管道的步骤，它包括焊接和安装工艺。

实施例5

一种钢结构管道的制备方法，它包括如下步骤：

步骤一、选择钢管的步骤；

步骤二、确定步骤一选择的钢管是否同时满足以下条件的步骤：

T＝〔σ〕_t/(E×α)≥t；

σ_Z＝σ₁+σ₃≤〔σ〕_t，

σ_J＝σ₂≤〔σ〕_t；

式中：

T为钢结构管道材料临界许用温差，单位为℃，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力；

t为钢结构管道服役环境的实际温差，单位为℃，

E为钢结构管道材料的弹性模量，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数，

σ₁＝P×D/(4×S×φ)，

σ₂＝P×D/(2×S×φ)，

σ₃＝E×t×α，

σ_Z为钢结构管道的轴向应力，

σ_J为钢结构管道的径向应力，

P为服役时钢结构管道内部流体的最大压强，

D为服役时钢结构管道的过流内径，

S为服役时钢结构管道的壁厚，

Φ为钢结构管道的焊缝比强度系数，φ的取值范围为0.6-0.95。

步骤三、步骤二的结果为：是，进行下一步骤，

或，

步骤二的结果为：否，返回步骤一；

步骤四、使用步骤一选择的钢管制备钢结构管道的步骤。

实施例6

一种钢结构管道的性能评价方法，它包括判断钢结构管道是否满足条件的步骤；判断结果为：是，评价钢结构管道合格；判断结果为：否，评价钢结构管道不合格；判断满足的条件如下：

T＝〔σ〕_t/(E×α)≥t、

σ_Z＝σ₁+σ₃≤〔σ〕_t、

σ_J＝σ₂≤〔σ〕_t；

式中：

T为钢结构管道材料临界许用温差，单位为℃，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力，

t为钢结构管道服役环境的实际温差，单位为℃，

E为钢结构管道材料的弹性模量，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数。

σ₁＝P×D/(4×S×φ)，

σ₂＝P×D/(2×S×φ)，

σ₃＝E×t×α，

σ_Z为钢结构管道的轴向应力，

σ_J为钢结构管道的径向应力，

P为服役时钢结构管道内部流体的最大压强，

D为钢结构管道的内径，

S为钢结构管道的壁厚，

φ为钢结构管道的焊缝比强度系数，φ的取值范围为0.6-0.95。

〔σ〕_t＝σ_b/n_b，；

σ_b为钢结构管道服役温度区间上限时材料的抗拉强度；

n_b为钢结构管道材料抗拉强度为基准的安全系数。

在钢结构管道满足的全部条件，则所述钢结构管道安全可靠，在设定条件下可长期安全服役。

在钢结构管道满足径向应力强度，而不满足温度约束条件和轴向应力强度时，则所述钢结构管道安全服役的影响因素为温差应力，通过对固定支点间的直管段设置必要的应力补偿元件，则能化解轴向温差应力。

在钢结构管道满足温差条件约束，而不满足径向应力强度或轴向应力强度时，则所述钢结构管道安全服役的影响因素为运行介质的静压强，必须重新选择钢结构管道。

为了更具有说服力，下面列表说明。

表1

表2

根据表1和表2，某厂高炉使用的钢结构管道，管道径600mm，温度波动范围为60℃左右，温度波动范围为环境温度至介质最高温度(90℃)，波动频次为8个波次/天，4年间频繁爆裂，该钢结构管道不能保证了温差(温度波动)条件下的服役能力，不能避免管道断裂现象。

作为钢结构管道的制备方法，表1和表2显示，该钢管不能用于生产温差(温度波动)条件下的钢结构管道，需重新设计。

作为现役钢结构管道的评价方法，表1和表2显示，核算结果满足公式③：表明钢结构管道胜任介质的压强应力。不满足公式①、②：表明影响钢结构管道安全服役的因素为温差应力；评价结果不合格，但具备调整的可行性，可通过对固定支点间的管段设置必要的应力补偿元件，达到化解轴向温差应力的作用。

表3

表4

根据表3和表4，某厂高炉使用的钢结构管道，管道径1000mm，温度波动范围为60℃左右，温度波动范围为环境温度至介质最高温度(90℃)，波动频次为8个波次/天，4年间频繁爆裂，该钢结构管道不能保证了温差(温度波动)条件下的服役能力，不能避免管道断裂现象。

作为钢结构管道的制备方法，表1和表2显示，该钢管不能用于生产温差(温度波动大)条件下的钢结构管道。

作为现役钢结构管道的评价方法，表1和表2显示，核算结果满足公式③：表明钢结构管道胜任介质的压强应力。不满足公式①、②：表明影响钢结构管道安全服役的因素为温差应力；评价结果不合格，但具备调整的可行性，可通过对固定支点间的管段设置必要的应力补偿元件，达到化解轴向温差应力的作用。

表5

表6

根据表5和表6，核算结果全部满足公式①、②、③约束条件；该钢结构管道基本胜任设定条件下的安全服役能力；但温差波动裕量较窄，需控制波动幅度。

作为钢结构管道的制备方法，该钢管能用于生产温差(温度波动)条件下的钢结构管道。

作为现役钢结构管道的评价方法，评价结果合格。

表7

表8

根据表7和表8，核算结果全部满足公式①、②、③约束条件；该钢结构管道充分胜任设定条件下的长期安全服役能力。

表9

表10

根据表9和表10，核算结果全部满足公式①、②、③约束条件；该钢结构管道充分胜任设定条件下的长期安全服役能力。

表11

表12

根据表11和表12，核算结果满足公式①、③约束条件，不满足公式②；表明该钢结构管道的主要荷载来自温差热应力，现役钢结构管道需设置必要应力补偿装置。

表13

表14

根据表13和表14，核算结果满足公式①；不满足公式②、③的约束条件，表明该钢结构管道的主要荷载来自流体介质的运行应力；作为钢结构管道的制备方法，需重新选择钢管，如增加管道壁厚或重新更换胜任的管道材质。

Claims (9)

1.一种钢结构管道，其特征在于：它满足以下条件：

T＝〔σ〕_t/(E×α)≥t；

式中：

T为钢结构管道材料临界许用温差，单位为℃，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力，

t为钢结构管道服役环境的实际温差，单位为℃，

E为钢结构管道材料的弹性模量，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数。

2.如权利要求1所述的钢结构管道，其特征在于：它还满足以下条件：

σ_Z＝σ₁+σ₃≤〔σ〕_t、

σ_J＝σ₂≤〔σ〕_t；

式中：

σ₁＝P×D/(4×S×φ)，

σ₂＝P×D/(2×S×φ)，

σ₃＝E×t×α，

σ_Z为钢结构管道的轴向应力，

σ_J为钢结构管道的径向应力，

P为服役时钢结构管道内部流体的最大压强，

D为钢结构管道的内径，

S为钢结构管道的壁厚，

φ为钢结构管道的焊缝比强度系数，φ的取值范围为0.6-0.95。

3.如权利要求1或2所述的钢结构管道，其特征在于：

〔σ〕_t＝σ_b/n_b，；

σ_b为钢结构管道服役温度区间上限时材料的抗拉强度；

n_b为钢结构管道材料抗拉强度为基准的安全系数。

4.一种钢结构管道的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：

步骤一、选择钢管的步骤；

步骤二、确定步骤一选择的钢管是否满足以下条件的步骤：

T＝〔σ〕_t/(E×α)≥t；

式中：

T为钢结构管道材料临界许用温差，单位为℃，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力；

t为钢结构管道服役环境的实际温差，单位为℃，

E为钢结构管道材料的弹性模量，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数；

步骤三、步骤二的结果为：是，进行下一步骤，

或，

步骤二的结果为：否，返回步骤一；

步骤四、使用步骤一选择的钢管制备钢结构管道的步骤。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤二中的条件还包括：

σ_Z＝σ₁+σ₃≤〔σ〕_t、

σ_J＝σ₂≤〔σ〕_t；

式中：

σ₁＝P×D/(4×S×φ)，

σ₂＝P×D/(2×S×φ)，

σ₃＝E×t×α，

σ_Z为钢结构管道的轴向应力，

σ_J为钢结构管道的径向应力，

P为服役时钢结构管道内部流体的最大压强；

D为钢结构管道的内径；

S为钢结构管道的壁厚；

φ为钢结构管道的焊缝比强度系数，φ的取值范围为0.6-0.95。

6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：

〔σ〕t＝σ_b/n_b，；

σ_b为钢结构管道服役温度区间上限时材料的抗拉强度，

n_b为钢结构管道材料抗拉强度为基准的安全系数。

7.一种钢结构管道的评价方法，其特征在于：它包括判断钢结构管道是否满足条件的步骤；判断结果为：是，评价钢结构管道合格；判断结果为：否，评价钢结构管道不合格；判断满足的条件如下：

T＝〔σ〕_t/(E×α)≥t；

式中：

T为钢结构管道材料临界许用温差，单位为℃，

〔σ〕_t为钢结构管道服役温度区间上限时的材料安全许用应力，

t为钢结构管道服役环境的实际温差，单位为℃，

E为钢结构管道材料的弹性模量，

α为钢结构管道材料的线膨胀系数。

8.如权利要求7所述的评价方法，其特征在于：判断满足的条件还包括：

σ_Z＝σ₁+σ₃≤〔σ〕_t、

σ_J＝σ₂≤〔σ〕_t；

式中：

σ₁＝P×D/(4×S×φ)，

σ₂＝P×D/(2×S×φ)，

σ₃＝E×t×α，

σ_Z为钢结构管道的轴向应力，

σ_J为钢结构管道的径向应力，

P为服役时钢结构管道内部流体的最大压强，

D为钢结构管道的内径，

S为钢结构管道的壁厚，

φ为钢结构管道的焊缝比强度系数，φ的取值范围为0.6-0.95。

9.如权利要求7或8所述的评价方法，其特征在于：

〔σ〕_t＝σ_b/n_b，；

σ_b为钢结构管道服役温度区间上限时材料的抗拉强度；

n_b为钢结构管道材料抗拉强度为基准的安全系数。

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