压力管道结构有限元分析及安全技术序言

压力管道是生产、生活中广泛使用的可能引起爆炸或中毒等危险性较大的特种设备。压力管道分布极广，凡是流体输送的场合一般都用压力管道。石油、天然气的长距离输送，城镇燃气和公用动力蒸汽的输送，各种石油、化工工业生产装置等都使用大量管道。确保压力管道安全使用，对保障人民生命和国家财产的安全具有特殊的意义。有限元法是随着计算机技术的进步而被广泛应用到工程上的一种分析方法，大型通用有限元分析软件的出现和高性能计算机的普及极大地促进了有限元法在工程上的应用，有限元法能对几乎所有的工程问题进行分析，并得到比较准确的结果。在已经出版的大量介绍有限元分析软件使用方法的资料或书籍中将有限元理论、软件使用、结构分析与评价等内容有机地结合起来，面向工程应用的书籍尚不多见，而实际分析工作中显然涉及这些内容。随着技术的进步，对压力管道的安全监察要求越来越高，对压力管道使用过程中出现的各种缺陷及失效形式需要从不同的角度进行解释和判断。

本书中所举的案例全都是压力管道或与压力管道相关的例子，同时本书对压力管道安全技术方面的内容也进行了比较全面的阐述。有限元法作为一种通用的工具，本书中采用的有限元分析法也可以应用到其他工程领域。本书对有限元分析过程有非常详细的介绍和分析，非常适合技术人员学习有限元软件的使用。

本书采用理论分析与软件分析相结合的方法对涉及压力管道的问题的分析方法进行了详细的介绍。本书使用了ABAQUS软件和ANSYS Workbench 13.0软件，对压力管道进行了线性静力分析、热应力分析、流固耦合分析、动态分析，同时结合压力管道的事故案例用有限元法对事故产生原因进行了分析，为避免类似事故的发生提供依据。

鉴于编者水平所限，不足之处在所难免，恳请读者批评指正。

编者2100433B

第1章压力管道概况1

1.1国内外压力管道的安全形势及监察体系1

1.1.1国内压力管道安全形势1

1.1.2压力管道安全监察体制及工作特点3

1.2压力管道的监察范围及分类、构成7

1.2.1压力管道的安全管理与监察范围7

1.2.2压力管道的分类7

1.2.3压力管道的构成9

1.3压管道安全技术的现状及展望13

1.3.1压力管道安全技术现状13

1.3.2压力管道安全技术展望21

第2章有限元概述及在压力管道方面的应用23

2.1有限元概述23

2.1.1有限元的基本概念23

2.1.2ANSYS有限元软件简介25

2.1.3ABAQUS有限元软件简介26

2.2有限元的基础理论28

2.2.1结构静力学问题的有限元法28

2.2.2结构动力学问题有限元方法37

2.2.3结构非线性有限元法39

2.2.4热传导问题有限元法43

2.2.5流体力学分析有限元法50

第3章压力管道的强度及应力分析55

3.1压力管道的载荷和应力分类55

3.1.1载荷55

3.1.2应力分类55

3.1.3一般压力管道应力需用值的限定56

3.2压力管道的强度分析58

3.3压力管道强度有限元分析实例63

3.3.1弯管的有限元强度分析63

3.3.2三通强度有限元分析71

3.3.3斜接弯管强度有限元72

3.3.4异径管强度有限元分析73

3.3.5不同单元性能的比较74

第4章压力管道振动分析76

4.1压力管道的振源分析及振动类型76

4.2往复式机械进、出口管道的振动分析77

4.2.1平面波动理论78

4.2.2转移矩阵79

4.2.3气柱固有频率与共振管长81

4.2.4气流脉动83

4.2.5管道的固有频率与减振85

4.3管道的动态分析实例87

4.3.1管系的频率提取分析87

4.3.2管系瞬时模态动态分析94

第5章压力管道焊缝的残余应力分析100

5.1焊缝残余应力的分布100

5.1.1横向应力100

5.1.2纵向应力101

5.1.3厚板中的残余应力102

5.1.4圆筒纵焊缝、环焊缝中的残余应力104

5.2残余应力对管道的影响105

5.2.1残余应力对疲劳特性的影响106

5.2.2焊接残余应力对结构刚度的影响108

5.2.3焊接残余应力对静载强度的影响110

5.2.4焊接残余应力对应力腐蚀开裂的影响110

5.2.5焊接残余应力的消除112

5.3焊接残余应力的有限元分析114

5.3.1问题描述114

5.3.2模型的创建115

5.3.3定义材料、截面属性和装配件116

5.3.4设置分析步117

5.3.5定义温度场117

5.3.6定义边界条件117

5.3.7网格划分118

5.3.8提交分析作业119

5.3.9后处理120

第6章压力管道的流体动力学分析122

6.1流体动力学基础122

6.1.1理想流体运动的微分方程122

6.1.2质量守恒方程123

6.1.3动量守恒方程124

6.1.4能量守恒方程124

6.1.5湍流模型124

6.2流体动力学分析的流程125

6.3基于Fluent的弯管的流体动力学分析126

6.3.1问题描述126

6.3.2启动Workbench并建立分析项目（Fluent）126

6.3.3导入几何体127

6.3.4划分网格128

6.3.5网格检查与处理133

6.3.6设置物理模型和材料135

6.3.7设置操作环境与边界条件136

6.3.8设置求解方法和控制参数138

6.3.9设置监视窗口和初始化139

6.3.10求解和退出141

6.3.11计算结果的后处理142

6.3.12保存与退出146

6.4基于CFX的弯管流体动力学分析147

6.4.1建立分析项目（CFX）147

6.4.2划分网格（CFX）148

6.4.3设置网格分析类型149

6.4.4设置流体域参数150

6.4.5设置边界条件152

6.4.6设置求解器154

6.4.7设置输出控制155

6.4.8运行求解器157

6.4.9计算结果的后处理157

6.4.10保存与退出157

第7章压力管道的事故分析160

7.1压力管道的破坏形式160

7.1.1压力管道破坏形式的分类160

7.1.2压力管道破坏的分析方法160

7.2几种常见压力管道破坏形式的破坏过程161

7.2.1韧性破坏161

7.2.2脆性破坏164

7.2.3腐蚀破坏166

7.2.4疲劳破坏171

7.2.5蠕变破坏173

7.3压力管道的事故分析174

7.3.1事故的现场处理175

7.3.2技术检验和鉴定176

7.3.3事故综合分析177

7.4事故案例有限元分析180

7.4.1埋地天然气管道断裂故障诊断分析180

7.4.2循环流化床锅炉过热器爆管诊断分析184

第8章在用压力管道的安全管理和定期检验188

8.1压力管道安全管理的工作要点及主要措施188

8.1.1压力管道管理机构与职责188

8.1.2压力管道的档案管理190

8.1.3压力管道状况分析和参数的统计191

8.2压力管道的定期检验191

8.3压力管道的检验方法193

8.3.1资料审查194

8.3.2宏观检查194

8.3.3测厚检验194

8.3.4无损检测195

8.4压力管道的定期检验方案优化及修理后检验199

8.4.1压力管道的定期检验方案优化199

8.4.2压力管道的修理后检验201

8.4.3压力管道未焊透缺陷安全评定202

8.4.4压力管道腐蚀减薄后的评价204

8.5公用管道的检验205

8.5.1公用管道年度检验的项目与要求205

8.5.2公用管道全面检验的项目和要求206

8.5.3管道内检测209

参考文献210

实用性强，所举的案例都是实际生产中的真实案例，有典型代表性。

第1章 压力管道概况

1.1 国内外压力管道安全形势

1.2 国内外压力管道安全监察体和系简况

1.3 压力管道的基本术语

1.4 压力管道的监察范围及分类、构成

1.5 压力管道安全技术现状及展望

思考题

参考资料

第2章 压力管道强度及应力分析

2.1 压力管道的载何和应力分类

2.2 压力管道的强度计算

2.3 压力管道的热应力分析

2.4 管系的柔性计算和应力验算

2.5 压力管道的补偿器类型及选用

2.6 压力管道的支吊架类型及选用

思考题

参考资料

第3章 压力管道振动分析

3.1 压力管道振分析

3.2 两相流与管道振动

3.3 液击与管道振动

3.4 地震与管道振动

3.5 地震与管道振动

思考题

参考资料

第4章 压力管道的腐蚀与防护

4.1 概述

4.2 压力管道腐蚀的主要形式及机理

4.3 压管道防腐蚀设计

4.4 压力管道防腐蚀技术

思考题

参考资料

第5章 压力管道设计

5.1 概述

5.2 压力管道总体布置及安全规程

5.3 压力管道常用管子材选用原则

5.4 压力管道常用阀门选用原则

5.5 压力管道附属设施选用

5.6 压力管道的隔热设计

5.7 压力管道的伴热设计

5.8 压力管道的安全泄压装置设计

5.9 压力管道设地与审查要点

5.10 压力管道设地技术文件

5.11 压力管道计算机辅助设计

思考题

参考资料

第6章 压力管道安装

6.1 压力管道的特点与方法

6.2 管道预制、组装

6.3 常见管道安装

6.4 有色金属管道安装

6.5 硬聚氯乙烯管安装

……

第7章 压力管道质量检验及监督检验

第8章 在用压力管道安全管理与事故分析

第9章 在用压力管道的定期检验

附录 2100433B

本书根据国家有关法规、标准及《压力管道安全管理与监察规定》，围绕压力管道的安全技术，对压力管道的设计、制造、安装、使用、检验、修理和改造各个环节的基础技术知识和基本要求进行了系统的介绍。本书还结合教材内容列举了大量实例，并进行剖析，是从事压力管道安全监察、设计、制造、安装，使用、检验、修理和改造人员较为实用的培训教材，亦可作为大专院校有关专业师生的参考读物。

本书详细介绍了压力管道的设计，既有系统的压力管道理论知识，又有国内外大、中型工程项目典型的压力管道设计实例，同时与*的现代化工程技术紧密结合。书中在各章节列出了许多实际工程项目的典型图、典型的计算机三维模型、典型的施工现场照片，介绍了现代计算机技术在压力管道工程设计中的应用及提高压力管道设计工作效率的一些技巧，并结合*版的国内外标准规范，对压力管道设计进行了系统的讲解。

本书内容具体包括：压力管道基础知识、计算机辅助压力管道设计软件、材料基础知识、压力管道器材及其选择、装置设备布置、管道布置、压力管道的隔热和防腐蚀、长输管道和公用管道设计、应力分析和管道支吊架、压力管道设计制图、压力管道施工与检验、压力管道设计专业管理。

本书内容实用，资料新颖，可供从事压力管道设计的技术人员参考，也可作为高等院校相关专业师生的参考资料。