答：往复压缩机的活塞在气缸中进行周期性的往复运动，引起吸排气呈间歇性和周期性，管内气体压力不但随位置变化，而且随时间作周期性变化，这种现象称为气体压力脉动。压力脉动的大小通常用压力不均匀度来衡量。往复式压缩机和往复泵的进出口管道除应进行柔性设计外，还应考虑流体压力脉动的影响。压力不均匀度δ的表达式如下：
答：疲劳破坏是指，在循环荷载的作用下，发生在构件某点处局部的、永久性的损伤积累过程，经过足够多的循环后，损伤积累可使材料产生裂纹，或使裂纹进一步扩展至完全断裂。疲劳损伤一般发生在应力集中处，例如管道的支管连接处。
3) 当计算的应力范围不能满足式（5－4）要求、且内压和外部持续荷载产生的一次纵向应力σL低于[σ]t时允许将[σ]t与σL的差值加在许用应力范围中，以扩大二次应力的许用范围。在此情况下，许用应力范围应按下式计算。
[σr]t = f[l.25([σ]10＋[σ]t)－σL] ――（5－5）
式中：
σL――由内压和外部持续荷载产生的一次纵向应力，MPa。
4) 对弯头、三通等连接处应考虑柔度系数和应力增强系数，并按《石油化工管道柔性设计规范》附录D计算。三通的柔度特性与其肩部结构有关，选用三通时应予以考虑。
5) 为保证法兰连接的可靠性，法兰设计压力不应小于按下列公式确定的数值。
PFD = P＋Peq ――(5－6)
Peq = (16M/πDG3)＋(4F/πDG2) ――(5－7)
式中：
PFD ――法兰设计压力，MPa；
P――管道设计压力，MPa；
Peq――管道操作时，作用在法兰连接处的弯矩和轴向力的当量压力，MPa；
M――管道操作时作用在法兰连接处的弯矩，N·mm；
DG――垫片压紧力作用中心圆直径，mm；
F――管道操作时作用在法兰连接处的轴向力(N)。在计算中只考虑使管道受拉伸时的轴向力当轴时管道受压缩时，取F=0。
6) 管道作用在设备或固定点上的推力和力矩应按下列原则计算：
(1) 按热胀、冷缩、端点附加位移、有效冷紧、自重和支吊架反力等条件计算管道工作状态下的推力和力矩；
(2) 按冷紧、自重和支吊架反力等条件计算冷态下的推力和力矩；
(3) 对于无中间约束的两端固定的管道，其推力和力矩的瞬时最大值可接下列公式计算：
Rm = R(1－2C/3)Em/Ea ――(5－8)
Ra = CR 或 Ra= Cl R(取其中最大值) ――(5－9)
C1 = 1－[σ]t·Ea/σr·Em ――(11)
式中：
Rm――在最高或最低计算温度下的瞬时最大推力(N)或力矩(N·m)；
R――按全补偿值及Ea为基础计算的推力(N)或力矩(N·m)；
C――冷紧比，无冷紧时C=0；100%冷紧时C=1.0；
Ea――安装温度下管道材料的弹性模量，MPa；
Em――最高或最低计算温度下管道材料的弹性模量，MPa；
Ra――安装温度下的估计瞬时推力(N)或力矩(N·m)；
Cl――估计的自均衡系数；
σr ――管道由于热胀冷缩和其他位移产生的二次应力，MPa。
7) 设备管口的允许推力和力矩应由制造厂提出，当制造厂无数据时，可接下列规定进行核算。
(1) 离心泵管口的允许推力和力矩应符合API 610的规定；
(2) 蒸汽轮机管口的允许推力和力矩应符合NEMA SM23的规定；
(3) 离心压缩机管口的允许推力和力矩应符附合API 617的规定；
(4) 空冷器管口的允许推力和力矩应符合API 661的推荐值。
8) 加热炉接管的允许推力和力矩应符合下列要求：
(1) 加热炉接管的允许推力和力矩应由加热炉设计单位确定；
(2) 加热炉接管的位移应由加热炉设计单位提出。
9）压力容器管口的允许推力和力矩应由压力容器设计单位提出，否则，管道施加在压力容器的力和力矩应由压力容器设计单位确认.
第六章 材料力学基础知识
1. 材料的强度理论有几种？在管道强度设计中主要采用第几强度理论？
答：材料的强度理论有四种，分别是：
1) 第一强度理论――最大拉应力理论，其当量应力S =σl。它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大拉应力。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大拉应力达到材料单项拉伸断裂时的最大应力值，材料即发生断裂破坏。
2) 第二强度理论――最大伸长线应变理论，其当量应力
S =σ1－μ(σ2＋σ3)
它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大伸长线应变。亦即不论材料处于何种应力状态，只要最大伸长线应变达到材料单向拉伸断裂时的最大应变值，材料即发生断裂破坏。
3) 第三强度理论――最大剪应力理论，其当量应力S =σ1－σ3。它认为引起材料屈服破坏的主要因素是最大剪应力。亦即不论材料处于何种应力状态，只要提大剪应力达到材料屈服时的最大剪应力值，材料即发生屈服破坏。
4) 第四强度理论――变形能理论，其当量应力为：
S = [1/(2)1/2][(σ1－σ2)2 ＋(σ2－σ3)2＋(σ3－σ1)2 ] 1/2
它认为引起材料屈服破坏的主要因素是材料内的变形能。亦即不论材料处于何种应力状态，只要其内部积累的变形能达到材料单向拉伸屈服时的变形能值，材料即发生屈服破坏。
在管道强度设计中主要采用最大剪应力强度理论。
2. 什么是弹性变形？什么是塑性变形？
答：构件或物体在外力作用下产生变形，当外力除去后能完全恢复其原有形状，不遗留外力作用过的任何痕迹，这种变形称为弹性变形。构件或物体在外力作用下产生变形，当外力去除后，构件或物体的形状不能复原，即遗留了外力作用下的残余变形，这种变形称为塑性变形。
3. 弹性体的应力与应变服从什么关系？
答：弹性体的应力与应变服从广义虎克定律，其具体表达式如下：
εx =（1/E）[σx －ν(σy +σz)]
εy=（1/E）[σy－ν(σz＋σx)]
εz=（1/E）[σz －ν(σx+σy)]
γxy=τxy/G
γyz=τyz/G
γzx=τzx/G
式中
εx、εy、εz――分别为X、Y、Z三个方向的线应变；
σx、σy、σz――分别为X、y、Z三个方向的正应力，MPa；
τxy、τyz、τzx――分别为XY、YZ、ZX三个平面内的剪应变； MPa；
γxy、γyz、γzx――分别为XY、YZ、ZX三个平面内的剪应力；
E――材料的弹性模量，MPa；
ν――材料的泊松比；
G――材料的剪切弹性模量，MPa。
G与E和ν之间有如下关系：
G=E/2(1+ν)
4. SH3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》都对哪些压力管道元件的强度计算做出了规定？
答：SH3059-200l《石油化工管道设计器材选用通则》对以下压力管道元件的强度计算做出了规定：
1) 金属直管；
2) 弯管、弯头及斜接弯头；
3) 三通；
4) 盲板与平板封头；
5) 开孔补强。
5. 管道开孔补强有哪些方法？
答：管道开孔补强有两种方法：
1) 补强圈补强――以全熔透焊缝将内部或外部补强圈与支管、主管相焊。
2) 整体补强――增加主管厚度，或以全熔透焊缝将厚壁支管或整体补强锻件与主管相焊。
6. 采用补强圈补强时应遵守哪些规定？
答：应遵守下列规定：
1) 采用的钢材标准抗拉强度σb≤540 MPa；
2) 主管壁名义厚度δn≤38 mm；
3) 补强圈厚度应不大于1.5δn。
7. 压力管道钢材的许用应力应如何选取？
答：根据GB150－1998《钢制压力容器》，压力管道钢材许用应力应按下表规定选取：
注：①对奥氏体高合金钢制受压元件，当设计温度低于蠕变温度范范，且允许有微量的永久变形时，可适当提高许用应力至0.9σst(σ0.2t)，但不超过
σst (σ0.2t)/l.5。此规定不适用于法兰或其它微量永久变形就产生泄漏或故障的场合。
表中 σb――钢材常温抗拉强度最低亿值，MPa；
σs(σ0.2)――钢材常温屈服点(或0.2%屈服强度)，MPa；
σst(σ0.2t )――钢材在设汁温度下的屈服点(或 0.2%屈服强度)，MPa
σDt――钢材在设计下经l0万小时断裂的持久强度的平均值，MPa；
σnt――钢材在设计温度下经10万小时蠕变为1%的蠕变极限， MPa.
8. 法兰用螺栓的强度安全系数为什么比其它受压元件的安全系数大？
答：为了满足法兰静密封的要求，结合螺栓承载的特点，考虑了下列因素：
1) 在旋紧螺栓时，初始应力可能大于设计值；
2) 法兰与螺栓的温度差以及两者线膨胀系数的不同会引起热应力。
9. 何谓管件的柔性系数和应力增强系数，它们在管道柔性设计中有何用途？
答：柔性系数：弯管(或弯头)在承受弯距后，管子的截面会发生椭圆化，即扁平化。这样，在应力计算中犹如弯管截面惯性矩减少了K倍，刚度下降。若以同一弯矩值作用在弯管上比作用在直管上其位移量会大K倍。
应力增强系数：在疲劳破坏循环次数相同的情况下，作用于直管的名义弯曲应力与作用于管件的名义弯曲应力之比。
柔性系数和应力增强系数是在进行管道柔性设计中考虑弯管、三通等管件柔性和应力的影响所采用的系数。管道中的弯管在弯矩作用下与直管相比较，其刚度降低柔性增大，同时应力也将增加，因此，在计算管件时就要考虑它的柔性系数。而管道中的三通等管件，由于存在局部应力集中，在验算这些管件的应力时，则采用了应力增强系数。
10. 什么是蠕变，什么是应力松驰？二者有何异同？
答： 蠕变是指金属在高温和应力同时作用下，应力保持不变，其非弹性变形随时间的延长缓慢增加的现象。高温、应力和时间是蠕变发生的三要素.应力越大、温度越高，且在高温下停留时间越长则蠕变越甚。
应力松驰是指在高温下工作的金属构件，在总变形量不变的条件下其弹性变形随时间的延长不断转变成非弹性变形，从而引起金属中应力逐下降并趋于一个稳定值的现象。
蠕变和应力松驰两种现象的实质是相同的，都是高温下随时间发生的非弹性变形的积累过程。所不同的是应力松弛是在总变形量一定的特定条件下一部分弹性变形转化为非弹性变形；而蠕变则是在恒定应力长期作用下直接产生非弹性变形。
11. 什么是应力？
应力是指材料单位面积上的力。它避开了管道及元件规格尺寸、壁厚等因素的影响，只要外部荷载使材料产生的应力超出材料本身的强度指标，即认为管道及其元件将发生强度破坏。
12. 管道元件变形的几种基本形式
1) 拉伸和压缩
F = σ·A
σ＝F/A≤[σ]
已知力F和材料的许用应力，可求管道的截面积。
A＝F/[σ]
式中
F――管道受力（拉力时为正，压力时为负），N；
σ――管道截面的应力（拉力时为正，压力时为负），MPa；
A――管道的截面积，
[σ]――材料的许用应力，MPa。
2) 剪切
F＝τ·A
τ＝F/A≤[τ]
式中
F――管道受力，N；
τ――管道截面的剪应力，MPa；
A――管道的截面积，
[τ]――材料的许用剪应力，MPa。
材料的许用剪应力和材料的许用应力存在下列近似关系：
对塑性材料：[τ]＝（0.6～0.8）[σ]
对脆性材料：[τ]＝（0.6～1.0）[σ]
3) 扭转
最大的剪应力发生在管道横截面的最外圆上。
τmax ＝Mn/Wn
Wn＝π（D4－d4）/16D
式中
τmax――最大扭转剪应力，MPa；
Mn――管道截面上的内力矩，
Wn――管道的抗扭截面模量，
D、d――管道的内外径，
[τ]――材料的扭转许用剪应力，MPa。
材料的扭转许用剪应力和材料的许用应力存在下列近似关系：
[τ]＝（0.5～0.6）[σ]
4) 弯曲
σmax ＝M/Wz≤[σ]
Wz＝π（D4－d4）/32D
式中
σmax――最大应力（在管道弯曲的最外侧），MPa；
M――管道截面上的弯矩，
Wz――管道的抗弯截面模量，
D、d――管道的外、内径。
5) 在实际工程中很少有管道仅受单一的拉压、剪切、扭转或弯曲荷载，而是两种或多种荷载同时作用，这样使得应力的求解变得复杂起来。通过长期实践和总结，建立复杂应力状态下的强度条件，这样的一些假说通常称其为强度理论。
13. 直管道受内压情况下的应力
径向应力σr和环向应力σθ沿管道壁厚分布是不均匀的，且内壁上的值最大。轴向应力σz沿管道壁厚均匀分布。
σr＝Ri2P(1－Ro2/r2)/(Ro2－Ri2)
σz＝PD/4S
σθ＝PD/2S
参考材料：
1. 石油化工管道柔性设计规范 SH/T 3041－2002
2. 全国压力管道设计审批人员考核培训教材
3. 压力管道技术
4. 压力管道应力分析审核人培训讲义
（全文完）
