在進(jìn)行管道切割時(shí)管道應(yīng)力分析之前，應(yīng)當(dāng)引入兩個(gè)管道工程中常用的強(qiáng)度與剛度。那么何為強(qiáng)度和剛度？

為了保證管道系統(tǒng)或者整個(gè)管網(wǎng)的正常運(yùn)行，保證管網(wǎng)中每個(gè)零部件或者構(gòu)件都能夠正常的工作。工程構(gòu)件安全設(shè)計(jì)的任務(wù)就是保證構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。

穩(wěn)定性很好理解，受力作用下保持或者恢復(fù)原來(lái)平衡形式的能力。例如承壓的細(xì)終究突然彎曲，薄壁構(gòu)件承重發(fā)生褶皺或者建筑物的立柱失穩(wěn)導(dǎo)致坍塌。

而壓力管道的載荷和應(yīng)力大部分來(lái)自于管道內(nèi)部介質(zhì)的壓力。而管道的載荷定義為：凡是引起管道結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)破壞的影響不同。而管道的載荷將在以后的文章中進(jìn)行詳細(xì)分析和分析，下面先就管道及管道構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度和相互影響進(jìn)行說(shuō)明，以便在管道切割和管道工程中容易區(qū)分開(kāi)來(lái)：

1.強(qiáng)度

定義：管道的構(gòu)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(gè)關(guān)鍵字：“破壞斷裂“和”顯著變形“

舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)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(jié)果鉗子柄把斷了，這就是強(qiáng)度不夠。再比如每年的夏天在海邊看海時(shí)，許多大樹(shù)枝被風(fēng)吹斷，這也是強(qiáng)度不夠。

強(qiáng)度是反映材料發(fā)生斷裂等破壞時(shí)的參數(shù)，強(qiáng)度一般有抗拉強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度等，就是當(dāng)應(yīng)力達(dá)到多少時(shí)材料發(fā)生破壞的量，強(qiáng)度單位一般是兆帕。

1.1破壞類型

a.脆性斷裂：管道在沒(méi)有明顯的塑形變形情況下發(fā)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(shí)切管，沿刀具橫截面的斷裂等。

b.塑形屈服：材料產(chǎn)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(zhuǎn)時(shí)都會(huì)發(fā)生顯著的塑形變形。

1.2強(qiáng)度理論

1.2.1管道或管道構(gòu)件的最大拉應(yīng)力：

只要管道或管道構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的最大拉應(yīng)力σ1達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限應(yīng)力σb，材料就要發(fā)生脆性斷裂。管道構(gòu)件的危險(xiǎn)點(diǎn)處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂破壞的條件是：σ1=σb。

那么按照第一強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度條件為：σ1≤[σ] 。

1.2.2管道的最大切應(yīng)力：

只要管道或管道構(gòu)件的最大切應(yīng)力τmax達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限切應(yīng)力τ0，材料就要發(fā)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(yīng)力公式可知τ0=σs/2（σs橫截面上的正應(yīng)力）由公式得：τmax=（σ1-σ3）/2。所以破壞條件改寫為σ1-σ3=σs。

第三強(qiáng)度理論的強(qiáng)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(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的形狀改變比能達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值，材料就要發(fā)生屈服破壞。那么第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)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(gòu)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(guò)管道工程允許的范圍。也就是說(shuō)，在彈性范圍內(nèi)，剛度是管道載荷與位移成正比的比例系數(shù)，即引起單位位移所需的力。

剛度是反映結(jié)構(gòu)變形與力的大小關(guān)系的參數(shù)，即結(jié)構(gòu)受多大力產(chǎn)生多少變形的量，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是一根彈簧，拉力除以伸長(zhǎng)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(jì)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(zhuǎn)剛度kM按下式計(jì)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(zhuǎn)角(°)

3.剛度與強(qiáng)度兩者的關(guān)系

通過(guò)對(duì)上述關(guān)于強(qiáng)度和剛度的理論理解，相對(duì)于剛度，強(qiáng)度的定義針對(duì)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(huì)想到拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

管道在受力變形時(shí)，其曲線可分為四個(gè)階段：

a.彈性變形階段；

b.屈服階段；

c.強(qiáng)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(gòu)件的剛度與強(qiáng)度都是在于其失效階段的測(cè)量值，而剛度可以依靠應(yīng)力來(lái)測(cè)量，強(qiáng)度可以依靠變形來(lái)測(cè)量，在管道應(yīng)變過(guò)程中剛度在前一階段而強(qiáng)度在后階段，所以在其失效的條件測(cè)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(yīng)力，而強(qiáng)度在這樣的前提下也就滿足了管道或管道構(gòu)件的要求。

也就是說(shuō)，在外力不大于面積×屈服強(qiáng)度時(shí)，鋼管剛度=彈性模量×面積。

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