熱力管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析

1、熱力管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析2009年第7期（總第128期）袁立方（廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530023）【摘要】在指出對熱力管道進(jìn)行應(yīng)力分析重要性的基礎(chǔ)上，提出了熱力管道應(yīng)力分析的一般模式以及對管道應(yīng)力分析中可能遇到的問題進(jìn)行了歸納，并對解決這些問題的方法進(jìn)行了討論?！娟P(guān)鍵詞】熱力管道；應(yīng)力分析；荷載1引言隨著火力發(fā)電機(jī)組容量的增大，主蒸汽管道、再熱蒸汽管道、主給水管道等熱力管道的設(shè)計(jì)參數(shù)不斷提高，管徑及壁厚也隨之加大，管道應(yīng)力分析也受到越來越多的重視，有些投資方對設(shè)計(jì)單位的應(yīng)力計(jì)算提出明確要求。熱力管道的應(yīng)力,主要是由管道承受的內(nèi)壓、外部荷載、偶然荷載以及熱膨脹等因素引起的,管

2、道在這些荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜。進(jìn)行應(yīng)力分析與計(jì)算,是研究管道在各種荷載作用下產(chǎn)生的力、力矩和應(yīng)力,從而判斷管道的安全性,且滿足所連接的設(shè)備對管道推力(矩)的限定,同時(shí)使管道設(shè)計(jì)盡可能經(jīng)濟(jì)合理。管道應(yīng)力分析是熱力發(fā)電廠管道工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對整個(gè)工程而言，通過應(yīng)力分析可以優(yōu)化配管、合理布置管道支吊架，以使土建投資及彈簧、補(bǔ)償器等管道配件方面的投資更加合理化。2管道應(yīng)力分析一般而言，熱力管道管系多為三維空間走向，由一條或多條主管及數(shù)條支管組成，有些管系甚至?xí)幸粋€(gè)或多個(gè)環(huán)行結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行應(yīng)力分析之前需根據(jù)管道走向建立管道應(yīng)力分析的三維立體圖，確定應(yīng)力分析的結(jié)構(gòu)參數(shù)。2.1管系荷載的確定管系所

3、承受的荷載大致可以分為四類：（1）壓力及溫度荷載：熱力管道可能在幾種不同的壓力和溫度條件下運(yùn)行，在計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定最不利的一組壓力和溫度條件，以便計(jì)算管道在最危險(xiǎn)工況下的能否滿足條件。（2）持續(xù)外載:包括管道基本載荷(管子及其附件的重量、管內(nèi)介質(zhì)重量、管外保溫的重量等)、支吊架的反力、以及其它集中和均布的持續(xù)外載。（3）熱脹及端點(diǎn)附加位移:管道由安裝狀態(tài)過渡到運(yùn)行狀態(tài),由于管內(nèi)介質(zhì)的溫度變化,熱脹冷縮使管道發(fā)生形變；與設(shè)備相連接的管道,由于設(shè)備的溫度變化而出現(xiàn)端點(diǎn)附加位移,從而對管道產(chǎn)生約束，使管道發(fā)生形變。（4）偶然荷載:包括風(fēng)雪荷載、地震荷載、流體沖擊以及安全閥動(dòng)作等而產(chǎn)生的沖擊荷

4、載。這些載荷都是偶然發(fā)生的臨時(shí)性荷載,而且不會同時(shí)發(fā)生,在一般靜力分析中,可不考慮這些荷載。2.2荷載工況一般情況下，管道應(yīng)力計(jì)算主要考慮安裝和運(yùn)行兩種工況。安裝工況是指管道在常溫下，考慮內(nèi)壓、持續(xù)外載條件下管道的受力情況；運(yùn)行工況是指管道在運(yùn)行條件下考慮內(nèi)壓、自重及運(yùn)行溫度情況下的荷載工況。2.3計(jì)算軟件的選擇由于計(jì)算機(jī)的不斷普及，國際上出現(xiàn)了一批管道應(yīng)力分析專用的計(jì)算機(jī)程序。其中一些程序經(jīng)過不斷升級和完善，軟件的功能和使用的方便程度都達(dá)到了相當(dāng)高的水平，已成為國際公認(rèn)和通行的管道應(yīng)力分析軟件。國內(nèi)也出現(xiàn)了一些自行編制的管道應(yīng)力分析程序，這些程序往往針對性和目的性較強(qiáng)，效率較高但功能比較單一

5、，與國外軟件相比還有一定差距，算不上真正商業(yè)化的軟件。目前,使用較多的管道應(yīng)力分析軟件有:美國COADE公司的Caesar II、美國AEC Croup公司的CAD pipe，美國AAA公司的Triflex等。其中Caesar II軟件是進(jìn)行管道靜力分析和動(dòng)力分析的專用程序,功能比較齊全,可考慮管道的非線性約束,如管道與支架間的摩擦力、限位支架的間隙等,通過計(jì)算可得出設(shè)備管口受力、管架受力、管道一和二次應(yīng)力、法蘭受力、彈簧規(guī)格(如有彈簧支架)、管道各節(jié)點(diǎn)位移以及管道振動(dòng)頻率等。2.4邊界條件及約束處理施加的邊界條件和約束對管道的計(jì)算至關(guān)重要，其作用與影響有時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓力載荷,因而必須仔細(xì)考慮現(xiàn)

6、場參數(shù)，力求給出的邊界條件和約束與現(xiàn)場情況一致。一般熱力管道的管系中有多種形式的約束:滑動(dòng)支架、導(dǎo)向支架和固定支架等。計(jì)算模型中對上述支架對管道的約束可分別進(jìn)行簡化?；瑒?dòng)支架約束處受約束的方向(與管道軸線垂直的方向)位移定為零,不受約束的方向(軸向)位移自由,另外三個(gè)轉(zhuǎn)角自由；固定支架約束處,三個(gè)方向位移均限定為零， 另外三個(gè)轉(zhuǎn)角也限定為零。2.5管道初算與調(diào)整上述條件確定以后就可以對管系進(jìn)行初算，并根據(jù)初算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。通過查看一次應(yīng)力、二次應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果， 冷態(tài)、熱態(tài)位移，設(shè)備接口受力，支吊架受力（垂直荷載、水平荷載），彈簧表等以確定結(jié)果是否滿足計(jì)算要求并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。3解決管道應(yīng)力問

7、題的常用方法對管道進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，往往會出現(xiàn)計(jì)算不能滿足要求的時(shí)候，就需要采取一些措施加以解決。3.1應(yīng)力結(jié)果不滿足通過查看應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果，我們可以看出確定是一次應(yīng)力還是二次應(yīng)力不能滿足要求。管道在持續(xù)荷載和偶然荷載作用下的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力的范疇；如果一次應(yīng)力不合格，可以通過減小支吊架的間距來調(diào)整。管道在熱脹冷縮及端點(diǎn)受到約束時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力屬于二次應(yīng)力的范疇；如果二次應(yīng)力不合格，只能改變支吊架的類型或是重新布置管系。3.2對設(shè)備接口的推力（距）超載對設(shè)備接口的推力或推力距超出允許值，將會對設(shè)備造成破壞，嚴(yán)重時(shí)會影響機(jī)組運(yùn)行，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)出現(xiàn)這種情況可試用以下幾個(gè)方法處理：（1）對于垂直方向的推力過

8、大時(shí)，可調(diào)整端點(diǎn)相鄰支吊架的荷重（給定該支吊架荷重）來改變推力；（2）對于水平方向的推力過大時(shí)，可以在離開端點(diǎn)一定距離后，裝設(shè)響應(yīng)的限位支架來隔離推力；（3）對于作用力距過大時(shí)，應(yīng)分析力距方向及變形方向，用產(chǎn)生力距（或變形）的限位裝置來減小力距。（4）對于同一個(gè)力（或力距）分量的冷熱兩種狀態(tài)的代數(shù)差值超過設(shè)備對冷狀態(tài)和熱狀態(tài)的允許推力（距）值之和時(shí)，一般為管道的柔性不夠，可以考慮改變管系布置，增加管道的柔性；（5）調(diào)整冷、熱態(tài)力（力距）的比值時(shí)，可以試用改變冷緊比的方法。3.3支吊架失重失重是應(yīng)力分析中可能遇到的異?，F(xiàn)象，是在吊零前提下協(xié)調(diào)支吊架跨距不同的自重彎矩造成的，當(dāng)水平管道跨距不勻時(shí)，容易出現(xiàn)失重，通常采用調(diào)整支吊架跨距或?qū)χУ跫芙o定荷重來消除失重現(xiàn)象，即對失重點(diǎn)或其附近的支吊點(diǎn)給定荷重后再進(jìn)行管系應(yīng)力分析。4結(jié)束語本文討論了熱力管道應(yīng)力分析的一般模式以及應(yīng)力分析計(jì)算中可能遇到的問題與對策；應(yīng)力計(jì)算的重點(diǎn)在于保證各種輸入的正確性以確保輸出的正確合理。如果輸入邊界條件等參數(shù)存在錯(cuò)誤，將會對輸出結(jié)果造成很大的影響。因此，在進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算時(shí)務(wù)必仔細(xì)核對輸入模型的正確性。總之，應(yīng)力分析是熱力管道設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)，對管道設(shè)計(jì)具有重要意義。參考文獻(xiàn)1唐永近.壓力管道應(yīng)力分