热力管道应力分析一般模式及所遇问题的解决

白 莲1，李大泽2

( 1． 包钢集团设计研究院，内蒙古 包头 014010;

2． 中冶东方工程技术有限公司，内蒙古 包头 014010)

摘 要: 文章阐述了热力管道应力分析的重要性，提出了热力管道应力分析的一般模式以及对管道应力分析中可能遇到的问题进行了归纳，并对解决这些问题的方法进行了讨论。

关键词: 热力管道; 应力分析; 荷载

随着包头钢铁( 集团) 有限公司近几年的飞速发展，相应的配套设施同步增加，火力发电及 CCPP联合循环发电机组也面临新的建设或改造。主蒸汽管道、主给水管道等热力管道的设计参数不断提高，管径及壁厚也随之加大，管道应力分析也受到越来越多的重视，这样就要求设计者对管道应力进行分析计算。

1 管道应力分析［1］

热力管道的应力，主要是由管道承受的内压力和外部荷载以及热膨胀等多种因素引起的，管道在这些荷载作用下的应力状态十分复杂。进行应力分析与计算，是研究管道在各种荷载作用下产生的力、力矩和应力，从而判断管道的安全性，且满足所连接的设备对管道推力( 矩) 的限定，同时使管道设计尽可能经济合理。管道应力分析是热力管道设计的基础，通过应力分析可以优化配管、合理布置管道支吊架，以使土建投资及弹簧、补偿器等管道配件方面的投资更加合理化。

一般而言，热力管道管系多为三维空间走向，由一条或多条主管及数条支管组成，有些管系甚至会含有一个或多个环行结构。在进行应力分析之前需根据管道走向建立管道应力分析的三维立体图，确定应力分析的结构参数。

1． 1 管系荷载的确定［2］

管系所承受的荷载大致可以分为四类:

( 1) 压力及温度荷载: 热力管道可能在几种不同的压力和温度条件下运行，在计算时应根据实际情况确定最不利的一组压力和温度条件，以便计算管道在最危险工况下的能否满足条件。

( 2) 持续外载: 包括管道基本载荷( 管子及其附件的重量、管内介质重量、管外保温的重量等) 、支吊架的反力、以及其它集中和均布的持续外载。

( 3) 热胀及端点附加位移: 管道由安装状态过渡到运行状态，由于管内介质的温度变化，热胀冷缩使管道发生形变; 与设备相连接的管道，由于设备的温度变化而出现端点附加位移，从而对管道产生约束，使管道发生形变。

( 4) 偶然荷载: 包括风雪荷载、地震荷载、流体冲击以及安全阀动作等而产生的冲击荷载。这些载荷都是偶然发生的临时性荷载，而且不会同时发生，在一般静力分析中，可不考虑这些荷载。

1． 2 荷载工况

一般情况下，管道应力计算主要考虑安装和运行两种工况。安装工况是指管道在常温下，考虑内压、持续外载条件下管道的受力情况; 运行工况是指管道在运行条件下考虑内压、自重及运行温度情况下的荷载工况。

1． 3 计算软件的选择

目前各大设计院对压力管道和压力容器均采用专用管道应力分析软件计算，国际上管道应力分析专用的计算机软件开发逐渐深入，其中一些程序经过不断升级和完善，软件的功能和使用的方便程度都达到了相当高的水平，已成为国际公认和通行的管道应力分析软件。国内也出现了一些自行编制的管道应力分析程序，这些程序往往针对性和目的性较强，效率较高但功能比较单一，与国外软件相比还有一定差距，算不上真正商业化的软件。目前，使用较多的管道应力分析软件有: 美国 COADE 公司的Caesar II、美国 AEC Croup 公司的 CAD pipe，美国AAA 公司的 Triflex 等。其中 Caesar II 软件是进行管道静力分析和动力分析的专用程序，功能比较齐全，可考虑管道的非线性约束，如管道与支架间的摩擦力、限位支架的间隙等，通过计算可得出设备管口受力、管架受力、管道一和二次应力、法兰受力、弹簧规格( 如有弹簧支架) 、管道各节点位移以及管道振动频率等。

1． 4 边界条件及约束处理

施加的边界条件和约束对管道的计算至关重要，其作用与影响有时远远大于压力载荷，因而必须仔细考虑现场参数，力求给出的边界条件和约束与现场情况一致。一般热力管道的管系中有多种形式的约束: 滑动支架、导向支架和固定支架等。计算模型中对上述支架对管道的约束可分别进行简化。滑动支架约束处受约束的方向( 与管道轴线垂直的方向) 位移定为零，不受约束的方向( 轴向) 位移自由，另外 3个转角自由; 固定支架约束处，3 个方向位移均限定为零，另外3 个转角也限定为零。

1． 5 管道初算与调整

上述条件确定以后就可以对管系进行初算，并根据初算结果进行调整。通过查看一次应力、二次应力的计算结果，冷态、热态位移，设备接口受力，支吊架受力( 垂直荷载、水平荷载) ，弹簧表等以确定结果是否满足计算要求并根据结果进行调整。

2 解决管道应力问题的常用方法

对管道进行应力分析时，往往会出现计算不能满足要求的时候，就需要采取一些措施加以解决。

2． 1 应力结果不满足

通过查看应力计算的结果，确定是一次应力还是二次应力不能满足要求。管道在持续荷载和偶然荷载作用下的应力属于一次应力的范畴; 如果一次应力不合格，可以通过减小支吊架的间距来调整。

管道在热胀冷缩及端点受到约束时产生的应力属于二次应力的范畴; 如果二次应力不合格，只能改变支吊架的类型或是重新布置管系。

2． 2 对设备接口的推力( 距) 超载

对设备接口的推力或推力距超出允许值，将会对设备造成破坏，严重时会影响机组运行，设计计算时出现这种情况可试用以下几个方法处理:

( 1) 对于垂直方向的推力过大时，可调整端点相邻支吊架的荷重( 给定该支吊架荷重) 来改变推力。

( 2) 对于水平方向的推力过大时，可以在离开端点一定距离后，装设相应的限位支架来隔离推力。

( 3) 对于作用力距过大时，应分析力距方向及变形方向，用产生力距( 或变形) 的限位装置来减小力距。

( 4) 对于同一个力( 或力距) 分量的冷热两种状态的代数差值超过设备对冷状态和热状态的允许推力( 距) 值之和时，一般为管道的柔性不够，可以考虑改变管系布置，增加管道的柔性。

( 5) 调整冷、热态力( 力距) 的比值时，可以试用改变冷紧比的方法。 

2． 3 支吊架失重

失重是应力分析中可能遇到的异常现象，是在吊零前提下协调支吊架跨距不同的自重弯矩造成的，当水平管道跨距不匀时，容易出现失重，通常采用调整支吊架跨距或对支吊架给定荷重来消除失重现象，即对失重点或其附近的支吊点给定荷重后再进行管系应力分析。

3 结束语

文章讨论了热力管道应力分析的一般模式以及应力分析计算中可能遇到的问题与对策; 应力计算的重点在于保证各种输入的正确性以确保输出的正确合理。如果输入边界条件等参数存在错误，将会对输出结果造成很大的影响。因此，在进行应力分析计算时务必仔细核对输入模型的正确性。总之，应力分析是热力管道设计工作的重点，对管道设计具有重要意义。

参 考 文 献

［1］ 唐永近． 压力管道应力分析［M］． 北京: 中国石化出版社，2003．

［2］ 林友新，窦洪，肖志前． 火力发电厂汽水管道应力验算与应用［J］． 广东电力，2005，( 5) : 6－ 8．