热力管道设计中的应力分析.doc

热力管道设计中的应力分析2009年第7期（总第128期）袁立方（广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁530023）
【摘要】在指出对热力管道进行应力分析重要性的基础上，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

1引言
随着火力发电机组容量的增大，主蒸汽管道、再热蒸汽管道、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，有些投资方对设计单位的应力计算提出明确要求。热力管道的应力,主要是由管道承受的内压、外部荷载、偶然荷载以及热膨胀等因素引起的,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发电厂管道工程设计的基础，对整个工程而言，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。

2管道应力分析
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。
2.1管系荷载的确定
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。
2.2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。
2.3计算软件的选择
由于计算机的不断普及，国际上出现了一批管道应力分析专用的计算机程序。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CaesarII、美国AECCroup公司的CADpipe，美国AAA公司的Triflex等。其中CaesarII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。
2.4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,另外三个转角自由；固定支架约束处,三个方向位移均限定为零，另外三个转角也限定为零。
2.5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。

3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。
3.1应力结果不满足
通过查看应力计算的结果，我们可以看出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；