电厂汽水管道应力计算与分析

林肖

浙江城建煤气热电设计院有限公司浙江省310012

摘要：本文主要针对管道所受荷载以及产生的应力进行简单的分析，同时结合AutoPSA程序计算实例，探讨在汽水管道设计中，怎样通过应力计算程序对相关管道进行静应力分析同时给出正确的分析结果，从而保证管道设计的安全性与经济性。

关键词：电厂；汽水管道；应力计算

1管道应力计算的任务及内容

管道应力计算的主要任务是验算管道在内压、自重和其它外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力，以判明所计算的管道是否安全、经济、合理以及管道对设备推力和力矩是否在设备所能安全承受的范围内。

2管系的荷载与应力

2.1应力合成。

由不同荷载引起的管系应力可分为以下几种:

(1)环向应力，主要由管内压或外压产生。

(2)轴向应力，主要由管内压或外压产生，或由外力或力矩作用在管轴方向产生。

(3)剪应力，主要由管系的热胀、自重产生的扭矩及剪切力产生。

(4)其它应力，如地震、压力脉动、汽锤等动荷载或冲击荷载产生，通常分解为管系各部分的最大等效静荷载。

2.2评定标准。

电厂汽水管道安全性判别评定标准一般采用以下方法:

2.2.1持续荷载下的应力:

其中——一次应力（MPa）

[δ]1?——管道元件材料在设计温度下的许用应力（MPa）

P?——管道设计压力（MPa）

DO?——管道外径（mm）

Di?——管道内径（mm）

MA——持续外载在管截面上的合成力矩（N.mm）

W——管道的截面抗弯模量（mm3）

i——应力增强系数（0.75i＞1）

2.22热胀应力。管系热胀应力范围应满足下式要求：

(式2)

管道全温度周期范围内交变次数N≤2500时。F取1.

[δ]20——管道元件材料在20℃下的许用应力（MPa）

δE——热胀应力（MPa）

3.管系的应力计算

3.1ANSI判断分析法。

对于简单管系，如果其有同一管径、同一壁厚，两端固定，无中间约束的普通介质管道，只要管系具有足够的柔性，能满足下式要求，可不进行应力分析计算。

式中：Dg——管系外径，（mm）

?——管段总移位（mm）（）

U——管段两固定点间的直线距离（m）

L——管段两固定点间的展开长度

3.2AutoPSA管系应力分析。

(1)首先，程序规定管系的起始点一般为固定点，假想其它约束点都开放，并由此算出所有外加荷载引起的管系中各节点的位移，求出管系中各节点荷载并根据这些荷载求出管系中各单元的力、应力、位移。

(2)由于电厂汽水管道管系结构都比较复杂，在计算过程中通常要根据管系设计工况、荷载情况及边界条件将整个管系分解为相对独立的数个计算部分，一般应选取固定点(设备或固定支架)或管道端点作为计算分界点。本文的计算模型选取某电厂主蒸汽管至减温减压器管段作为计算范例。

3.3计算输入条件。

(1)设计者在考虑以下因素后提供的工艺参数及管系设计草案，给出计算所需主要参数，见下表1;

表1主要计算参数

(2)另外，还需根据计算程序要求，对支吊架弹簧标准、管件的应力增强系数，起始点坐标，计算坐标系，所需计算工况等进行选择或假设。

3.4模型建立。

该管系为空间三维结构，计算中模型的建立采用节点和单元结构，节点输人三维建模方式，节点一般应选择在管系中的支吊点、固定点、自由端、冷紧口或需关注位移点处。同时应充分理解和正确输人管系的边界条件如约束条件、附加位移及管系中的集中荷载。

3.5计算工况的选择。

为满足前述公式3-1~3-2的要求，AutoPSA程序最多可按十种工况进行分析，以不同的条件组合计算，并根据计算结果自动选择给出弹簧类型及约束载荷。中小型热电厂汽水管道应力分析中较为常用的工况条件见下表2。

表2主要计算工况表

4.计算结果的分析

4.1应力校核。

表3给出最后的计算结果，我们可以看到，程序给出一、二次管道最大应力的节点号，许用应力值及最大应力值，最大应力点符合规范要求。

4.2位移的分析评定。

应力满足要求后，应对重要节点外的位移值进行评估，主要包括以下内容:

(1)管道位移引起的吊架吊杆偏转角不得超过规范要求(<4°)。

(2)垂直管道竖向位移可能导致承重支架脱空。

(3)水平管位移超出滑动管座稳定受力范围。

4.3支吊架荷载及型式分析。

管系应力计算的重要内容之一，就是为下一步的支吊架设计工作准备输人条件，同时支吊架型式也是影响管系柔性与应力水平的重要因素，应对计算结果中的相关内容进行以下分析:

(1)考虑支吊架生根条件和承载能力，核对支吊架荷载是否过大，或避免出现荷载过大，使支吊架结构设计复杂化。

(2)支吊架荷载过小，在工作状态下失去作用。

(3)根据荷载大小，判定支吊架是否出现脱空或顶死现象。

(4)结合节点的位移和荷载值，判断支架形式是否可能失稳或过载。

(5)是否符合经济性原则，如在满足要求的前提下，支吊架的选用型式应遵从刚性支吊架>变力弹簧支吊架>恒力弹簧支吊架的原则。

4.4对设备管嘴的推力和力矩评定。

如果管道对设备管嘴推力(或力矩)过大，可能引起设备的变形或局部应力增大，对设备造成破坏。一般设备厂家会对其限值提出要求，根据计算结果值与给出值进行比较，充分满足设备要求。

4.5分析对象的调整。

上述内容的评定要求是必须在可能范围内同时满足，否则应根据管系特点进行调整修改，修改的次序一般应按下列顺序实行:修改支架形式>调整支吊架位置或数量>增加热补偿或冷紧措施>改变管系空间走向。当然，如果在计算结果中发现管系相关设施的富裕量较大，应考虑改变管系，缩短已有的用于增加管系柔性的空间尺寸，使整个管系在满足可靠性的同时，也是最经济的。

5.结论及建议

管系的应力分析计算的目的是为管道设计服务的，作为分析前提，首先需要根据经验、工艺要求、支撑要求和厂地情况进行初步的管系柔性设计，这是因为管系的应力分析过程实际是反复调整直到满足要求的过程。因此，管路设计不仅是应力分析的基础条件，好的设计还可充分减少计算结果对其的修正意见，降低设计者的工作量，提高设计工作效率。

参考文献：

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