給定荷載彈簧支吊架對管道應力的影響

摘 要：針對彈簧給定荷載在工程使用中對管系的影響進行了分析，包括給定荷載支吊架對一次應力、二次應力的影響。給定荷載支吊架尤其對于蠕變溫度以上的管道的應力影響更大，并結合具體事例指出了在使用給定荷載支吊架應該注意的事項。

關鍵詞：彈簧；應力分析；給定荷載

1概述

管道支吊架承受管道荷載、限制管道位移、控制管道振動。在應力分析中要嚴格控制管道對設備接口的推力。為減小這種推力，在管道設計中需在某些特定位置設置給定荷載的彈簧支吊架。而管道其荷載分配是以自重分配盡量均勻為原則的，給定荷載支吊架的承受荷載是人為給定的，勢必會破壞自重荷載分配的均勻性，從而影響管系的應力分布。本文將結合具體計算實例來分析分配荷載支吊架應用時對管道應力的影響，從而指出使用給定荷載支吊架是應該注意的一些問題。

2 管道應力分析依據

一次應力是由機械外載荷引起的正應力和剪切應力，它必須滿足外部和內部的力和力矩的平衡法則。一次應力是非自限性的，它始終隨所加載荷的增加而增加，超過材料的屈服極限或持久強度時，將使管道發生塑性破壞或總體變形，因此在管系的應力分析中，首先應使一次應力滿足許用應力值。二次應力是由于變形受到約束所產生的正應力或剪應力，它本身不直接與外力相平衡。管道內二次應力通常是由位移載荷引起的（如熱膨脹、附加位移，安裝誤差，振動載荷）；二次應力是自限性的，當局部屈服和產生少量塑性變形時，通過變形協調就能使應力降低；二次應力是周期性的（除去安裝引起的二次應力）；二次應力的許用極限是基于周期性和疲勞斷裂模式，不取決于一個時期的應力水平，而是取決于交變的應力范圍和交變的循環次數。峰值應力是局部應力集中、局部結構不連續或局部熱應力等所引起的較大的應力。

圖3.1所示管道ABC，其中ABC為端點。管道參數如表3.1所示。此時按自重分配荷載計算。最大應力處的應力水平為許用應力的34%，最小處為許用應力的26.5%。一次應力變化范圍為7.5%。一次應力分配較為均勻。二次應力分布最大處為許用應力的45.4%。最小處為許用應力的6.3%。此時各支吊點處的荷載如表3.2所示。此時端點10的Z向受力Fz為187901N。

為了減小端點10處的受力，此時給定彈簧11處荷載-20000N。此時管系的二次應力分布最大處為許用應力的45.8%。最小處為許用應力的4.8%。一次應力最大應力處的應力水平為許用應力的34%，最小處為許用應力的26.6%。一次應力的變化范圍為7.4%。計算結果如表3.3所示。由計算結果可看出此時端點10的Z向受力Fz為117115N，減小明顯，帶來的結果是二次應力有所增大。一次應力的變化不明顯。

為了進一步減小端點10的受力，此時給定彈簧11處荷載-10000N。此時管系的二次應力分布最大處為許用應力的46.4%。最小處為許用應力的4.8%。一次應力最大應力處的應力水平為許用應力的34%，最小處為許用應力的26.6%。一次應力的變化范圍7.4%。計算結果如表3.4所示。由計算結果可看出此時端點10的Z向受力Fz為108113N，進一步減小，帶來的結果是二次應力繼續增大。一次應力的變化不明顯。

4 分析及結論

荷載分配的原則是分配應盡量使管系自重應力較為均勻，使自重應力的最大值為最小[5]。目前廣泛采用的管道應力計算軟件大多都采用吊零原則分配荷載，即每個支吊點處自重產生的位移為零的條件來分配荷載，它是一種按變性條件分配荷載的原則，自重應力較為均勻。但是吊零分配也有局限性，在支吊點跨距很大分布很不均勻的時候，某些位置支吊架荷載分配會很小甚至脫空。因此管系的某些位置需要不均勻設置支吊架的，比如在設備接口、閥門、三通處等處[2]，此時的支吊架不宜按吊零方式分配荷載，可人為給定荷載進行。給定荷載支吊架改變了吊零分配的荷載，必定影響自重應力的分配，導致的結果即如上述例題所示，二次應力最大值有所增加，但是一次應力受影響程度不是很明顯。

當給定荷載支吊架引起管道彈性轉移加大時，作用效果相當于施加外力荷載，所產生的應力近似于一次應力。對于蠕變溫度以下工作的管道，荷載的作用與時間無關，主要驗算一次應力、二次應力及峰值應力是否超出材料的許用應力即可。對于蠕變溫度以上工作的管道，由于有非彈性應變的積累，除了要驗證一次應力和二次應力的安定性之外，還需考慮一次應力加二次應力的變形量控制[1][3]，應特別注意。

參考文獻

[1]王致祥等.管道應力分析與計算.水利電力出版社，1983.

[2]中華人民共和國電力工業部. DL/T 5054-1996 ，火力發電廠汽水管道設計技術規定，1996.

[3]蠕變溫度以上管道的應力分析驗算法.電力規劃設計院管道教材組，1986.

[4]CAESARII中文用戶手冊.中國技術服務中心，2003.

[5]管道靜力計算原理與方法.電力規劃設計院管道教材組，1986.

[6]ASME B31.12007《POWER PIPING》.2007.