火電廠熱力管道二次應力優化分析

王悅新 李丹丹 姚宇飛

摘要：近年來，隨著我國經濟的飛速發展，火電廠建設越來越完善。在火電廠對熱力管道設計中進行分析時要考慮管道中的應力，在對二次應力分析的過程中對可能出現的問題進行總結，提出了有關熱力管道設計中相應的解決措施，并對相應的措施進行了探討和分析。

關鍵詞：火電廠，熱力管道，二次應力，優化

火電廠熱力管道應力分析是管道布置過程中不可缺少的一個環節，其主要工作是驗算管道在內壓、自重和其他外載作用下所產生的一次應力和在熱脹、冷縮及位移受約束時所產生的二次應力，判斷計算管道的安全性、經濟性、合理性，以及管道對設備產生的推力和力矩應在設備所能安全承受的范圍內。因此，管道應力分析不僅僅是簡單計算一下管道的應力，它是一個擴展的概念。

一、熱力管道應力分析

（一）熱力管道實際承受荷載的確定

溫度荷載就是熱力管道在投入運行中會受到不同類型壓力以及溫度的影響，在具體工程建設中需要對影響最大的因素進行分析，便于工程建設中管道能夠在各類施工狀態下滿足技術要求。持續外載主要與管道實際承受荷載、吊架反力相關，大多呈現出集中化或是分散式的持續外載。管道從實際安裝到投入運行的這段時間內，管道內部介質會因為內部和外部溫度的變化影響，通過熱脹冷縮基本原理使管道發生具體形變。目前與設備相互連接的管道，由于自身溫度的變化會導致各個端點發生不同程度位移，使管道實際應用中產生較多約束力，從而使管道整體結構發生形變。偶然荷載主要是來源于外界環境的沖擊荷載，比如地震荷載、自然天氣荷載等。此類荷載沒有固定規律可循，大多都是在偶爾環境下發生的，但是不會出現同時發生的情況。

（二）荷載實際工況概述

火電廠熱力管道在工程中的應力分析，在大多數常見情況下，熱力管道應力計算需要對管道實際運行以及安裝過程承受的荷載進行分析。安裝工況就是管道在外部環境、內壓以及外界溫度的影響下對管道受力情況的整體影響。荷載運行工況就是在一般運行條件下，工程中熱力管道在內壓以及各項溫度環境下的荷載工況。

（三）熱力管道在工程中應力的計算軟件選取

當前隨著我國信息網絡技術的快速發展，計算機在生產中得到全面普及，國內外都對火電廠熱力管道二次應力分析計算軟件進行了探究，各類計算程序處于發展和完善階段。我國也對管道應力分析程序進行了編制，但是此類程序實際目的性較強，功能較為單一，不能更好地突出商業化發展特點。當前Caesar軟件能夠對管理動力和經濟性進行分析，綜合功能較多，具有良好的應用價值。對管道非線性受力情況分析之后，能夠掌握管道應力、受力、振動頻率等多項數值。

二、熱力管道應力分類

（一）一次應力

熱力管道設計中所受到的一次應力主要是因為管道受到外界的壓力、重力和其他外界產生的壓力，熱力管道設計中所受到的應力需要的是平衡外力，熱力管道設計中所受到的一次應力存在的特點是對管道的自身沒有自限性，而且會隨著一次應力的變化對管道自身所受到的應力隨之變化，當達到一定程度時熱力管道會發生變形或情況嚴重時致其損壞，因此要求和限制也更加的嚴格，防止因為熱力管道的過度變形和彎曲對管道造成破壞，對一次應力的彈性和極限要進行嚴格的控制。

（二）二次應力

熱力管道設計中發生的二次應力是因為管道結構受到外界的環境因素影響發生熱脹冷縮，對管道約束位置發生了位移，其中管道設計中的應力沒有直接和外力進行平衡，要根據滿足管道位移約束條件內所需要的應力進行調整。熱力管道設計中所受到的二次應力主要的特點是應力本身就具有自限性，對熱力管道所造成的損害只是使管道受到輕微的變形，并且在應力分散的狀態下降低了，對于一些質量比較好的管道材料，一般情況下在熱力管道進行第一次加工的同時二次應力不會直接對管道造成破壞，當管道發生多次變形的情況下才會對管道造成破壞，對于熱力管道設計中的二次應力的限制不只是取決于時間的限制，而是要看熱力管道設計中對應力的反應能力和變換次數。

（三）峰值應力原理

熱力管道設計中的峰值應力原理取決于管道局部結構受到不連續的荷載，是在一次應力和二次應力的基礎上進行增量，峰值應力原理的主要特點是對熱力管道造成不是很明顯的變形，在短時間內荷載的應力開始進行衰退，這很容易對熱力管道造成破壞產生裂紋，同時對峰值應力原理在短時間內受到荷載進行應力分析。

三、管道二次應力優化分析

（一）二次應力的計算

二次應力范圍可通過下述方法計算^[1]：

式中：σE-熱脹應力范圍（MPa），MC-按全補償值和鋼材在20℃時的彈性模量計算，熱脹引起的合成力矩范圍（N·mm），f-熱脹應力范圍的減小系數，[σ]20-鋼材在20℃時的許用應力（MPa），[σ]t-鋼材在設計溫度下的許用應力（MPa），σL-管道在工作狀態下，由內壓、自重和其他持續外載產生的軸向應力之和（MPa），W-管子抗彎截面系數（mm3），i-應力增加系數，且0.75i不應小于1。在實際應力分析過程中，應力超標的地方往往出現在彎頭或者三通上，一方面是因為在這些地方管道走向或規格發生了改變，產生了應力集中，因此這些地方的應力比其他地方大，在彎頭或三通處應力更容易超標，這就是i的作用。另一個原因是管道走向的變化導致彎矩的產生，彎矩具有傳遞性，彎矩如果疊加到一定程度超出管件的承受范圍，則管件發生破壞，但破壞之前的直接表現是應力超標，這就是MC的作用。而MC更容易使i值較大的地方應力超標。MC和i直接關系著二次應力計算值的大小。

（二）二次應力優化方法

由公式（1）可以看出，應力增加系數i和管子抗彎截面系數W在管件確定后已經成為定值，可優化的部分只有MC。只有在優化無果的情況下可以經過論證選擇i值較小或者W值較大的管件替換原管件，但是該方法一般不推薦使用，因為采用該方法需要重新修改工藝系統，改動牽扯范圍較廣。而且i值較小或者W值較大的管件往往規格較高，會造成材料成本增加。對于熱脹合成力矩MC，我們有以下公式計算：

式中：P-作用在某處的合成力（N），L-合力相對于某處的力臂（mm）。當不考慮重力因素時，管系中力P的產生是由溫差作用下管道的變形引起，管道總是沿軸向變形，因此對應方向上的變形在某點受到約束時則在該點產生對應方向上的力。該力以某點后的管段為力臂，在下一點產生力矩。

四、結語

總之，在對熱力管道設計中的應力分析對其參數計算可能會遇到一些問題，但要保證熱力管道設計中參數計算的正確性，熱力管道設計中的應力分析要合理規范，如果在對熱力管道的邊界條件及約束處理存在錯誤性，會對熱力管道造成很大的破壞，因此核算熱力管道設計中的應力分析時需要特別得認真仔細，所以說對熱力管道設計中的應力分析也是具有非常重要的意義。

參考文獻：

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