工業(yè)項目熱力管道應(yīng)力分析的難點及要點探析

史曉光

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065）

1 工業(yè)項目熱力管道應(yīng)力分析的重要性

工業(yè)項目熱力管道應(yīng)力分析的主要目的是保證管道具有足夠的柔性，避免管道在各種因素下發(fā)生破壞與變形等問題。熱力管道應(yīng)力分析的主要內(nèi)容有靜力分析和動力分析，比如，在持續(xù)荷載下的一次應(yīng)力計算、管道自振頻率分析等。工業(yè)項目熱力管道應(yīng)力分析的重要性表現(xiàn)在可對管道安全性進(jìn)行判斷分析，確保管道設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性與合理性，而且能在應(yīng)力分析下對管道支吊架進(jìn)行合理布置。熱力管道走向為三維空間，由多條主管共同組成，形成多個環(huán)形結(jié)構(gòu)，可通過三維立體圖的建立，對地應(yīng)力分析的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行確定。管道應(yīng)力分析的步驟如圖1所示。

圖1 管道應(yīng)力分析的步驟

將管系布置好之后，需對計算范圍進(jìn)行劃分；對道的支吊點型式予以確定，將滑動點、吊架確定為水平管道，管道如果有位移，則要將彈簧支吊點確定為管道的布置要求[1]；分析計算管系應(yīng)力；管道布置需按照應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的主要內(nèi)容有支點位置等，確保管道應(yīng)力及管端力矩符合要求時就可以停止；外載荷為將管端推力和力矩，管端的最大推力需符合要求；管架的設(shè)計依據(jù)為管系中支點的作用力；彈簧支吊架設(shè)計的依據(jù)是各支吊點的作用力和位移量。

2 工業(yè)項目熱力管道應(yīng)力分析的難點

2.1 管系荷載的確定

管道自身所承受的荷載和溫度、管系的持續(xù)外載、管道內(nèi)部熱力膨脹和端點位移變化、偶然性荷載是管系荷載的4個要點[2]。在工業(yè)項目熱力管道應(yīng)力分析期間，需合理確定其荷載，避免這幾個問題對管道后期的運行產(chǎn)生影響。

2.2 一次應(yīng)力分析

在工業(yè)項目熱力管道應(yīng)力分析中，一次應(yīng)力分析是難點，在管道內(nèi)部壓力或機(jī)械外部荷載的影響下，出現(xiàn)正應(yīng)力，將這種應(yīng)力稱之為一次應(yīng)力。在一次應(yīng)力分析時，要對管道截面等設(shè)置進(jìn)行合理確定，這就增加了一次分析的難度與控制。

2.3 二次應(yīng)力分析

二次應(yīng)力的評定基礎(chǔ)是一次應(yīng)力，其在熱脹時會讓管道在外力約束下產(chǎn)生應(yīng)力，需驗算比對管道冷熱狀態(tài)下的應(yīng)力范圍。在對二次應(yīng)力進(jìn)行分析時，難點是容易忽略管道蠕動與材料屈服時所產(chǎn)生的不同狀態(tài)。

2.4 技術(shù)要求較高

在對工業(yè)項目熱力管道應(yīng)力分析期間，要求在操作、分析與計算過程中，技術(shù)人員不僅要具備較高的專業(yè)素養(yǎng)與較強(qiáng)的實踐能力，還能對分析全過程進(jìn)行有效控制，確保工業(yè)項目熱力管道應(yīng)力分析的有效性[3]。

3 工業(yè)項目熱力管道應(yīng)力分析的要點

3.1 荷載確定

管系荷載確定對應(yīng)力分析具有重要意義，管系所受到的荷載主要有4類。

1）壓力與溫度荷載。熱力管道在運行過程中，由于所處壓力與溫度環(huán)境不同，所產(chǎn)生的荷載也不同，所以在對管道應(yīng)力進(jìn)行計算時，需對壓力與溫度荷載進(jìn)行合理確定，能了解在各類危險工況下熱力管道是否能安全運行。

2）持續(xù)外載。持續(xù)外載由管道基本載荷、支吊架的反力等組成，在應(yīng)力分析時也要對持續(xù)外載予以確定。

3）熱脹及端點附加位移。管道在安裝完畢后會投入運行，在運行過程中管道內(nèi)介質(zhì)溫度會發(fā)生變化，管道會受到熱脹冷縮的影響，容易產(chǎn)生變形。同時，管道與設(shè)備在連接過程中，設(shè)備會出現(xiàn)溫度變化，使管道產(chǎn)生端點附加位移的情況，從而讓管道發(fā)生變形。

4）偶然荷載。偶然荷載是熱力管道設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量值很大且持續(xù)時間很長的荷載。工業(yè)項目熱力管道安裝和運輸時要對偶然荷載進(jìn)行考慮：在常溫下安裝期間，要對內(nèi)壓、持續(xù)外載等影響因素進(jìn)行分析。在不同情況下管道所受到的荷載不同，這時就要對內(nèi)壓、自重等情況下的荷載工況進(jìn)行確定。

3.2 一次應(yīng)力分析要點

一次應(yīng)力的產(chǎn)生會受到多種應(yīng)力的共同作用，如內(nèi)壓、風(fēng)荷載等。在工作狀態(tài)下，管道會出現(xiàn)塑性變形，變形產(chǎn)生的應(yīng)力較大時，就會對管道造成破壞。所以留下適當(dāng)?shù)脑６扰c屈服極限十分重要，這樣能避免管道發(fā)生變形破壞管道，進(jìn)而造成不可挽回的損失。使用極限法校核一次應(yīng)力，且要將其控制在管道許用范圍內(nèi)。管道截面、荷載等設(shè)置會影響其大小。一次應(yīng)力分析時，要求在工作狀態(tài)下，要對管道內(nèi)壓縮產(chǎn)生的折算應(yīng)力進(jìn)行判斷，不能超過鋼材在設(shè)計溫度下的許用范圍。內(nèi)壓折算成的應(yīng)力計算見式（1）：

式中，σZS為內(nèi)壓折算成的應(yīng)力；p為管道設(shè)計壓力；DW為管道外徑；S為管道壁厚；C1為驗算時的管子壁厚附加值；η為許用應(yīng)力的修正系數(shù)。

3.3 二次應(yīng)力分析要點

在自身連續(xù)變形或者受外部約束時管道所生成的正應(yīng)力，本身不會直接與外力相平衡。變形應(yīng)力會在管道的熱脹、冷縮等情況下引起。這種應(yīng)力如果長期存在，會危害管道安全性與穩(wěn)定性，最終管道會在局部屈服與小量塑性變形影響下，出現(xiàn)疲勞破壞。在熱狀態(tài)下，管道的初始熱應(yīng)力當(dāng)達(dá)到設(shè)定限定數(shù)值時，應(yīng)力下降情況比較明顯；但當(dāng)管道處于冷狀態(tài)時，這種情況就會截然相反。管道的冷緊縮屬于自拉，但在實際應(yīng)用中自拉量無法有效確定。在計算分析時，可使用全補(bǔ)償值，20℃下的鋼材彈性模量，可確定應(yīng)力范圍。為確保分析方法的可靠性與合理性，需要對蠕變的熱脹應(yīng)力、屈服時所產(chǎn)生的拉力進(jìn)行分析。二次應(yīng)力最為明顯的特征是自限性，管道在溫度的影響下在熱脹時產(chǎn)生荷載，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力，但應(yīng)力并不會一直增大，在熱脹變形過程中部分應(yīng)力會被釋放。熱脹是二次應(yīng)力分析時必須關(guān)注的要點。管材的熱脹應(yīng)力范圍的計算見式（2）：

式中，σ∈為熱脹應(yīng)力范圍；[σ]20為鋼材在20℃時的許用應(yīng)力；[σ]t為鋼材在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力；Mc為按全補(bǔ)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；σL為管道在工作狀態(tài)下，軸向應(yīng)力之和（內(nèi)壓+其他持續(xù)外載）；f為熱脹應(yīng)力范圍的減小系數(shù)；i為應(yīng)力增加系數(shù)；W為管道抗彎截面系數(shù)。

3.4 技術(shù)控制要點

由于熱管道應(yīng)力分析具有較強(qiáng)的技術(shù)性與專業(yè)性，所以要求技術(shù)人員必須具有較高的綜合素養(yǎng)與能力。而且需針對分析情況，能做好各方面控制。如需合理選擇計算軟件，可選擇CaesarⅡ、Triflex等軟件。以CaesarⅡ為例，其具有較為齊全的功能，可對管道靜力、動力進(jìn)行分析，且能對非線性約束等進(jìn)行綜合考慮，在計算時發(fā)揮著不可替代的作用。

邊界條件與約束處理也十分重要，要做好參數(shù)控制，并能確保邊界條件和約束與現(xiàn)場情況相一致。要簡化滑動支架、固定支架等對管道的約束，便于計算模型應(yīng)用?；瑒又Ъ苁芗s束與不受約束的位移需合理設(shè)置，前者定為零，后者則有較強(qiáng)的自由性。技術(shù)人員必須控制好計算分析全過程，確保各項參數(shù)、細(xì)節(jié)等都能符合要求，提升管道應(yīng)力分析效果，確保管道在實際應(yīng)用中的安全性與可靠性[4]。

4 管道應(yīng)力分析的安全評定以及其他要點

4.1 安全評定

管道自身及管道與其他設(shè)備相連接的安全性與穩(wěn)定性是安全評定的關(guān)鍵所在。為確保支吊架的安全性，要在設(shè)計期間對承載能力進(jìn)行合理分析，確保土建結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的安全性與穩(wěn)定性。安全評定工作的有效開展十分重要，只有保證各項條件能滿足規(guī)定要求，才能讓管道自身、管道與設(shè)備連接處于安全與穩(wěn)定的環(huán)境。通過安全評定可找到影響管道安全的各項因素，確保管道在運行中不會受到其他環(huán)境或者應(yīng)力的影響。

4.2 其他要點

1）管道初算與調(diào)整。在初算關(guān)系應(yīng)力時，要調(diào)整好初算結(jié)果，并能通過對一次應(yīng)力與二次應(yīng)力結(jié)果的查看與調(diào)整，確定計算結(jié)果是否滿足設(shè)計要求，并做好調(diào)整。

2）峰值應(yīng)力。管材局部受力而附加于一次應(yīng)力或二次應(yīng)力的增量是峰值應(yīng)力，這種應(yīng)力會讓管道出現(xiàn)疲勞破壞。要求在分析時，對管道工作參數(shù)等進(jìn)行明確。處于冷狀態(tài)時，對于一般熱力管道，疲勞強(qiáng)度是峰值應(yīng)力限定的主要手段；處于熱狀態(tài)時高溫材料強(qiáng)度是峰值應(yīng)力限定的手段。在具體應(yīng)用中，可選擇兩個較小值，峰值應(yīng)力范圍限定需滿足一定條件，要求≤1.25（[σ]20+[σ]t）。

3）支吊架失重。在應(yīng)力分析中失重是可能會遇到的問題。不同自重彎矩是出現(xiàn)這種情況的主要原因。當(dāng)存在水平管道跨距不均勻情況時，就會出現(xiàn)失重。為消除失重問題，可采取調(diào)整吊架跨距的方式予以解決。

4）對設(shè)備接口的推力（彎矩）超載。當(dāng)推力（彎矩）超出允許范圍后，就會破壞設(shè)備，對機(jī)組運行會產(chǎn)生影響，所以需做好相應(yīng)的處理。（1）當(dāng)推力在垂直方向過大時，就要對相應(yīng)支吊架的荷重進(jìn)行分析，對推力進(jìn)行控制。（2）推力在水平方向過大時，可將相應(yīng)的限位支架裝設(shè)在距離端點一定距離的位置，對推力進(jìn)行阻隔。（3）作用力矩過大時，要對力矩方向與變形方向進(jìn)行分析，為減小力矩需采用產(chǎn)生力矩的限位裝置進(jìn)行處理。

5）應(yīng)力結(jié)果不滿足。對應(yīng)力計算結(jié)果進(jìn)行分析，對應(yīng)力范圍要予以確定。一次應(yīng)力范疇屬于持續(xù)荷載、偶然荷載作用，一次應(yīng)力不合格要調(diào)整支吊架間距；二次應(yīng)力范疇為熱脹冷縮、端點約束力，當(dāng)二次應(yīng)力不合格時，要改變支吊架類型，對管系進(jìn)行重新布置。

5 結(jié)語

在熱力管道應(yīng)力分析時，要注意的點較多，要求能及時發(fā)現(xiàn)問題，并能明確其分析要點，確保分析工作有效進(jìn)行。工業(yè)項目熱力管道應(yīng)力分析，能及時了解管道存在的安全問題，并予以處理，確保日后管道運行的安全性；避免管道出現(xiàn)變形、位移等各種問題，影響管道的正常運行。