工業項目熱力管道應力分析的難點及要點探析

史曉光

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065）

1 工業項目熱力管道應力分析的重要性

工業項目熱力管道應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生破壞與變形等問題。熱力管道應力分析的主要內容有靜力分析和動力分析，比如，在持續荷載下的一次應力計算、管道自振頻率分析等。工業項目熱力管道應力分析的重要性表現在可對管道安全性進行判斷分析，確保管道設計的經濟性與合理性，而且能在應力分析下對管道支吊架進行合理布置。熱力管道走向為三維空間，由多條主管共同組成，形成多個環形結構，可通過三維立體圖的建立，對地應力分析的結構參數進行確定。管道應力分析的步驟如圖1所示。

圖1 管道應力分析的步驟

將管系布置好之后，需對計算范圍進行劃分；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]；分析計算管系應力；管道布置需按照應力分析結果進行調整，調整的主要內容有支點位置等，確保管道應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；管架的設計依據為管系中支點的作用力；彈簧支吊架設計的依據是各支吊點的作用力和位移量。

2 工業項目熱力管道應力分析的難點

2.1 管系荷載的確定

管道自身所承受的荷載和溫度、管系的持續外載、管道內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]。在工業項目熱力管道應力分析期間，需合理確定其荷載，避免這幾個問題對管道后期的運行產生影響。

2.2 一次應力分析

在工業項目熱力管道應力分析中，一次應力分析是難點，在管道內部壓力或機械外部荷載的影響下，出現正應力，將這種應力稱之為一次應力。在一次應力分析時，要對管道截面等設置進行合理確定，這就增加了一次分析的難度與控制。

2.3 二次應力分析

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

2.4 技術要求較高

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

3 工業項目熱力管道應力分析的要點

3.1 荷載確定

管系荷載確定對應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境不同，所產生的荷載也不同，所以在對管道應力進行計算時，需對壓力與溫度荷載進行合理確定，能了解在各類危險工況下熱力管道是否能安全運行。

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

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介質溫度會發生變化，管道會受到熱脹冷縮的影響，容易產生變形。同時，管道與設備在連接過程中，設備會出現溫度變化，使管道產生端點附加位移的情況，從而讓管道發生變形。

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

3.2 一次應力分析要點

一次應力的產生會受到多種應力的共同作用，如內壓、風荷載等。在工作狀態下，管道會出現塑性變形，變形產生的應力較大時，就會對管道造成破壞。所以留下適當的裕度與屈服極限十分重要，這樣能避免管道發生變形破壞管道，進而造成不可挽回的損失。使用極限法校核一次應力，且要將其控制在管道許用范圍內。管道截面、荷載等設置會影響其大小。一次應力分析時，要求在工作狀態下，要對管道內壓縮產生的折算應力進行判斷，不能超過鋼材在設計溫度下的許用范圍。內壓折算成的應力計算見式（1）：

式中，σZS為內壓折算成的應力；p為管道設計壓力；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為許用應力的修正系數。

3.3 二次應力分析要點

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

式中，σ∈為熱脹應力范圍；[σ]20為鋼材在20℃時的許用應力；[σ]t為鋼材在設計溫度下的許用應力；Mc為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；σL為管道在工作狀態下，軸向應力之和（內壓+其他持續外載）；f為熱脹應力范圍的減小系數；i為應力增加系數；W為管道抗彎截面系數。

3.4 技術控制要點

由于熱管道應力分析具有較強的技術性與專業性，所以要求技術人員必須具有較高的綜合素養與能力。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、動力進行分析，且能對非線性約束等進行綜合考慮，在計算時發揮著不可替代的作用。

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

4 管道應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備相連接的安全性與穩定性是安全評定的關鍵所在。為確保支吊架的安全性，要在設計期間對承載能力進行合理分析，確保土建結構具有較強的安全性與穩定性。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定要求，才能讓管道自身、管道與設備連接處于安全與穩定的環境。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境或者應力的影響。

4.2 其他要點

1）管道初算與調整。在初算關系應力時，要調整好初算結果，并能通過對一次應力與二次應力結果的查看與調整，確定計算結果是否滿足設計要求，并做好調整。

2）峰值應力。管材局部受力而附加于一次應力或二次應力的增量是峰值應力，這種應力會讓管道出現疲勞破壞。要求在分析時，對管道工作參數等進行明確。處于冷狀態時，對于一般熱力管道，疲勞強度是峰值應力限定的主要手段；處于熱狀態時高溫材料強度是峰值應力限定的手段。在具體應用中，可選擇兩個較小值，峰值應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。在應力分析中失重是可能會遇到的問題。不同自重彎矩是出現這種情況的主要原因。當存在水平管道跨距不均勻情況時，就會出現失重。為消除失重問題，可采取調整吊架跨距的方式予以解決。

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

5）應力結果不滿足。對應力計算結果進行分析，對應力范圍要予以確定。一次應力范疇屬于持續荷載、偶然荷載作用，一次應力不合格要調整支吊架間距；二次應力范疇為熱脹冷縮、端點約束力，當二次應力不合格時，要改變支吊架類型，對管系進行重新布置。

5 結語

在熱力管道應力分析時，要注意的點較多，要求能及時發現問題，并能明確其分析要點，確保分析工作有效進行。工業項目熱力管道應力分析，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；避免管道出現變形、位移等各種問題，影響管道的正常運行。