火電廠熱力管道二次應(yīng)力優(yōu)化分析

閆曉東

摘? 要：對(duì)管道應(yīng)力分析基本荷載工況做了討論，并建立了管道分析簡化模型，對(duì)二次應(yīng)力產(chǎn)生的原因進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，明確了Π型彎對(duì)減小二次應(yīng)力的作用。對(duì)Π型彎各個(gè)參數(shù)與二次應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比，其結(jié)果對(duì)實(shí)際管道布置及調(diào)整起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：二次應(yīng)力;應(yīng)力分析;荷載工況;Π型彎

中圖分類號(hào)：U173? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）30-0061-03

Abstract： The basic load case for piping stress analysis is discussed in the paper， a simplified model is also built for detail theoretical stress analysis to find out where the secondary stresses come from. According to the analysis， a Π-type bending is significant for the secondary stresses reducing， the different results of the secondary stresses are compared when the shape of the Π-type bending changes， the results are useful in piping arrangement and modification for real work.

Keywords： secondary stresses; stress analysis; load case; Π-type bending

引言

火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力分析是管道布置過程中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)，其主要工作是驗(yàn)算管道在內(nèi)壓、自重和其他外載作用下所產(chǎn)生的一次應(yīng)力和在熱脹、冷縮及位移受約束時(shí)所產(chǎn)生的二次應(yīng)力;判斷計(jì)算管道的安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性，以及管道對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的推力和力矩應(yīng)在設(shè)備所能安全承受的范圍內(nèi)[1]。因此，管道應(yīng)力分析不僅僅是簡單計(jì)算一下管道的應(yīng)力，它是一個(gè)擴(kuò)展的概念。

一般來講，管道應(yīng)力分析可以劃分為靜態(tài)應(yīng)力分析和動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析兩部分[2，3]。在火電廠汽水管道設(shè)計(jì)過程中，一般針對(duì)四大管道等主要管系要求考慮動(dòng)態(tài)荷載對(duì)管道的影響，其余部分管道只考慮靜態(tài)荷載影響。同時(shí)，動(dòng)態(tài)分析需要疊加靜態(tài)分析的結(jié)果作為動(dòng)態(tài)分析的最終結(jié)果，因此管道靜態(tài)分析是基礎(chǔ)，本文的討論圍繞靜態(tài)分析展開。

管道靜態(tài)應(yīng)力分析中，首先要清楚需要計(jì)算的工況，明確分析中可能出現(xiàn)的荷載，只有工況設(shè)置合理，所分析的結(jié)果才對(duì)工程應(yīng)用有指導(dǎo)意義。工況設(shè)置正確后，所得到的靜態(tài)應(yīng)力分析結(jié)論一般包含以下三方面內(nèi)容：應(yīng)力安全、推力和力矩安全、支吊架選型合理。應(yīng)力安全是指一次應(yīng)力和二次應(yīng)力都不應(yīng)超過對(duì)應(yīng)工況的許用應(yīng)力，這是應(yīng)力計(jì)算的基本要求，只有應(yīng)力達(dá)標(biāo)的情況下才有可能進(jìn)行推力、力矩及支吊架選型的進(jìn)一步分析、調(diào)試。

1 靜態(tài)應(yīng)力分析基本工況的設(shè)置

1.1 靜態(tài)荷載

靜態(tài)荷載指內(nèi)壓、自重、其他外載、熱脹、冷縮及位移[1]。其中前三個(gè)影響一次應(yīng)力，后三個(gè)影響二次應(yīng)力。

各荷載的符號(hào)可規(guī)定如下[4]：

P-內(nèi)壓

W-自重

F-其他外載

T-溫度，產(chǎn)生熱脹和冷縮

D-位移

內(nèi)壓指管道工作時(shí)的設(shè)計(jì)壓力，一般為表壓;自重即管道自身重量，包括鋼管重量，保溫重量和介質(zhì)重量;其他外載指其他持續(xù)外載，即不隨時(shí)間急劇變化的荷載，如雪載等;溫度指管道正常工作時(shí)的設(shè)計(jì)溫度;位移指設(shè)備管嘴熱位移或者相連管道上由于其他原因需要分開計(jì)算時(shí)連接處的熱位移，包括線位移和角位移。

1.2 靜態(tài)基本荷載工況設(shè)置

火電廠中需要應(yīng)力分析的主要管道一般包含以下內(nèi)容：主蒸汽系統(tǒng)管道、再熱系統(tǒng)管道、再冷系統(tǒng)管道、高壓給水管道、中壓和低壓進(jìn)汽管道、各級(jí)抽汽管道、各級(jí)疏水管道、安全閥后排汽管道、凝結(jié)水系統(tǒng)管道、中低壓給水管道、鍋爐定期或連續(xù)排污管道、給水再循環(huán)管道等。

在實(shí)際工程中，這些主要管道一般安裝在主廠房內(nèi)，因此可以不考慮其他持續(xù)外載的影響。對(duì)于靜態(tài)分析，可以定義四個(gè)基本荷載工況：操作工況、持續(xù)工況、熱脹工況、結(jié)構(gòu)荷載工況。

L1=W+P+T+D （操作工況）

L2=W+P （持續(xù)工況）

L3=L1-L2 （熱脹工況）

L4=1.4L2+L3 （結(jié)構(gòu)荷載工況）

操作工況指管道正常工作時(shí)的工況;持續(xù)工況指管道運(yùn)行初期的冷態(tài)工況，此時(shí)沒有溫度作用，只有自重及內(nèi)壓存在;熱脹工況指只考慮溫度變化的工況，和溫度有關(guān)的荷載為T和D，但是此時(shí)不能由T+D得出，該工況是反映操作工況中去除持續(xù)工況荷載影響后的一種狀態(tài);結(jié)構(gòu)荷載主要針對(duì)支吊架設(shè)計(jì)時(shí)拉桿強(qiáng)度及根部承受能力進(jìn)行校核，結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算時(shí)自重荷載應(yīng)乘以荷載修正系數(shù)，荷載修正系數(shù)可取1.4[5]。

通過以上工況的組合，我們可以得到靜態(tài)應(yīng)力分析所需的所有結(jié)果。首先一次應(yīng)力和二次應(yīng)力分別通過L2和L3工況得出;對(duì)設(shè)備管嘴的冷態(tài)推力和熱態(tài)推力可以分別通過L2和L1工況的計(jì)算結(jié)果得出;對(duì)于彈簧選型所需的工作荷載、熱位移、結(jié)構(gòu)荷載可分別通過L1、L3和L4得出。

2 管道二次應(yīng)力優(yōu)化分析

管道應(yīng)力優(yōu)化分析的主要工作是減小管道中的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，使一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果在各自許用應(yīng)力范圍內(nèi)。